基于PID算法的工業爐自動化控制與遠程監管系統

同劍飛

(西安外事學院,陜西 西安 710077)

作為壓力容器，工業爐是一種涉及生命財產安全的高危特種設備。工業爐自動化控制系統與其生產運行息息相關，所以系統必須具備較高容錯能力與可靠性。而有效提升系統可靠性的關鍵在于冗余容錯技術，怎樣將此技術引進工業爐控制系統，并防止癱瘓與崩潰，以提高鍋爐運行操作可靠性值得深入探究[1]。

隨著網絡技術迅速更新發展，其逐漸可實現物物、人物之間的信息鏈接、處理、實踐應用。而工業爐自動化控制系統實時數據傳輸能力與遠程監管效率較差問題的解決路徑主要體現于網絡技術。工業爐控制系統可獲取實時運行與生產安全等數據，基于網絡技術可迅速及時通過各種不同形式傳輸數據于服務器，促使獨立部分之間實現數據共享[2]。于傳統工業爐控制領域中引進網絡技術，構建工業爐管理系統，以實現生產與管理密切關聯，可集成工業爐高效、安全、節能、環保一體化，從而實現工業爐生產運行與能耗全過程監督管理。

1 工業爐自動化控制與遠程監管系統設計

1.1 系統整體設計

工業爐自動化控制與遠程監管系統通過實時監測某爐房A、B工業爐與除氧器全部熱工參量，嚴格控制水位、爐膛與負壓[3]。工業爐鼓風機、引風機、爐排、給煤機、除氧器部分給水泵、出水泵基于變頻器加以控制，而給水、減溫水、除氧水位則基于調節閥進行調控。

系統參數具體如表1所示。

表1 系統主要參數

工業爐自動化控制與遠程監管系統[4]具體如圖1所示，主要劃分為管理級、操作級、控制級，其中管理級服務器的主要作用是儲存與發布系統關鍵數據信息，廠長客戶機以瀏覽器可實時查詢瀏覽工業爐運行狀況；操作級負責監控與操作工業爐現場；控制級控制站基于PLC構成，作用是控制工業爐與除氧器。

圖1 系統結構示意圖

1.2 上位機監控服務器

上位機監控服務器基于WinCC組態軟件平臺構建，以軟件多元化功能、實時性與開放性較好、其他設備通信便捷等優勢，得以在工業過程控制與遠程監管系統廣泛應用[5]。

1.2.1 系統功能設計

上位機監控服務器主要包含流程圖、數據表、總操作窗、系統管理四項功能。工業爐流程圖動態化呈現工業爐具體運行狀態、實時數據、水位曲線；除氧器流程圖則主要展示自身運行狀況、實時數據、水位柱圖。工業爐局部數據表呈現工業爐運行全部參數與水流量、蒸汽流量、減溫水流量的累計量；公共部分數據表則展示除氧器運行全部參數與給煤量累計量；變頻器數據表體現全部變頻器運行數據、運行時間與耗電量累計量。總操作窗呈現工業爐與除氧器測點，控制閥與變頻器操作窗、實時曲線窗口，曲線窗口可添加總操作窗中任何測點，以便于操作人員進行實時分析。系統管理包含測點量綱設置、報警連鎖設置、控制參數設置、清零與復位窗口、退出系統等多項功能，可設置并維護工人，可確保工業爐安全穩定運行。

1.2.2 參數設置功能設計

針對系統管理各項功能，在工業爐投入運行之前，需要針對其相關參數加以科學設置，從而保障工業爐運行可靠性[6]。

1.2.3 冗余服務器設置功能設計

工業爐自動化控制與遠程監管系統服務器在與PLC直接通信時，實時采集數據、設定關鍵參數、下達控制指令，而與客戶機實時通訊時，則可在線控制、參數設置、數據顯示。若服務器出現故障，控制級不能運行時，便會造成整個工業爐生產過程崩潰。為此，需適度增加生產過程可靠性，于控制級內增添冗余服務器。

