工業(yè)鍋爐智能控制算法研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊凡 左琪 曾皓

1. 中國科學(xué)院成都計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所 四川 成都 610041；

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

引言

隨著電氣自動化、計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)鍋爐自動化控制水平不斷提升，但工業(yè)鍋爐運(yùn)行過程復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境要求很高，需要合理控制鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，以確保工業(yè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)正常，如出水溫度是一個非常重要的鍋爐運(yùn)行安全指標(biāo)，必須嚴(yán)格控制。然而，由于負(fù)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(yùn)行，應(yīng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)時調(diào)整鍋爐內(nèi)的出水溫度。在傳統(tǒng)的控制方案中，控制器無法實(shí)時適應(yīng)工業(yè)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的頻繁變化，導(dǎo)致建立精確模型存在困難，往往不能滿足實(shí)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(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，基于模糊PID控制算法實(shí)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(yùn)行過程，在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛，大到大型工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)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(xué)模型，只需根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)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(yīng)的控制信號。

1.2 模糊自適應(yīng)PID算法介紹

模糊自適應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)模型沒有明確的定義。因此，在表達(dá)和描述輸入輸出時需使用正、負(fù)、大、小等比較模糊的術(shù)語。

圖2 工業(yè)鍋爐出水溫度模糊PlD控制器基本結(jié)構(gòu)

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(yīng)速度，降低超調(diào)量中等較大，較小，適中 降低系統(tǒng)超調(diào)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(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的PLC不僅接受變送器上傳的數(shù)據(jù)，還以模數(shù)轉(zhuǎn)換為中心，將其發(fā)送給控制單元進(jìn)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(zhuǎn)換，并將其發(fā)送到變頻器。系統(tǒng)變送器的主要功能是調(diào)整引風(fēng)機(jī)、電機(jī)的運(yùn)行。變速器的作用是充當(dāng)PLC與鍋爐中各種部件之間的橋梁[3]。鍋爐系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分為上位機(jī)管理層、PLC控制層、變頻器、變速器調(diào)節(jié)層、底層設(shè)備層。

鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)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(fù)雜、耦合度高的非線性系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)時要重點(diǎn)解決控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度問題，而PLC的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、接線方便、維護(hù)方便、可靠性高、故障率低、編程語言易學(xué)、邏輯強(qiáng)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(yīng)速度的要求，本次設(shè)計(jì)采用西門子S7-200系列PLC。該型PLC產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性、高可靠性、相對較低的成本和較高的運(yùn)行速度，在工控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。S7-200的CPU為RS485，而PC機(jī)的COM端口為RS232，二者不兼容，因此需用中間電路進(jìn)行匹配，即RS485/RS232匹配線。S7-200 CPU上默認(rèn)通訊口為PPI從機(jī)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(xiàng)卡上設(shè)置，再下載系統(tǒng)塊到CPU中使設(shè)置生效。該型PLC具有集成度高、響應(yīng)速度快、實(shí)時性好、通訊效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行整體模塊化設(shè)計(jì)。

變頻器選型。電動機(jī)分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，直流電機(jī)的調(diào)速性能好而交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單且應(yīng)用更為廣泛，在鍋爐系統(tǒng)中交流電機(jī)大量應(yīng)用，因此對交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速就是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。在對交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時，目前廣泛采用變頻器作為電力控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)速[4]。變頻器（VFD）利用電力電子技術(shù)將電壓和頻率一定的工頻交流電變成電壓和頻率可以調(diào)整的交流電。根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)主要可靠性性高、耗電量低，能夠有效降低設(shè)備成本，用戶能夠自主獨(dú)立對其進(jìn)行編程設(shè)計(jì)并且運(yùn)行維護(hù)簡單，設(shè)計(jì)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(yùn)行參數(shù)進(jìn)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(jì)、水位傳感器、聲光報(bào)警器等。傳感器作為工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中各種運(yùn)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(zhuǎn)換為其他信號輸出至變頻器，變頻器再將信號轉(zhuǎn)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(nèi)的其他組件良好兼容，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)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(yùn)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(shè)計(jì)

3.1 主程序及啟停程序設(shè)計(jì)

根據(jù)上文介紹的模糊PID控制算法原理及基本流程設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)的主要程序，基于PLC實(shí)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(yīng)的五個子程序，主程序調(diào)用五個子程序，實(shí)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(jī)遠(yuǎn)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(jié)束語

綜上所述，我國工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)中廣泛使用二次能源燃?xì)庾鳛楣I(yè)鍋爐燃料，但需要進(jìn)一步提高工業(yè)鍋爐的熱效率，只有不斷改進(jìn)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(jìn)行模糊自適應(yīng)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(jìn)我國工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率的提升。