鍋爐液位PID控制系統的設計思路與實現

孫曉晴

（山西省農業科學院畜牧獸醫研究所，山西太原　030032）

鍋爐液位PID控制系統的設計思路與實現

孫曉晴

（山西省農業科學院畜牧獸醫研究所，山西太原030032）

要想基于理論的指導，準確設計PID調節器，必須針對被控對象構建一個準確模型，對于工業生產而言，這具有非常大的難度系數，加之系統控制參數與結構均不是恒定的，會隨著時間的改變而變化。因此，構建所得模型只能被稱為近似模型，以近似模型為基礎，對控制機進行最優設計，也無法確保其在實際應用中可以實現最優。所以，工程實際應用中，普遍擇取工程整定法對PID參數進行有效明確。論文以過程控制平臺對鍋爐液位控制系統進行在線監控，并利用現場湊試法明確PID參數，不僅闡述了鍋爐液位控制系統的具體設計方案以及關鍵技術，還促使控制系統更具精準性，具有良好的參考價值。

鍋爐液位；PID控制系統；設計思路

0　引言

在工業生產過程中，鍋爐作為一種動力設備，具有不可或缺性。鍋爐的應用不僅可以促使燃料內部所包含的化學能向熱能轉換，還可以利用相關設備，將熱能轉化為某種能量形式，從而滿足實際生活與生產活動的需求。隨著我國工業化建設進程地不斷發展，工業生產規模越來越大，生產過程日趨強化，生產設備更是不斷創新與發展，鍋爐特性也逐漸發展為高效率、高參數以及大容量。鍋爐含有多個調節系統，其中作為主要的便是液位控制系統，其實確保鍋爐正常運作的基礎條件，是其良好安全性的根本保證。因此，對鍋爐液位PID控制系統的設計進行研究具有一定的必要性以及重要性。

1　實驗平臺的重要組分

該系統擇取的控制實驗裝置型號為SAC/JGK/II，主要實驗對象為熱水鍋爐，配套裝置有調節裝置、執行機構、檢測儀表、循環水泵、液位水槽以及高位水箱等。

2　控制系統環節

控制系統共有兩個環節，分別為控制環節、執行環節。首先，在控制環節方面，該系統處理器是型號為MICROLOGIX1500、具有編程能效的控制器，主要構成模塊有3個，分別為編程設備電源模塊、輸入輸出模塊以及CPU模塊。其具體作業流程如圖1所示。其次，在執行環節方面，該系統在執行機構由傳統電動調節閥轉變為POWERFLEX40變頻器，這在很大程度上提高了執行機構的先進性，不僅可以對水箱流量進行合理有效地調節，還可以提升控制系統的精準性。

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

3　液位控制系統的具體設計

我國某工業企業利用現場湊試法明確了鍋爐液位的PID參數，在很大程度上提高了PID控制系統的精準性，具有良好的參考價值。本文以該企業為例，闡述了鍋爐液位控制系統的具體設計方案以及關鍵技術。

3.1單容單閉環控制

利用調節器促使調節對象的控制參數呈現為恒定狀態的工作系統便是單回路調節系統，調節器在此系統內部可以有效接收的測量信號數量為1，因此，在輸出過程中，所能有效控制的執行機構數量也是1。基于單容的大環境，單閉環控制系統以下水箱液位為主要控制對象，具體作業流程如圖2所示。

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

該工業企業的這種設計的主要目的是利用單閉環控制系統，促使下水箱液位保持給定值不變，從而有效降低系統外部、內部所帶來的干擾。具體結構如圖3所示。

圖3　下水箱單容控制結構Fig.3 single capacity control structure of the tank

控制系統主要負責確保下水箱液位與設定值規定的標高一致。PLC會對比液位變送器2傳遞的液位標高值與設定標高值，然后利用PID對其進行合理運算，繼而將電流控制信號傳輸給電動調節閥，由此來對閥門開度進行有效控制，管控水管流量，進而對下水箱液位標高進行有效控制。該系統處理器為MICROLOGIX1500控制器，因此，設計程序共有4個組分，分別為PID控制輸出、控制算法以及監控組態的軟件通訊、系統起停控制。

