工業(yè)鍋爐智能控制算法研究與系統(tǒng)設計*

楊凡 左琪 曾皓

1. 中國科學院成都計算機應用研究所 四川 成都 610041；

2. 四川省自主可控電子信息產業(yè)有限責任公司 四川 成都 610041

引言

隨著電氣自動化、計算機等相關技術的不斷進步，工業(yè)鍋爐自動化控制水平不斷提升，但工業(yè)鍋爐運行過程復雜，運行環(huán)境要求很高，需要合理控制鍋爐的運行參數(shù)，以確保工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)正常，如出水溫度是一個非常重要的鍋爐運行安全指標，必須嚴格控制。然而，由于負載波動、燃燒條件和水流量等各種因素的影響，工業(yè)鍋爐出水溫度控制難度較大[1]。因此，為保證鍋爐安全運行，應根據(jù)設備運行情況實時調整鍋爐內的出水溫度。在傳統(tǒng)的控制方案中，控制器無法實時適應工業(yè)鍋爐運行參數(shù)的頻繁變化，導致建立精確模型存在困難，往往不能滿足實際需要。鍋爐出水溫度控制是一個干擾因素較多、對象模型模糊的控制過程。因此，采用西門子S7-200型PLC設計控制系統(tǒng)，基于模糊PID控制算法實現(xiàn)工業(yè)鍋爐出水溫度智能控制。

1 模糊PlD算法控制

1.1 PID算法介紹

PID算法是指比例、微分、積分控制系統(tǒng)的運行過程，在工業(yè)控制中應用廣泛，大到大型工業(yè)生產設備運行狀態(tài)的控制，小到一個元件參數(shù)的控制，都會用到PID算法。PID算法的基本原理如圖1所示。

圖1 PlD算法基本原理

專家PID控制不需要知道確切的數(shù)學模型，只需根據(jù)專家經驗來設計合理的控制參數(shù)，屬于直接型控制方法，在專家PID控制方案中，控制系統(tǒng)直接輸出影響整個受控過程的控制信號，系統(tǒng)根據(jù)測量的過程信息和知識庫規(guī)則在每個采樣時間給出相應的控制信號。

1.2 模糊自適應PID算法介紹

模糊自適應PID算法的主要組成部分是模糊控制器、PID控制器。模糊控制器的輸入變量為輸入和輸出之間的誤差以及誤差變化率，輸出量為PID控制器的參數(shù)，起到整定PID控制器的作用，從而有效提高控制系統(tǒng)的響應速度[2]。提供出色的控制效果。與傳統(tǒng)的PID控制算法相比，模糊自適應PID算法在處理非線性時變系統(tǒng)時具有很大優(yōu)勢。

在模糊控制中，控制對象的數(shù)學模型沒有明確的定義。因此，在表達和描述輸入輸出時需使用正、負、大、小等比較模糊的術語。

圖2 工業(yè)鍋爐出水溫度模糊PlD控制器基本結構

表1 誤差、PID控制器參數(shù)之間配合規(guī)則

表1 誤差、PID控制器參數(shù)之間配合規(guī)則

E值 PID參數(shù)控制 目的較大為0 提高系統(tǒng)響應速度，降低超調量中等較大，較小，適中 降低系統(tǒng)超調量較小較小、與、較大，適中 確保系統(tǒng)穩(wěn)定，避免震蕩發(fā)生

2 基于模糊PlD控制的工業(yè)鍋爐智能控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體結構

本次研究以工廠實際運行的35t/h的工業(yè)鍋爐為研究對象，該鍋爐穩(wěn)定運行時壓力為1.8MPa，包括1臺風機、1臺引風機、1臺爐排電機、3臺供水泵。鍋爐控制具有變量多、非線性特點。在設計工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)時，需要確保鍋爐安全運行，因此，采用可靠高、控制精度較高的PLC控制。

整個系統(tǒng)結構中的PLC不僅接受變送器上傳的數(shù)據(jù)，還以模數(shù)轉換為中心，將其發(fā)送給控制單元進行上傳和下載，同時還扶著獲取從控制單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)模轉換，并將其發(fā)送到變頻器。系統(tǒng)變送器的主要功能是調整引風機、電機的運行。變速器的作用是充當PLC與鍋爐中各種部件之間的橋梁[3]。鍋爐系統(tǒng)整體結構分為上位機管理層、PLC控制層、變頻器、變速器調節(jié)層、底層設備層。

