煤氣發電廠PLC應用的理論分析與實例研究

作者：邦子宸

摘要：

隨著環保要求的提高和工業自動化技術的發展，煤氣發電廠作為資源回收利用的重要載體，其控制系統的可靠性與經濟性備受關注。可編程邏輯控制器（PLC）憑借抗干擾能力強、編程靈活、擴展性好等優勢，在煤氣發電廠控制領域的應用日益廣泛。本文基于PLC的核心理論，結合煤氣發電廠的工藝特點，從控制原理、系統架構等方面進行理論分析，并以安鋼集團信鋼公司焦爐煤氣發電系統和昆鋼自備發電廠高爐煤氣發電機組為實例，詳細闡述PLC在邏輯控制、PID調節、監控保護等環節的應用實踐。研究表明，PLC控制系統可有效提升煤氣發電廠的運行穩定性、燃燒效率和自動化水平，為同類電廠的控制系統設計與優化提供參考。

關鍵詞：煤氣發電廠；PLC；控制系統；理論分析；實例研究

一、引言

（一）研究背景與意義

煤氣發電廠通過燃燒焦爐煤氣、高爐煤氣等工業副產煤氣發電，實現了廢棄物資源化利用，是踐行環保理念的重要工業形式。此類電廠具有熱容量小、發電機組規模適中（通常20兆瓦以內）的特點，傳統大型電廠的DCS控制系統成本過高，而常規繼電器控制方式存在可靠性差、操作復雜、維護困難等問題。隨著微處理器技術和現場總線技術的進步，高檔PLC集散控制系統已能滿足中型復雜控制需求，在降低控制成本的同時提升系統穩定性。因此，深入研究PLC在煤氣發電廠的應用理論與實踐，對推動煤氣發電行業的自動化升級、提高能源利用效率具有重要現實意義。

（二）國內外研究現狀

國外大型企業較早將PLC技術應用于工業控制系統，通過整合計算機技術、網絡技術實現了煤氣發電系統的集成化控制，在控制精度和可靠性方面處于領先地位。國內對煤氣發電廠PLC控制的研究起步較晚，但發展迅速，已在焦爐煤氣發電、高爐煤氣發電等領域實現了PLC控制系統的規模化應用，主要集中在邏輯控制、參數調節、安全保護等核心環節，但部分中小型電廠仍存在系統兼容性不足、控制算法優化不夠等問題，需進一步深化研究。

（三）研究內容與框架

本文首先闡述PLC的基本理論及煤氣發電廠的控制需求，隨后從硬件組態、軟件編程、控制策略等方面進行理論分析；接著結合兩個實際工程案例，詳細介紹PLC控制系統的設計與應用效果；最后總結PLC應用的關鍵技術要點，并對未來發展趨勢進行展望。

二、PLC應用的理論基礎

（一）PLC的核心工作原理

PLC是專為工業環境設計的數字運算電子系統，核心由中央處理器（CPU）、存儲器、I/O模塊、電源模塊和通信模塊組成。其工作方式為周期掃描模式，按照“輸入采樣—程序執行—輸出刷新”的順序循環運行：輸入采樣階段采集現場傳感器、執行器的信號并存儲至輸入映像區；程序執行階段CPU按照梯形圖、功能塊圖等編程語言的邏輯指令進行運算；輸出刷新階段將運算結果寫入輸出映像區，驅動現場設備動作。該工作模式確保了PLC控制的實時性和可靠性，適用于煤氣發電廠多設備、多參數的連續控制場景。

（二）煤氣發電廠的控制需求分析

煤氣發電廠的核心工藝包括煤氣燃燒、余熱回收、蒸汽發電、輔助系統運行等環節，其控制需求主要體現在三個方面：一是邏輯控制，需實現設備啟停聯鎖、故障保護、運行模式切換等功能，如爐膛吹掃、燃料跳閘、孤立運行模式切換等；二是過程控制，需對爐膛壓力、汽包水位、蒸汽溫度等關鍵參數進行精確調節，確保系統穩定運行；三是監控與報警，需實時采集設備運行數據，對異常工況及時報警并記錄，為運維提供依據。

（三）PLC控制系統的設計原則

1. 可靠性原則：采用冗余配置、抗干擾設計等措施，如雙機熱備、屏蔽電纜、隔離變壓器等，適應電廠高溫、高電磁干擾的環境；

2. 經濟性原則：根據電廠規模和控制需求選擇合適的PLC型號及模塊，避免過度配置，降低系統成本；

3. 擴展性原則：預留I/O接口和通信接口，便于后續系統升級和功能擴展；

4. 易用性原則：采用直觀的編程方式和監控界面，簡化調試與運維流程。

三、煤氣發電廠PLC應用的理論分析

（一）硬件系統組態理論

PLC控制系統的硬件組態需結合煤氣發電廠的設備布局和控制范圍，采用分布式架構設計。核心控制器通常選用中高端PLC系列，如西門子S7-400、S7-300等，根據控制規模配置冗余CPU或單機CPU；I/O模塊采用分布式配置，通過Profibus-DP等現場總線與控制器連接，實現現場設備信號的遠距離傳輸，減少布線成本并提高系統靈活性。通信網絡采用工業以太網構建上位機與PLC的通信鏈路，實現數據高速傳輸，通信速率可達10Mbps以上。