3.2串接雙容單閉環控制

基于串接雙容的大環境，下水箱單閉環控制系統屬于單回路控制，水箱數量有2個，且呈現為串聯狀態，具體如圖4所示。該控制系統的主要任務是確保下水箱液位標高與給定值預期標高相同，兩個串聯水箱之間存在一個閥門，通過其可以對水流量進行有效控制。閥門處于閉合狀態時，兩個水箱無法實現水流互通，此時控制系統僅可以控制一個水箱的水流量；閥門處于打開狀態時，兩個水箱可以實現水流互通，此時影響水流互通速率的因素有兩個，分別為上水箱液位標高、閥門開合程度。系統入水量完全取決于上水箱，出水量則取決于下水箱。系統在運作過程中，會存在積分環節，加之水箱處于串聯狀態，系統水容量極易出現滯后現象。該工業企業在設計過程中，電動調節閥開度是58%，上水箱入水閥門處于打開狀態，液位為40%，出水閥門處于閉合狀態；下水箱入水閥門處于閉合狀態，液位是32%，出水閥門處于打開狀態。經過多次調試，最終所得水箱主調節器PID的控制參數如下：K=7，而副調節器的控制參數為K=11。

圖4　水箱雙通單閉環控制結構Fig.4 the structure of the double pass single closed loop control structure of the tank

3.3雙容串級控制

相較于單回路設計方案而言，串級控制系統的優勢十分鮮明，其可以有效消除容量滯后給控制質量造成不良影響。在結構方面，該系統具有兩個閉環，分別為副回路閉環、主回路閉環，一個控制器已經無法滿足系統的運作需求，因此，該系統擇取兩個控制器，并對他們進行串級處理，即以主控制器輸出系統充當副控制器控制系統。雖然相較于單回路系統，串級系統只是增加了一個調節器與測量變送器，但其控制效果卻取得了較大幅度的提升。

（1）電氣接線與串級結構。在雙容條件下，下水箱液位標高主要取決于上水箱液位標高與閥門開合程度，因此，該系統擇取下水箱液位標高充當設計主參數，上水箱液位標高充當設計副參數。該系統在運作過程中，由液位變送器2對下水箱液位標高信號進行采集與傳輸，主調節器接收信號后，會對比設計標高值與接收信號標高值，對比完成后，由PID進行合理計算，繼而將結果數據傳輸給副調節器，副調節器成功接收后會將其作為系統設定標高值，并與液位變送器1傳輸的上水箱液位標高值進行對比，再由PID進行合理計算，繼而將結果數據傳輸給POWERFLEX40變頻器，該變頻器會參考信號數據，對閥門的開合程度進行合理調控，從而管控水箱水流量，實現液位控制。

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調節閥，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，實現電氣接線。

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）設計程序。綜上所述，在雙容環境下，串級控制系統主要有四個程序，分別為PID控制輸出、控制算法以及監控組態的軟件通訊、系統起停控制。對比單容環境下的單閉環系統，監控組態的軟件通訊、系統起停控制與控制輸出并沒有太大區別。區別較大的是PID控制算法，該工業企業所采用的PID控制算法如下：

而串級控制系統所具備的調節器有兩個，故程序運行過程中，需要接收兩條執行信號，該系統的主調節器為PD8:1，副調節器為PD8:2，經由MOV將主調節器的信號傳遞給PD8:2.SPS，副調節器成功接收后，會將其充當系統設定值。此時控制系統會結合模糊推理，基于POID控制條件，利用修正量整定控制參數，從而促使系統具具穩態性及動態性。模糊PID系統原理如圖6所示。

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

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

具體控制算法為：

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

3.4溫度單閉環控制

對于工業控制而言，溫控系統是主要控制對象。溫控系統具有參數不穩定、純滯后以及慣性較大的特點，很難對其進行有效控制。該系統擇取單閉環方案控制下水箱溫度。該系統主要負責保證下水箱溫度與設定值相符。在系統運作過程中，溫度變送器會對水箱溫度進行信號采集作業，并利用模數對采集信號進行有效轉換，使其呈現出數字。繼而利用相關程序計算，并促使結果數據呈現為PLC脈沖信號，對固態繼電器的作業狀態進行管控，從而控制水箱溫度。

4　結束語

本文以過程控制平臺對鍋爐液位控制系統進行在線監控，并利用現場湊試法明確PID參數，不僅闡述了鍋爐液位控制系統的具體設計方案以及關鍵技術，還還促使控制系統更具精準性，具有良好的參考價值。

［1］王鵬，鄭博聞，秦付軍，等.電鍋爐智能控制系統及其FPGA實現［J］.中國農機化學報，2014，5.

［2］張立眾，馬永翔.鍋爐液位控制系統的監控與PID參數整定［J］.機床與液壓，2011，24.

［3］竇艷艷，錢蕾，馮金龍.基于Matlab的模糊PID控制系統設計及仿真［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：鍋爐設計。