鍋爐液位PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)

孫曉晴

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，山西太原　030032）

鍋爐液位PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)

孫曉晴

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，山西太原030032）

要想基于理論的指導(dǎo)，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)器，必須針對被控對象構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確模型，對于工業(yè)生產(chǎn)而言，這具有非常大的難度系數(shù)，加之系統(tǒng)控制參數(shù)與結(jié)構(gòu)均不是恒定的，會(huì)隨著時(shí)間的改變而變化。因此，構(gòu)建所得模型只能被稱為近似模型，以近似模型為基礎(chǔ)，對控制機(jī)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，也無法確保其在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。所以，工程實(shí)際應(yīng)用中，普遍擇取工程整定法對PID參數(shù)進(jìn)行有效明確。論文以過程控制平臺(tái)對鍋爐液位控制系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)控，并利用現(xiàn)場湊試法明確PID參數(shù)，不僅闡述了鍋爐液位控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案以及關(guān)鍵技術(shù)，還促使控制系統(tǒng)更具精準(zhǔn)性，具有良好的參考價(jià)值。

鍋爐液位；PID控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)思路

0　引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，鍋爐作為一種動(dòng)力設(shè)備，具有不可或缺性。鍋爐的應(yīng)用不僅可以促使燃料內(nèi)部所包含的化學(xué)能向熱能轉(zhuǎn)換，還可以利用相關(guān)設(shè)備，將熱能轉(zhuǎn)化為某種能量形式，從而滿足實(shí)際生活與生產(chǎn)活動(dòng)的需求。隨著我國工業(yè)化建設(shè)進(jìn)程地不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大，生產(chǎn)過程日趨強(qiáng)化，生產(chǎn)設(shè)備更是不斷創(chuàng)新與發(fā)展，鍋爐特性也逐漸發(fā)展為高效率、高參數(shù)以及大容量。鍋爐含有多個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中作為主要的便是液位控制系統(tǒng)，其實(shí)確保鍋爐正常運(yùn)作的基礎(chǔ)條件，是其良好安全性的根本保證。因此，對鍋爐液位PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有一定的必要性以及重要性。

1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要組分

該系統(tǒng)擇取的控制實(shí)驗(yàn)裝置型號(hào)為SAC/JGK/II，主要實(shí)驗(yàn)對象為熱水鍋爐，配套裝置有調(diào)節(jié)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測儀表、循環(huán)水泵、液位水槽以及高位水箱等。

2　控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)

控制系統(tǒng)共有兩個(gè)環(huán)節(jié)，分別為控制環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)。首先，在控制環(huán)節(jié)方面，該系統(tǒng)處理器是型號(hào)為MICROLOGIX1500、具有編程能效的控制器，主要構(gòu)成模塊有3個(gè)，分別為編程設(shè)備電源模塊、輸入輸出模塊以及CPU模塊。其具體作業(yè)流程如圖1所示。其次，在執(zhí)行環(huán)節(jié)方面，該系統(tǒng)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)由傳統(tǒng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)變?yōu)镻OWERFLEX40變頻器，這在很大程度上提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的先進(jìn)性，不僅可以對水箱流量進(jìn)行合理有效地調(diào)節(jié)，還可以提升控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。

圖1　MICROLOGIX1500控制器作業(yè)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of MICROLOGIX1500 controller

3　液位控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

我國某工業(yè)企業(yè)利用現(xiàn)場湊試法明確了鍋爐液位的PID參數(shù)，在很大程度上提高了PID控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，具有良好的參考價(jià)值。本文以該企業(yè)為例，闡述了鍋爐液位控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案以及關(guān)鍵技術(shù)。

3.1單容單閉環(huán)控制

利用調(diào)節(jié)器促使調(diào)節(jié)對象的控制參數(shù)呈現(xiàn)為恒定狀態(tài)的工作系統(tǒng)便是單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器在此系統(tǒng)內(nèi)部可以有效接收的測量信號(hào)數(shù)量為1，因此，在輸出過程中，所能有效控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量也是1?；趩稳莸拇蟓h(huán)境，單閉環(huán)控制系統(tǒng)以下水箱液位為主要控制對象，具體作業(yè)流程如圖2所示。

圖2　下水箱單容控制流程Fig.2 Single capacity control flow of the tank

該工業(yè)企業(yè)的這種設(shè)計(jì)的主要目的是利用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，促使下水箱液位保持給定值不變，從而有效降低系統(tǒng)外部、內(nèi)部所帶來的干擾。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　下水箱單容控制結(jié)構(gòu)Fig.3 single capacity control structure of the tank

