蒸汽鍋爐溫度智能控制系統

王凱

摘要：本文依據蒸汽鍋爐冷熱水出口溫度的控制要求，介紹了PID控制技術在蒸汽鍋爐溫度智能控制系統中的應用，給出PID控制的的實現過程。該系統具有精度高、穩定性好、安全高效、使用方便等特點。

關鍵詞：電動調節閥;PID控制;蒸汽鍋爐

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0022-02

0 引言

傳統的鍋爐電氣系統溫度控制方式普遍使用繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現邏輯控制，使控制系統的體積增大，耗電多，精度不夠、效率不高且易出現故障，不能保證正常的工業生產。隨著計算機控制技術的發展，傳統的繼電器控制技術必然被基于計算機科學的PLC控制技術所取代。而PLC本身的優異性能使基于PLC控制技術的溫度控制系統精度更高、穩定性更強、效率更高、更加節能且維護方便。這種溫度控制系統對改造傳統的繼電器控制系統有相當的現實意義。

1 蒸汽鍋爐溫度智能控制系統設計

在以PLC控制為核心，電動調節閥為基礎的蒸汽鍋爐溫度自動控制系統中，PLC將蒸汽鍋爐出口溫度設定值與溫度變送器反饋回來的溫度值之間的偏差經PID控制算法計算后，控制輸出電壓（1～5V）的大小，從而調節電動調節閥開度的大小，實現電動調節閥開度的無極控制，進而實現對進入蒸汽鍋爐本體內部蒸汽量的控制，以達到對蒸汽鍋爐熱水出口溫度實現自動控制的目的。蒸汽鍋爐溫度智能控制系統結構見圖1。

2 系統構成

工控機、可編程控制器（PLC）、傳感器、蒸汽控制閥等部分構成蒸汽鍋爐溫度智能控制系統。PID控制主要是利用PLC實現，利用傳感器對被控對象的出口實際溫度進行實時檢測，并將采集到的溫度值傳輸到輸入端與給定值進行比較，得到偏差值輸入到PID控制器。偏差值通過PID控制器算法計算后，輸出1～5V的電壓信號去驅動蒸汽控制閥，蒸汽控制閥根據輸入電壓的大小改變伺服閥組開度的大小，進而控制進入到蒸汽鍋爐內的蒸汽量，從而控制出口溫度在控制閥允許的誤差范圍內在設定值上下做細微波動，以保證熱水出口溫度基本恒定不變。

2.1 工控機

設計PID控制系統的核心是設計PID控制算法。首先利用工控機編制程序完成PID控制算法，然后將編輯好的程序經過編譯、下載到可編程控制器中。工控機通過Ethernet通信將控制量的設定值傳輸給PLC。

2.2 可編程控制器

干燥塔溫度智能控制系統使用可編程控制器作為系統的控制中樞。因為可編程控制器具有控制性能穩定、功能完善、可靠性高、抗干擾能力強、能耗低、系統維護方便、容易擴展升級改造、適用性強等特點。溫度采集模塊將采集到的實時溫度數據傳輸到可編程控制器中，可編程控制器根據事先編譯好的PID控制算法進行計算，得出對應的數字輸出值，再經過其內部的D/A數模轉換模塊將數字量轉化為模擬量（電壓值）以控制蒸汽控制閥。該智能控制系統使用西門子（中國）有限公司的S7-200型PLC。

2.3 傳感器

本智能控制系統主要使用溫度傳感器。溫度傳感器用來實時檢測智能控制系統的熱水出口溫度的變化。這些實際數據通過傳感器內部的A/D模塊轉變為數字信號后，傳輸給可編程控制器?？删幊炭刂破鲗⑵渑c系統給定的輸入數據進行比較，二者的差值送給PID控制器進行數學計算處理，可編程控制器的輸出量決定執行器蒸汽控制閥的動作。

2.4 電動調節閥

電動調節閥是工業自動化過程控制中的重要執行單元儀表。隨著工業領域的自動化程度越來越高，正被越來越多的應用在各種工業生產領域中。與傳統的氣動調節閥相比具有明顯的優點：電動調節閥節能（只在工作時才消耗電能），環保（無碳排放），安裝快捷方便（無需復雜的氣動管路和氣泵工作站）。閥門按其所配執行機構使用的動力，按其功能和特性分為線性特性，等百分比特性及拋物線特性三種。本智能控制系統使用線性的電動調節閥。

3 控制系統實現

由于實際計算機控制系統的采樣回路都可能存在高頻干擾，因此幾乎所有的數字控制回路都設置了一級低通濾波器（一階滯后環節或一階慣性環節）來限制高頻干擾的影響。

3.1 實際PID控制規律

U（k）=u2（k-1）+K1（1+）[D（k-1）+e（k）-e（k-1）]

3.2 PID控制規律各參數含義

U（k）——輸出（至調節閥）;

u2（k-1）——積分作用I上個掃描周期輸出;

K1——放大倍數;

T——采樣周期;

T1——實際積分時間;

T2——實際微分時間;

γ——微分放大系數;

D（k-1）——微分作用D上個掃描周期輸出;

e（k-1）——上個掃描周期偏差;

e（k）——當前掃描周期偏差。

3.3 實際PID控制算法的特點

實際PID數字控制算法的控制品質較好，其原因是微分作用能緩慢地持續多個采樣周期，使得一般的工業用執行機構，能夠比較好的跟蹤微分作用輸出。由于實際PID算式中含有一階慣性環節，具有數字濾波的能力，因此，抗干擾能力也較強。

4 結語

連續系統的設計已經形成了一套系統的、成熟的、實用的設計方法，并在控制領域為人們所熟知的掌握。因此，在設計計算機控制系統時，任然經常使用連續系統的設計方法，首先設計出連續系統的調節器D（s），再將D（s）所描述的連續調節規律，通過某種規則（即數字化方法）變為計算機能夠實現的數字調節規律D（z），這種方法稱為模擬化設計方法。本系統的數字PID控制算法正是利用上述方法求得的。不過，用計算機實現PID控制，不僅僅是簡單地把PID控制規律數字化，而是進一步與計算機的邏輯判斷功能結合起來，使PID控制更加靈活多樣，更能滿足生產過程提出的各式各樣的要求。

參考文獻

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Intelligent Control System for Steam Boiler Temperature

WANG Kai

（Yingkou Kaixiang Estate Exploitation Co.，Ltd.Yingkou Liaoning? 115113）

Abstract：The text has introduced PID application for Intelligent control system of steam boiler temperature， achieved process of PID control in terms of control requirements regarding cold or hot water outlet temperature of steam boiler. The system has the characters of high accuracy， stabilization， safety， high efficiency， convenience and so on.

Key words：electric regulating valve;PID control;steam boiler