1.3 下位機PLC

基于工程分析，工業爐需分別配置29個AI、1個DI監測點與6個AO、3個DO控制點，除氧器則需配置11個AI、3個DI監測點與2個AO、2個DO控制點。監測點與控制點過多，在對比粉筆之后，系統設計以PLC為載體，通過Step7軟件編程。

1.3.1 硬件配置

PLC屬于模塊化設計，包含導軌與多模塊(CPU、輸入/輸出、通信、電源)。選擇PLC型號后，需就控制需求配置相適應的CPU、AI/AO、DI/DO。A爐與B爐硬件配置相同，同時還配置了PLC與PLC、變頻器間的網絡，以促使彼此實時通信[7]。

1.3.2 程序設計

復雜工業爐生產過程或者大規模分散被控對象，總能將其分解成若干子過程，此理念也可用于此次系統程序設計，將系統劃分為若干主站，各主站可由CPU程序組成，而CPU程序則是由多個邏輯塊與數據塊構成，邏輯塊的功能塊分別對應控制子過程。此模塊化理念在程序設計環節，有利于進行結構化程序編寫，以此可簡潔明了應用程序，還可實時測試與維護程序。

系統PLC以結構化編程，程序模塊由三部分構成，即組織塊OB、功能塊FB/FC、數據塊DB。通過結構化編程劃分控制任務為多獨立，可重復調取，且獨具個體功能的子控制任務，同時編寫于程序塊內[8]。

基于A爐控制程序進行局部程序塊功能分配。OB1為主循環程序，可調取子程序；OB35為中斷程序，可調取控制回路與累計量計算子程序；FC2為信號采樣程序，可轉換修正信號；FC3報警連鎖程序，可確保工業爐運行安全性與可靠性；FC4為累計量計算程序，可計算流量與時間；FC5為變頻控制程序，可調取變頻控制子程序；FC7為變頻信號采樣程序，可修正轉換變頻信號；FC11-18為采樣子程序；FC21-25為控制算法子程序；FC31-36為控制回路程序；FC41-44為變頻控制子程序。

主循環程序流程具體如圖2所示。

圖2 主循環程序流程示意圖

中斷程度流程具體如圖3所示。

圖3 中斷程序流程示意圖

1.3.3 控制回路

工業爐自動化控制與遠程監管系統由水位控制回路、減溫水控制回路、鼓風控制回路、負壓控制回路、爐排控制回路、給煤控制回路構成。其中，水位控制回路，汽包水位與蒸汽流量、給水流量息息相關，并且水位控制具有一定滯后性，水位自動控制以三沖量加以控制[9]。被控主信號實際上是水位差壓變送器輸出信號，而前饋信號則基于蒸汽流量和給水流量之間的動態性持衡得以實現；負壓控制回路，嚴格控制工業爐燃燒系統運行處于微負壓狀態時，可確保生產安全性與穩定性，還可實現節能環保。而科學合理控制引風，能夠進一步實現工業爐負壓控制，技術關鍵是有效解決引風和送風之間的高強度耦合，對此應以送風控制指令當作回路前饋，也就是在調整送風的時候，在爐膛負壓尚未變化時，便直接進行引風量調整。

1.3.4 控制算法

給定值：定義給定值為線性方程，則

SV=EI+F

(1)

式中：E為給定系數，可就實際需求明確，在給定值為恒定值F時，可以設定E為0；I為給定參數通道號，在E為0時，X值將無法發揮作用；F為隨動方式下為偏置值，可就實際需求設置。

測量值：定義測量值為線性方程，則

PV=EI+F

(2)

式中：E為測量系數，可就實際需求明確，與分流器、乘除器作用相類似；I為被控參數通道號；F為偏置值，可就實際需要設定。

前饋量：各控制回路最多可以設定兩個前饋量，其中G1為線性前饋；G2為增量前饋，則

G1=EI+FJ+K

(3)