控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)確保下水箱液位與設(shè)定值規(guī)定的標(biāo)高一致。PLC會(huì)對比液位變送器2傳遞的液位標(biāo)高值與設(shè)定標(biāo)高值，然后利用PID對其進(jìn)行合理運(yùn)算，繼而將電流控制信號(hào)傳輸給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由此來對閥門開度進(jìn)行有效控制，管控水管流量，進(jìn)而對下水箱液位標(biāo)高進(jìn)行有效控制。該系統(tǒng)處理器為MICROLOGIX1500控制器，因此，設(shè)計(jì)程序共有4個(gè)組分，分別為PID控制輸出、控制算法以及監(jiān)控組態(tài)的軟件通訊、系統(tǒng)起停控制。

3.2串接雙容單閉環(huán)控制

基于串接雙容的大環(huán)境，下水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)屬于單回路控制，水箱數(shù)量有2個(gè)，且呈現(xiàn)為串聯(lián)狀態(tài)，具體如圖4所示。該控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是確保下水箱液位標(biāo)高與給定值預(yù)期標(biāo)高相同，兩個(gè)串聯(lián)水箱之間存在一個(gè)閥門，通過其可以對水流量進(jìn)行有效控制。閥門處于閉合狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)水箱無法實(shí)現(xiàn)水流互通，此時(shí)控制系統(tǒng)僅可以控制一個(gè)水箱的水流量；閥門處于打開狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)水箱可以實(shí)現(xiàn)水流互通，此時(shí)影響水流互通速率的因素有兩個(gè)，分別為上水箱液位標(biāo)高、閥門開合程度。系統(tǒng)入水量完全取決于上水箱，出水量則取決于下水箱。系統(tǒng)在運(yùn)作過程中，會(huì)存在積分環(huán)節(jié)，加之水箱處于串聯(lián)狀態(tài)，系統(tǒng)水容量極易出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。該工業(yè)企業(yè)在設(shè)計(jì)過程中，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度是58%，上水箱入水閥門處于打開狀態(tài)，液位為40%，出水閥門處于閉合狀態(tài)；下水箱入水閥門處于閉合狀態(tài)，液位是32%，出水閥門處于打開狀態(tài)。經(jīng)過多次調(diào)試，最終所得水箱主調(diào)節(jié)器PID的控制參數(shù)如下：K=7，而副調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)為K=11。

圖4　水箱雙通單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.4 the structure of the double pass single closed loop control structure of the tank

3.3雙容串級控制

相較于單回路設(shè)計(jì)方案而言，串級控制系統(tǒng)的優(yōu)勢十分鮮明，其可以有效消除容量滯后給控制質(zhì)量造成不良影響。在結(jié)構(gòu)方面，該系統(tǒng)具有兩個(gè)閉環(huán)，分別為副回路閉環(huán)、主回路閉環(huán)，一個(gè)控制器已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的運(yùn)作需求，因此，該系統(tǒng)擇取兩個(gè)控制器，并對他們進(jìn)行串級處理，即以主控制器輸出系統(tǒng)充當(dāng)副控制器控制系統(tǒng)。雖然相較于單回路系統(tǒng)，串級系統(tǒng)只是增加了一個(gè)調(diào)節(jié)器與測量變送器，但其控制效果卻取得了較大幅度的提升。

（1）電氣接線與串級結(jié)構(gòu)。在雙容條件下，下水箱液位標(biāo)高主要取決于上水箱液位標(biāo)高與閥門開合程度，因此，該系統(tǒng)擇取下水箱液位標(biāo)高充當(dāng)設(shè)計(jì)主參數(shù)，上水箱液位標(biāo)高充當(dāng)設(shè)計(jì)副參數(shù)。該系統(tǒng)在運(yùn)作過程中，由液位變送器2對下水箱液位標(biāo)高信號(hào)進(jìn)行采集與傳輸，主調(diào)節(jié)器接收信號(hào)后，會(huì)對比設(shè)計(jì)標(biāo)高值與接收信號(hào)標(biāo)高值，對比完成后，由PID進(jìn)行合理計(jì)算，繼而將結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸給副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器成功接收后會(huì)將其作為系統(tǒng)設(shè)定標(biāo)高值，并與液位變送器1傳輸?shù)纳纤湟何粯?biāo)高值進(jìn)行對比，再由PID進(jìn)行合理計(jì)算，繼而將結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸給POWERFLEX40變頻器，該變頻器會(huì)參考信號(hào)數(shù)據(jù)，對閥門的開合程度進(jìn)行合理調(diào)控，從而管控水箱水流量，實(shí)現(xiàn)液位控制。

雙容串級條件下，水箱液位的電氣接線示意圖如圖5所示。利用POWERFLEX40變頻器取代圖中的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥，將交流電（AC）的電壓提升為360V，連接交流電、變頻器三相線，并連接路模擬量的輸出模塊（IOUTO+）、POWERFLEX40變頻器以及ANLGCOM端子，便可以促使水箱在雙容串級條件下，實(shí)現(xiàn)電氣接線。

