鍋爐分布式控制系統設計中的PLC與模糊控制分析

薛 艷

（西安職業技術學院電子工程學院，陜西 西安710077）

目前，在智能控制技術中，模糊控制器是一項十分成熟的技術分項，由于和常規控制集成化運轉，所以，具備推理速度快，適應能力良好，系統穩定性與可靠性高，控制精確度突出等優勢，可以切實解決多種繁雜的問題，非常適合非專業技術人員進行操作，在操作的時候可以直接省略系統參數調節等過程，所以更加適用于工業生產操作，在轉化生產力與加快控制技術應用等方面發揮著不可替代的重要作用。而且在計算機技術、現代化控制技術不斷發展的影響下，基于PLC的控制系統，以其自身的獨特優勢，即穩定性與可靠性良好，容易擴展等，備受鍋爐控制系統青睞，在此領域實現了廣泛應用[1]。

1 PLC模糊控制算法與系統

1.1 模糊控制系統

PLC模糊控制系統基于輸入接口與輸出接口相銜接，中間位置主要是檢測裝置、被控對象與執行結構，模糊控制器則發揮著計算控制變量、模糊化處理等相關作用。模糊控制系統具體結構如圖1所示。

圖1 模糊控制系統結構圖

從圖1 可以看出，系統的核心主要是由模糊控制器所構成，只有確保模糊控制器性能良好，才能進一步帶動系統的優化運轉。就功能角度而言，模糊化接口、模糊推理機制、知識庫、去模糊化結構等共同組成模糊控制器。其中，模糊化接口的作用是將精確量轉變成模糊量。模糊推理是根據人的思維模式加以設計的。知識庫包括應用范圍的知識與要求控制目標。清晰化接口承擔的是把模糊量轉變成清晰量的任務，以此配合系統正常有序運轉。就獨立輸入變量與輸出變量個數為依據，把模糊控制系統劃分成單變量控制系統與多變量控制系統兩種[2]。

1.2 模糊控制系統算法

在模糊控制整個運算中，模糊化、清晰化、模糊推理構成了模糊控制算法。先把輸入量轉換成模糊控制需求量，將量值傳輸到系統需求范圍中，分系統再對其進行模糊處理，并表示成模糊集合，此運算過程就是所謂的模糊化運算。模糊控制器以自身所規劃目標為依據，在知識庫中，轉換技術，并對相關因子進行模糊劃分。模糊推理機制根據人的思維模式進行推理，依據模糊邏輯規則將規則庫的IF-THEN轉變成映射。經過推理之后，模糊量無法直接控制對象，需要先轉變成精確量，對執行器進行控制，此過程就是清晰化[3]。

2 以PLC和模糊控制為基礎的鍋爐分布式控制系統設計

2.1 硬件設計

采取大中型PLC 進行控制系統設計，但是由于大型系統成本較高，所以選用能夠滿足系統功能要求的S7-300PLC系統，其CPU具備一定的突出優勢，即價格適中、存儲空間較大，并且運算速度非常快，還具備兩個通道，有利于構建分布式系統，以實現與上位機之間的通信。由于現場實際狀況限制，選擇遠程I/O 單元構建分布式系統，利用接口模塊連接主機架與擴展機架。其中，上煤系統是獨立的，所以，選擇S7-200PLC 系統構建智能化子站體系，并利用EM277通信模塊與主站進行通信[4]。分布式網絡構架具體如圖2所示。

圖2 分布式系統網絡構架

2.2 軟件設計

鍋爐分布式控制系統軟件設計包括兩部分，即上位機PLC程序設計、上位機控制界面設計。在程序設計過程中，不僅要具備基于引風機、鼓風機、爐排機連鎖模式的順序啟停，上煤系統各設備基于連鎖模式的順序啟停，以及各模擬量采集功能，還需要實現兩大主要功能，其一，PLC可以就供熱負載與出水、回水溫差為依據，以模糊控制理論為載體，對引風機、鼓風機、爐排機的電機工作頻率進行自動化調整，從而實現系統模糊控制功能；其二，針對補水泵選用變頻控制，并利用PID控制器加以調整，確保循環泵入口位置管網的壓力保持平衡穩定的狀態，以實現系統平衡穩定控制功能[5]。