式中：E、F為參數通道號；K為偏置值；E、F為前饋系數，需就實際作用明確數值與正負。

PID運算：PID控制器實際上就是以過去、現在、未來之間的偏差信息為基礎，加以分析與處理的算法結構，離散化方程則表示為

ΔUm=KpΔem+K1em+Ka(Δem-Δem-1)

(4)

單回路PID控制系統結構[10]具體如圖4所示。

圖4 單回路PID控制系統結構

正反作用：若D/A輸出信號有所增加，被控測量值也隨之增加，則表現為正作用，ACT為1；若D/A輸出信號有所增加，而被控測量值卻明顯減少，則呈現為反作用，ACT為-1。

平滑系數：負責去除測量值干擾，將控制回路當作周期采集測量值，則：

SV=SVN-1×L+SVN×(1-L)

(5)

式中：L取值為[0，1)，若未出現波動則取0，波動越大則取值相對越大。

輸出高限與低限：控制機構可實時調整范圍上下限值。由控制理論要求來講，需嚴格計算獲取控制輸出值，傳輸于控制機構，才可獲得有效控制效果。若輸出值受限于范圍、步長、死區，那么勢必會對控制效果造成直接性影響。所以在工藝允許范圍內，高限應盡量大，而低限應盡量小，以此擴大可控范圍。

輸出死區：在死區中，D/A盡管可輸出，但是執行機構不動作，其并非由控制機構間隙與不靈敏等導致的固有死區，而是基于控制或者工藝所需人為設置死區。所以輸出死區應在固有死區與輸出步長之間進行合理選擇。

輸出步長：各控制周期之內最大輸出增量，也就是每次允許執行結構最大變化范圍。輸出步長雖然不受限制，具有無窮性，但是閥位變化盡量有所控制，以滿足操作平穩要求，并保護幅值過大的干擾信號。輸出步長應就現場實際情況全面兼顧，在工藝允許條件下，盡量大，以利于控制。

偏差死區：評估回路是否執行控制運算最小偏差值。在偏差值DB<|PV-SV|的情況下，計算機加以控制，相反不響應，但是盡管DB<|PV-SV|，通過控制運算結果如ΔV

2 系統實現與應用

工業爐自動化控制與遠程監管系統以B/S結構為載體，集成了客戶端，核心系統功能附于服務器，使得系統開發更為便捷容易，便于系統維護與用戶使用。客戶機則安裝瀏覽器即可，于服務器中安裝SQL Server數據庫。Web Server可實現瀏覽器與數據庫間數據實時交互，而B/S最為突出的優勢在于不需要安裝軟件，于任何可聯網狀態的計算機或設備中均可開展操作。而客戶端不需要進行特殊安裝，不需要定期維護，具備較強可擴展性。

基于B/S架構，系統以ASP.NET為開發語言，以Microsoft的Visual Studio為開發環境。只需處于聯網狀態，隨時隨地均可通過瀏覽器進入系統網站，輸入正確用戶名與密碼便可成功登錄系統，系統登錄界面具體如圖5所示。

圖5 登錄界面示意圖

3 結 論

綜上所述，本文以PID控制算法為基礎設計了工業爐自動化控制與遠程監管系統，并基于某工業爐系統改造項目進行了實際分析，發現系統運行穩定性、安全性、可靠性良好，且使用便捷，其中冗余服務器熱備可防止服務器故障造成的系統崩潰；可實現工業爐自動化控制，且可靠性較高，各控制回路可自動控制，在確保工業爐正常運行的基礎上，有效減少了工人手動操作，使得工作效率與鍋爐安全性得以提升；可實現工業爐遠程監管，提升了整體運行管理水平，管理人員可基于系統實時監測工業爐運行狀況，還可進行能效分析與績效統計，有利于遠程指導與適度調整。