圖5　雙容串級水箱液位電氣接線示意圖Fig.5 Schematic diagram of the electrical connection of the liquid level of the double-capacity cascade water tank

（2）設(shè)計(jì)程序。綜上所述，在雙容環(huán)境下，串級控制系統(tǒng)主要有四個(gè)程序，分別為PID控制輸出、控制算法以及監(jiān)控組態(tài)的軟件通訊、系統(tǒng)起?？刂?。對比單容環(huán)境下的單閉環(huán)系統(tǒng)，監(jiān)控組態(tài)的軟件通訊、系統(tǒng)起?？刂婆c控制輸出并沒有太大區(qū)別。區(qū)別較大的是PID控制算法，該工業(yè)企業(yè)所采用的PID控制算法如下：

而串級控制系統(tǒng)所具備的調(diào)節(jié)器有兩個(gè)，故程序運(yùn)行過程中，需要接收兩條執(zhí)行信號(hào)，該系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器為PD8:1，副調(diào)節(jié)器為PD8:2，經(jīng)由MOV將主調(diào)節(jié)器的信號(hào)傳遞給PD8:2.SPS，副調(diào)節(jié)器成功接收后，會(huì)將其充當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定值。此時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)結(jié)合模糊推理，基于POID控制條件，利用修正量整定控制參數(shù)，從而促使系統(tǒng)具具穩(wěn)態(tài)性及動(dòng)態(tài)性。模糊PID系統(tǒng)原理如圖6所示。

輸入為ec及e，輸出為△kd、△ki、△kp，其中kp0、ki0以及kd0是PID控制系統(tǒng)的初始值，控制參數(shù)kd、ki以及kp公式如下：

圖6　模糊PID系統(tǒng)原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of fuzzy PID system

具體控制算法為：

其中e（k）為第k次檢驗(yàn)所產(chǎn)生的液位誤差，e（k-1）則表示k上一次的檢驗(yàn)誤差，kp表示比例系數(shù)。

3.4溫度單閉環(huán)控制

對于工業(yè)控制而言，溫控系統(tǒng)是主要控制對象。溫控系統(tǒng)具有參數(shù)不穩(wěn)定、純滯后以及慣性較大的特點(diǎn)，很難對其進(jìn)行有效控制。該系統(tǒng)擇取單閉環(huán)方案控制下水箱溫度。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)保證下水箱溫度與設(shè)定值相符。在系統(tǒng)運(yùn)作過程中，溫度變送器會(huì)對水箱溫度進(jìn)行信號(hào)采集作業(yè)，并利用模數(shù)對采集信號(hào)進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，使其呈現(xiàn)出數(shù)字。繼而利用相關(guān)程序計(jì)算，并促使結(jié)果數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為PLC脈沖信號(hào)，對固態(tài)繼電器的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行管控，從而控制水箱溫度。

4　結(jié)束語

本文以過程控制平臺(tái)對鍋爐液位控制系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)控，并利用現(xiàn)場湊試法明確PID參數(shù)，不僅闡述了鍋爐液位控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案以及關(guān)鍵技術(shù)，還還促使控制系統(tǒng)更具精準(zhǔn)性，具有良好的參考價(jià)值。

［1］王鵬，鄭博聞，秦付軍，等.電鍋爐智能控制系統(tǒng)及其FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，5.

［2］張立眾，馬永翔.鍋爐液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控與PID參數(shù)整定［J］.機(jī)床與液壓，2011，24.

［3］竇艷艷，錢蕾，馮金龍.基于Matlab的模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真［J］.電子科技，2015，2.

Design Idea and Implementation of PID Control System for Boiler Liquid Level

SUN Xiao-Qing
（Institute of Animal Science and Veterinary Medicine，Shanxi Academy of Agricultural Science，Taiyuan Shanxi 030032，China）

In order to construct a model of the controlled object，it is necessary to construct an accurate model of the controlled object，which has a very large difficulty coefficient，and the system control parameters and structure are not constant.Therefore，the construction of the model can only be called approximate model，which is based on the approximate model，and the optimal design of the control system can not be ensured in the practical application.Therefore，in actual engineering application，generally choose engineering tuning method of PID parameters efficiently clear.Engineering setting method covers a wide variety of categories，such as the response of the transition process，the method of field test，etc..In this paper，the process control platform for boiler liquid level control system for online monitoring，and the use of on-site test method PID parameters，not only describes the specific design of the boiler liquid level control system and key technologies，but also to promote the control system more accurate，with a good reference value.

boiler liquid level；PID control system；design idea

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.06.047

1002-6673（2015）06-130-03

2015-09-30

孫曉睛（1962-），女，山西太原人，本科。研究方向：鍋爐設(shè)計(jì)。