2.2.1 以模糊控制理論為載體的燃燒控制系統設計

鍋爐燃燒系統屬于典型的多變性與時變系統，經常會出現不能構建準確傳遞函數的現象，但是，模糊控制可以切實解決這一難題，所以，利用二輸入三輸出控制器。就模糊控制解耦特性，把多輸出控制器劃分為多項單輸出控制器，以此分層設計。模糊控制包含兩階段，即模糊化與解模糊，把所采集熱負載、出水與回水溫差作為觀測量，加以模糊化，依據偏差所在區間，進行規則表查詢，獲取各輸出模糊論領域，再與量化因子相乘，便可以獲得變頻器實際輸出量[6]。

1）模糊化

鍋爐分布式系統以熱負載、出水、回水溫差、溫差變化率為觀測量，而引風機、鼓風機、爐排機電機頻率為輸出量，按照模糊PID控制器的設計模式，基于軟件仿真、現場調試，進一步確定所輸出和輸入的隸屬度函數。其中，輸入方面，熱負載模糊論域為F，即NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，分別表征為偏差區間的負向大、中、小、零、正向大、中、小；出水和回水溫差模糊論域為T。而輸出方面，引風機頻率模糊論域為YF；鼓風機頻率模糊論域為GF；爐排機頻率模糊論域為LP。

2）模糊推理

二輸入三輸出模糊控制，其中輸入論域模糊子集為（F1……Fn；T1……Tn），輸出論域模糊子集 為（YF1……YFn；GF1……GFn；LP1……LPn；）。以引風機頻率為例，控制策略具體如表1所示。

表1 引風機模塊控制規則

3）解模糊

所謂解模糊其主要目的是把模糊推理出來的結果輸出，以此作為實際變頻器頻率進行輸入，利用最大化隸屬度方法。

2.2.2 循環泵入口位置的管網壓力平衡穩定控制

通過合理利用PLC 的D/A 轉換模塊與PID 控制算法，進一步實現循環泵入口位置的管網壓力閉環式嚴格控制，其中，PLC就管網的壓力標準值和實際壓力反饋值之間的差異為依據，對所需要的頻率值進行計算，并把所計算值直接輸入變頻器模擬量的輸入口，此時變頻器應據此適時改變運行頻率，對補水泵電機的轉速進行適度調節，以此促使循環泵入口位置管網壓力始終保持平衡穩定的狀態。上位機控制系統的界面上進行了設置PID 整定三項參數的界面設計，以便于進行調試[7]。系統壓力控制原理具體如圖3所示。

圖3 管網壓力控制模型圖

2.2.3 上位機控制系統界面設計

上位機控制系統界面設計軟件選用WinCC V7.0sp3，其具有一定的突出性優勢，首先，具備Windows Vista 風格的外觀運行界面，視覺效果良好并十分協調。其次，強化了報警與趨勢等相關控件功能，就趨勢而言，為其增添了數據導出按鈕，以便于把數據實時導出成CSV 格式的文件。再次，把SQL Server2005數據庫集成到軟件中，為用戶快速安裝與應用提供了很大的便利。最后，此設計軟件還可以和Windows防火墻之間有機配合使用，以此使得系統的安全性與穩定性得以顯著增強[8]。

控制系統設計思路是，三臺鍋爐分別設置相應的操作站，在監控室內部安設工程師站。在WinCC 組態的時候，操作員站組態成客戶機，而工程師站組態成服務器，這樣一來，就在很大程度上縮減了上位機和下位機PLC的通訊量，還有利于進一步實現系統擴展。

其一，先打開WinCC 項目，基于服務器構建多用戶類型項目，組態和畫面密切相聯的數據信息，并通過服務器進行客戶機注冊；其二，給客戶機分配相應的操作權限；其三，導出組態數據包。在WinCC 項目管理器內部，選擇服務器數據，并進行創建，再明確數據包屬性，然后生成.PCK 類型組態數據包文件；其四，在客戶機上進行用戶名與密碼輸入，打開服務器所構建的項目。

另外，在上位機控制系統界面設計過程中，還適當增添了報警與通信測試等相關功能，切實結合SQL Server2005進行了報表功能科學合理設計。

3 結 論

總之，基于S7-300PLC 系統的鍋爐分布式控制系統，合理利用了現場總線技術、變頻調速技術、計算機技術等等，以保證了鍋爐分布式控制系統的自動化水平以及高精確度。此系統具有其自身的獨特優勢，不僅選用分布式結構，利于系統后續擴展，而且穩定性和安全性較高，各控制子系統的劃分科學合理，利于維修養護，另外在燃燒系統控制中融合模糊控制理論，其控制的精確度與自動化水平較高，最重要的是上位機系統監控界面的操作十分簡捷便利。經實踐證明，基于PLC與模糊控制的鍋爐分布式系統投入使用后，其運行的穩定性、安全性、可靠性都非常好。