（二）軟件編程與控制策略

1. 邏輯控制策略：采用梯形圖編程語言實現順序控制邏輯，通過聯鎖條件判斷確保設備按流程啟停，如鍋爐吹掃需滿足風機運行正常、信道暢通等前提條件，燃料跳閘需響應爐膛超溫、壓力異常等故障信號；

2. PID調節策略：針對連續變化的工藝參數，采用PID控制算法實現精確調節，包括單沖量、三沖量等調節方式。例如爐膛壓力采用單沖量PI調節，通過控制引風機轉速維持負壓穩定；汽包水位采用三沖量PI調節，結合給水流量、蒸汽流量和水位信號實現動態平衡；

3. 監控與報警策略：通過組態軟件設計工藝流程畫面、參數趨勢圖、報警窗口等，實時顯示設備運行狀態和工藝參數，按功能分區設置報警組，支持優先級過濾和全局報警確認功能。

（三）系統可靠性與抗干擾設計

硬件層面采用雙機熱備配置（如S7-414-4H），實現故障無擾動切換；I/O模塊采用隔離設計，避免信號干擾；電纜選用屏蔽線并合理布線，減少電磁耦合干擾。軟件層面設置看門狗定時器、故障自診斷程序，對通信異常、模塊故障等進行實時檢測并觸發保護動作；采用數據冗余存儲，防止關鍵數據丟失。

四、PLC應用實例研究

（一）實例一：安鋼集團信鋼公司焦爐煤氣發電PLC控制系統

1. 項目背景：該項目為2×6000kw焦爐煤氣發電工程，需實現兩臺余熱鍋爐、兩套汽輪發電機組及輔助系統的集中控制，要求系統具備高可靠性和快速響應能力。

2. 控制系統設計：

? 硬件配置：采用西門子S7-400H雙機熱備系統作為核心控制器，搭配ET200M分布式I/O模塊，通過Profibus-DP總線構建冗余通信網絡，系統I/O點數達2000余點（模擬量300余個）；上位機設置6臺操作員站和2臺工程師站，通過100兆工業以太網互連；

? 軟件設計：采用STEP7進行系統組態，WinCC設計監控界面，實現工藝流程顯示、參數趨勢監控、全局報警等功能；編程實現8000余條邏輯控制語句，包含6個PID控制回路（2個三沖量、4個單沖量）；

? 核心控制功能：邏輯控制涵蓋爐膛吹掃、風機啟動、鍋爐保護、燃料跳閘等19項關鍵流程；PID調節實現爐膛壓力、汽包水位、過熱蒸汽溫度的精確控制，其中過熱蒸汽溫度調節引入減溫器后溫度作為前饋信號，提升調節精度。

3. 應用效果：系統投運后運行穩定，焦爐煤氣燃燒充分，燃盡率高，余熱鍋爐熱效率達80%以上；設備故障響應時間小于1秒，無擾動切換成功率100%，大幅降低了運維成本，各項技術指標達到國際先進水平。

（二）實例二：昆鋼自備發電廠高爐煤氣發電機組PLC控制系統

1. 項目背景：該項目針對高爐煤氣發電機組的送、引風機系統進行節能改造，采用PLC與高壓變頻器結合的控制方案，實現風機轉速的無級調節和運行狀態的實時監控。

2. 控制系統設計：

? 硬件配置：選用西門子S7-200系列CPU226作為下位機，搭配CP243-1以太網模塊，通過Modbus協議采集現場數據；上位機采用研華工控機，配置MDM3000電力綜合測試儀實現電壓、電流等參數采集；

? 軟件設計：采用Step7-Microwin4.0編寫PLC程序，整合Modbus與TCP/IP協議實現數據交互；上位機采用組態王Kingview5.1設計監控畫面，搭配自主研發的節能計算軟件，實現運行數據記錄、趨勢曲線顯示和節能分析功能；

3. 應用效果：系統投運后，操作員可通過監控畫面實時掌握風機運行參數，節能效果顯著，廠用電率大幅降低；軟啟動功能避免了電機和電網的沖擊，設備使用壽命延長30%以上，運維工作量減少50%。

五、結論與展望

（一）研究結論

本文通過理論分析與實例驗證，得出以下結論：1. PLC的周期掃描工作模式、分布式硬件架構和靈活的編程方式，能夠滿足煤氣發電廠邏輯控制、過程調節、安全保護等多方面需求；2. 合理的硬件組態、優化的控制策略（如PID調節與前饋補償結合）和完善的抗干擾設計，是提升PLC控制系統可靠性和控制精度的關鍵；3. 工程實例表明，PLC控制系統在焦爐煤氣發電、高爐煤氣發電等場景中應用效果顯著，可提高燃燒效率、降低能耗、減少運維成本。

（二）不足與展望

本文的研究主要集中在PLC的常規控制應用，未涉及智能算法（如模糊PID、神經網絡）與PLC的結合優化。未來，煤氣發電廠PLC應用可向三個方向發展：一是引入工業互聯網技術，實現PLC與云平臺的數據交互，開展遠程監控和預測性維護；二是融合智能控制算法，優化PID調節參數，提升復雜工況下的控制精度；三是推進多系統集成，實現PLC與DCS、SCADA系統的無縫對接，構建全流程智能化控制體系。

參考文獻

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