Водогрейные котлы являются важнейшими элементами в системах отопления и горячего водоснабжения. Эти котлы могут работать на различных видах топлива — газе, мазуте, угольной пыли, кусковом угле. В связи с постоянно растущими ценами на газ и мазут актуальна замена этих дорогих энергоносителей более дешевым угольным топливом, особенно для Кузбасса, являющегося крупнейшим производителем угля в России.
Для повышения эффективности функционирования водогрейных котлов, работающих на кусковом угле, в работе [1] предлагается современная система автоматического регулирования режима работы котла, содержащая подсистемы регулирования подачи воздуха в топку, температуры горячей воды на выходе котла, разряжения в топке котла и скорости движения колосниковой решетки.
Возможны различные способы автоматического управления подачей угля в топку, выполненные на принципе стабилизации на заданном уровне параметров:
а) Расхода угля
б) Температуры в топке
в) Температуры горячей воды на выходе котла
г) Тепловой нагрузки котла.
Практический интерес представляет САУ подачей угля в топку (рисунок 1), в которой объединены варианты б) и г) в каскадную систему автоматического регулирования температуры горячей воды на выходе котла с автоматической коррекцией уставки по температуре наружного воздуха (окружающей среды).
где
- ПК — персональный компьютер оператора котельной
- ПЛК -программируемый логический контроллер
- Σ1, Σ2 — сумматоры сигналов
- ДНВ, ДТ, ДГВ — датчики температуры, соответственно, наружного воздуха, в топке котла, горячей воды
- РГВ, РТ — автоматические регуляторы температуры, соответственно, горячей воды и в топке
- ПУ — питатель угля
- ВПК-ТГВ — водонагревательная поверхность котла — трубопровод горячей воды на выходе котла
- ТГВ, ТТ, ТНВ — температура, соответственно, горячей воды, в топке котла, наружного воздуха
- ТГВИ, ТТИ, ТНВИ — измеренные значения температуры, соответственно, горячей воды, в топке котла, наружного воздуха
- ТНЗ, ТНФ — заданная и фактическая температура нагрева воды в котле
- ТТЗ — заданная температура в топке котла
- U — сигнал управления питателем угля
- FY —расход (подача) угля в топку
- f1 — эквивалентное возмущающее воздействие, включающее в себя показатели качества угля (крупность, влажность, зольность)
- f2 — эквивалентное возмущающее воздействие, определяемое расходом горячей воды, состоянием трубопровода.
Управляющая часть системы — сумматоры Σ1 и Σ2, автоматические регуляторы РГВ и РТ выполнены программным способом на базе программируемого логического контроллера ПЛК. Уставка УСТ температуры горячей воды на выходе котла формируется персональным компьютером ПК оператора котельной установки.
Температуры нагрева воды в котле заданная и фактическая вычисляются сумматорами в зависимости от температуры наружного воздуха по выражениям:
(1)
(2)
В процессе моделирования каскадной САР температуры горячей воды [2] установлено, что автоматические регуляторы РГВ и РТ должны реализовать, соответственно, ПИД и ПИ законы регулирования.
Выходной сигнал ПИД-регулятора рассчитывается по формуле:
(3)
где
- xр — полоса пропорциональности регулятора (xр=1/kр)
- Ei – рассогласование
- τД, τИ — постоянные времени дифференцирования и интегрирования
- ΔEi — разность между соседними измерениями Ei и Ei-1
- — накопленная в i-ый момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма)
- ΔtИЗМ — время между двумя соседними измерениями регулируемого параметра.
Как видно из (3) сигнал управления является суммой трех составляющих: пропорциональной (1-е слагаемое), дифференциальной (2-е слагаемое) и интегральной (3-е слагаемое). Полагая в выражении τД = 0, получим ПИ-закон регулирования.
Для реализации САУ режимом работы водогрейного котла, включающей и систему управления подачей угля в топку, принимается отечественный контроллер ОВЕН ПЛК 150. К его достоинствам следует отнести надежную среду программирования CoDeSys, поставляемую бесплатно, работу в сети с использованием 3-х встроенных интерфейсов RS485/RS232/Ethernet, наличие аналоговых и дискретных входов/выходов, возможность их расширения путем подключения удаленных модулей ввода/вывода, высокую производительность и относительно низкую стоимость.
Система программирования CoDeSys сегодня является самым распространенным в Европе инструментом создания управляющих программ. Система включает 5 специализированных редакторов для каждого из стандартных языков программирования: список инструкций (IL), функциональные блоковые диаграммы (FBD), релейноконтактные схемы (LD), структурированный текст (ST), последовательные функциональные схемы (SFC). Помимо средств подготовки программ CoDeSys включает встроенный отладчик, эмулятор, инструменты визуализации и управления проектом, конфигураторы контроллера и сети, библиотеки наиболее популярных функций, например таких, как регуляторы, сумматоры и др. CoDeSys компилирует прикладные программы в машинный код, поэтому создаваемые пользователем Программы имеют наивысшее быстродействие.
Управляющая программа для САУ подачей угля в топку котла, реализующая логику управления температурой горячей воды по каскадной схеме с учетом температуры наружного воздуха (смотри рисунок 1), представлена на рисунке 2. Программа написана на языке FBD с использованием стандартных функциональных боков библиотеки CoDeSys — блоков вычитания и ПИД- регулирования.
Входы/выходы функционального блока ПИД- регулирования:
- PV: REAL — значение регулируемой величины (сигнал обратной связи, приходящей с датчика)
- PV TIME: WORD — время получения значений регулируемой величины (циклическое время), используется для вычисления интегральной и дифференциальной составляющих
- SP: REAL — уставка регулятора
- РВ: REAL — полоса пропорциональности (в единицах регулируемой величины) — величина, обратная коэффициенту пропорциональности регулятора
- TI: DINT — постоянная интегрирования (4- байтовое целое число со знаком, в секундах)
- TD: REAL — постоянная дифференцирования
- IMIN: REAL — минимальное ограничение накопления интегральной составляющей в диапазоне от -100 до +100%
- IMAX: REAL — максимальное ограничение накопления интегральной составляющей в диапазоне от -100 до +100%
- OUT: REAL — выходной сигнал регулятора, от -100 до +100% относительной мощности.
Блоки вычитания SUB вычисляют по выражениям (1,2) температуры нагревания воды в котле заданную и фактическую. Входы/выходы этих блоков представлены данными типа REAL.
Блоки МАХ предназначены для выделения только положительных значений выходных сигналов регуляторов, так как последние функционируют с исполнительным механизмом (питатель угля) типа «Нагреватель».
Список литературы
- Медведев А.Е., Волыков К.П. Автоматическое регулирование режима работы водогрейного котла со слоевой угольной топкой // // Вести. Кузбасского гос. тех. унив., 2009. — №3. С. 65-68.
- Медведев А.Е., Волыков К.П. Исследование САР температуры горячей воды на выходе водогрейного котла // Вести. Кузбасского гос. тех. унив., 2009. №4. С.38-41.
Источник: Автоматическое управление подачей угля в топку водогрейного котла / А.Е. Медведев, К.П. Волыков // Вестник КузГТУ. — 2010. — №1. — C. 123-125