鍋爐的穩(wěn)定運行需要可靠、安全的控制系統(tǒng)作為大腦。工業(yè)鍋爐系統(tǒng)是一個典型的I/O變量多、控制過程復雜、耦合度高的非線性系統(tǒng)，在設計工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)時要重點解決控制系統(tǒng)的響應速度問題，而PLC的優(yōu)點是集成度高、接線方便、維護方便、可靠性高、故障率低、編程語言易學、邏輯強大，適合用于工業(yè)控制。

2.2 PLC選型

鑒于工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)對響應速度的要求，本次設計采用西門子S7-200系列PLC。該型PLC產品具有高穩(wěn)定性、高可靠性、相對較低的成本和較高的運行速度，在工控系統(tǒng)中應用廣泛。S7-200的CPU為RS485，而PC機的COM端口為RS232，二者不兼容，因此需用中間電路進行匹配，即RS485/RS232匹配線。S7-200 CPU上默認通訊口為PPI從機模式，地址為2，通訊速度為9.6K。要更改通信端口的地址或速度，需要在“通信端口”選項卡上設置，再下載系統(tǒng)塊到CPU中使設置生效。該型PLC具有集成度高、響應速度快、實時性好、通訊效果穩(wěn)定等優(yōu)點，同時對軟件編程語言要求低，對系統(tǒng)硬件兼容性高，可以進行整體模塊化設計。

變頻器選型。電動機分為直流電機和交流電機，直流電機的調速性能好而交流電機的結構簡單且應用更為廣泛，在鍋爐系統(tǒng)中交流電機大量應用，因此對交流電機進行調速就是一項非常重要的技術。在對交流電機進行調速時，目前廣泛采用變頻器作為電力控制設備進行調速[4]。變頻器（VFD）利用電力電子技術將電壓和頻率一定的工頻交流電變成電壓和頻率可以調整的交流電。根據(jù)現(xiàn)實中的系統(tǒng)設計要求，本文選擇安川全數(shù)字變頻器。安川變頻器的功能特點主要可靠性性高、耗電量低，能夠有效降低設備成本，用戶能夠自主獨立對其進行編程設計并且運行維護簡單，設計使用周期長。安川變頻器的接線示意圖如圖所示。

2.3 監(jiān)測儀器選型

工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)需要對工業(yè)鍋爐的運行參數(shù)進行監(jiān)測，主要用到的監(jiān)測儀器分為傳感器和變頻器兩大類，包括溫度傳感器、濕度傳感器、蒸汽流量計、水位傳感器、聲光報警器等。傳感器作為工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中各種運行參數(shù)數(shù)據(jù)的收集工具，其采集到的數(shù)據(jù)信號將轉換為其他信號輸出至變頻器，變頻器再將信號轉換為電信號輸出。選擇傳感器和變頻器的最基本原則是與包括PLC在內的其他組件良好兼容，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行[5-6]。此外，選用的傳感器和變頻器必須滿足工業(yè)鍋爐的運行環(huán)境要求，能夠在高溫高壓環(huán)境下正常工作，同時還要考慮成本。

3 基于模糊PlD控制的系統(tǒng)程序設計

3.1 主程序及啟停程序設計

根據(jù)上文介紹的模糊PID控制算法原理及基本流程設計該控制系統(tǒng)的主要程序，基于PLC實現(xiàn)模糊PID控制。以工業(yè)鍋爐溫度控制為例，控制系統(tǒng)程序包括主程序以及對應的五個子程序，主程序調用五個子程序，實現(xiàn)具體控制功能。

工業(yè)鍋爐系統(tǒng)溫度控制方式包括按鍵控制、WinCC上位機遠程控制。按鍵SB2、SB1分別控制系統(tǒng)啟動和停止。按下SB2，即I0.5， M9.0接通，程序啟動，檢測工業(yè)鍋爐的溫度并執(zhí)行信號輸出。按下SB2，I0.3， M9.0斷開，程序停止，系統(tǒng)啟停程序梯形圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)啟停程序梯形圖

4 結束語

綜上所述，我國工業(yè)企業(yè)在生產中廣泛使用二次能源燃氣作為工業(yè)鍋爐燃料，但需要進一步提高工業(yè)鍋爐的熱效率，只有不斷改進工業(yè)鍋爐的燃燒過程控制，使煙氣充分燃燒，才能減少煙氣中的余氣。采用西門子S7-300系列PLC對鍋爐溫度進行模糊自適應PID控制，可以智能控制工業(yè)鍋爐溫度，優(yōu)化工業(yè)鍋爐燃燒過程，更好地滿足節(jié)能減排需求，提高鍋爐自動化控制水平，從而促進我國工業(yè)鍋爐運行效率的提升。