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呂大飛
(河北天善生物技術有限公司，河北唐山063000)
摘要：為了提高控制精度，生物質氣化爐控制系統采用S7 200 SMART PLC作為核心控制器，采用串級控制進行溫度調節，采用PID算法進行系統數據優化計算，采用PLC梯形圖程序進行氣化爐的優化控制，從而實現生物質氣化爐的穩定高效工藝生產要求。
引言
生物質氣化是利用空氣中的氧氣或含氧物作氣化劑，在高溫條件下將生物質燃料中的可燃部分轉化為可燃氣(主要是氫氣、一氧化碳和甲烷）的熱化學反應，生物質氣化爐是采用生物質成型燃料或農林廢棄物通過風機送風，實現了爐溫和進風量的可控，使燃料在爐膛內充分氣化和燃燒，產生生物質碳和生物質燃氣等能源產品，在新能源環保方面具有重要作用。
生物質氣化系統包括上料輸送系統、氣化爐體調節系統、出料系統、凈化系統、氣液分離系統、氣體存儲系統等部分。其中氣化爐體調節系統是最關鍵的設備組成部分，包括鼓風機、電動調節進風閥、出氣閥等電氣設備。
系統一開始采用出氣溫度與進氣閥組成閉環控制系統，如圖1所示，根據出氣溫度設定值范圍相應調整進爐氣量，從而控制出氣溫度保持在設定值范圍，但是在實際生產中發現生物質氣化爐存在爐內氣體燃燒不穩定，爐內各溫度帶出現遷移，出氣溫度滯后性大，反應緩慢，產碳質量不正常等情況。
1新型串級控溫系統的設計
串級控制可以改善過程的動態特性，由于比單回路控制系統在結構上多了一個副回路，因此減少了回路中環節的時間常數，使系統的響應時間加快，提高了系統控制質量，能迅速克服進入副回路的二次擾動，提高了系統的整體性能。尤其對于容量滯后較大、純時延較大、擾動變化激烈而且幅度大以及參數互相關聯的過程等負荷變化串級控制的適應性較強。
因此，根據系統生產特點決定采用串級控溫方式對爐體控制，串級控制爐體溫度系統如圖2所示，采用爐體溫度與進氣閥組成副閉環反饋系統，出氣溫度與進氣閥組成主閉環反饋系統，利用主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出來控制進氣閥，以實現對變量的控制。
在初始階段，出口溫度值不變，主調節器的輸出不變，電動閥就按副測量值和給定值進行比較調節，控制電動閥的開度，使爐溫向設定溫度調節。
當出口溫度發生變化時，主調節器不斷改變著副調節器的輸入值，副調節器按照設定值和變化后的輸入值進行比較并輸出控制電動閥的開度，直到爐體出口溫度重新恢復到設定值為止。
1.1輸出量的控制目標
氣化爐爐內負壓控制在-2kPa左右，爐體溫度控制在520?550℃，爐內出氣溫度控制在450?480℃。
1.2控制系統硬件配置
硬件采用西門子S7 200 SMART PLC，SR60型開關量模塊，AE08型，AQ04型，AM06型模擬量模塊，對現場各種設備的運行狀況以及運行時的壓力、溫度、流量等工藝參數進行采集，在研華上位機上進行顯示，監控，存儲。測溫元件采用K型熱電偶。
1.3控制系統軟件配置
軟件采用STEP7-MICROWIN SMART PLC編程軟件進行梯形圖編程，采用WinCC7.0軟件進行監控畫面編制，能在畫面上進行現場各種設備的啟動停止操作，能設置風機、電動調節閥的運行頻率和開度，能進行PID調節的手動自動狀態投入、退出及相應狀態控制。
在使用中分別設定爐體出口溫度的不同取值通過串級控制來進行實際出口溫度檢測觀察。本套氣化爐采用雙出氣管路進行出氣，為了使生產時爐內壓力溫度平衡統一，在實際生產時對兩個出氣管路的溫度值采取平均值進行分析比較，給定溫度也是對兩個出氣管路的平均溫度值進行調節控制；通過實際溫度取值，發現測量結果誤差范圍小，控制精度較高。測量值如表1所示，對應PID控制曲線及對應監控操作畫面(部分)如圖3、圖4所示。
在實際使用過程中由于主副調節器的共同作用，進氣電動閥門的開度會進行位置變化，使生產過程中有波動的出口溫度能很快恢復到設定值，從而保證了生產工藝的要求。由于副調節器具有粗調的作用，而主調節器具有細調的作用，兩者互相配合，控制質量必然高于單回路控制系統。
2結語
該串級控溫系統較以往生物質氣化爐生產控制系統在穩定性、控制品質、控制性能上均得到很大的提升，取得了很好的應用效果，引入該系統以后完全達到了生物質氣化爐的連續生產的要求，產生的生物質產品在質量和數量上均滿足了生產工藝的要求，取得了良好的經濟效益，具有十分廣闊的應用前景。
參考文獻
[1]羅及紅.基于PID算法的爐窯溫度串級控制系統設計[J].計算機測量與控制，2012，20(12):3243-3245.
[2]邵裕森，戴先中.過程控制工程[M].北京：機械工業出版社，2000.
[3]王偉，張晶濤，柴天佑.PID先進整定方法綜述[J].自動化學報，2000,26(3):348-356.
[4]李茜，李彬，朱雪丹.模糊自整定PID控制器的設計與仿真[J].化工自動化及儀表，2010,37(3)25-28.
[5]林杰德.過程控制儀表及控制系統[M].北京：機械工業出版社，2006.
[6]劉增環，張文奎.串級控制在中頻感應加熱溫度控制系統中的應用[J].制造業自動化，2014(13)5-8. |
