龔 斌， 孟傳民

（1.上海長江儀器設(shè)備成套廠，上海200080；2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司工程公司，上海201100）

計算機(jī)仿真是借助高速、大存儲量數(shù)字計算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，對復(fù)雜真實系統(tǒng)的運行過程或狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化模擬，在工科院校自動化專業(yè)，利用計算機(jī)仿真技術(shù)對工業(yè)鍋爐的控制過程進(jìn)行仿真，既可以讓操作者有直觀認(rèn)識，又可以降低控制系統(tǒng)的研制成本，提高實驗、調(diào)試及訓(xùn)練過程中的安全性［1］。工業(yè)鍋爐的控制系統(tǒng)，是一個在線的實時過程控制系統(tǒng)，能對鍋爐的給水、引風(fēng)、送風(fēng)、爐排、汽壓、氧量、汽溫、減溫減壓、除氧器水位、除氧壓力等進(jìn)行自動控制，它被廣泛應(yīng)用于電力、供熱、工廠蒸汽生產(chǎn)等領(lǐng)域。在工科院校自動化專業(yè)以及一些職業(yè)培訓(xùn)學(xué)校為了給學(xué)生有個直觀的了解控制過程和原理，需要進(jìn)行實際的操作，整套系統(tǒng)如果用實際鍋爐，一方面體積膨大，投入大；另一方面受訓(xùn)者如果操作不當(dāng)會帶來危險。我廠為原上海第二工業(yè)大學(xué)電子電氣工程系設(shè)計制作一套利用計算機(jī)仿真鍋爐控制系統(tǒng)，很好的解決了操作實踐中存在的問題，能更好的以低成本為受訓(xùn)者提供實訓(xùn)的機(jī)會。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

以鏈條式鍋爐為仿真對象，由工業(yè)控制計算機(jī)（Industrial Personal Computer，IPC）、接口板和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成鍋爐自動控制計算機(jī)仿真硬件系統(tǒng)，并運用計算機(jī)控制技術(shù)以及組態(tài)王軟件編程［2］，實現(xiàn)了以工業(yè)鍋爐為被控對象的計算機(jī)仿真。主控和被控計算機(jī)畫面圖見圖2和圖3。

圖2 主控計算機(jī)

1 鍋爐仿真控制系統(tǒng)組成

計算機(jī)控制系統(tǒng)通常由控制計算機(jī)和被控對控制，由于控制量是控制系統(tǒng)的輸出，被控量的變動著的值又反饋到控制系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的給定值相減，構(gòu)成了閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)［3］。根據(jù)此原理，設(shè)計出計算機(jī)仿真鍋爐控制系統(tǒng)的基本框圖（見圖4）。

圖3 被控計算機(jī)

圖4 控制系統(tǒng)基本框圖

本系統(tǒng)由主控計算機(jī)、被控計算機(jī)（仿真鍋爐測量與變送元件）及接口板即模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換（Analog to Digital，A／D）板 、數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換（Digital to Analog Converter，D／A 轉(zhuǎn)換）板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手動操作部分組成。主控計算機(jī)是系統(tǒng)的核心，對鍋爐的信號按工藝要求進(jìn)行控制；被控計算機(jī)用于模擬實際的工業(yè)鍋爐產(chǎn)生的液位、流量、壓力和溫度等物理量的信號；手動操作部分是對被控對象進(jìn)行手動操作，由于受條件的限制，本系統(tǒng)的手動操作部分只是對模擬的爐排轉(zhuǎn)速、進(jìn)水流量、進(jìn)風(fēng)檔板等進(jìn)行操作，并對系統(tǒng)內(nèi)的溫度、液位等進(jìn)行顯示和超限報警［4］。

系統(tǒng)為直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）系統(tǒng)［5］（見圖4）。系統(tǒng)中，計算機(jī)首先通過測量單元實時采集數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行計算，最后發(fā)出控制信息，并通過計算機(jī)輸出通道直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在DDC控制系統(tǒng)中，微機(jī)不僅完全取代了模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）調(diào)節(jié)，不需要改變硬件，只通過改變程序就能有效地實現(xiàn)較復(fù)雜的控制。DDC系統(tǒng)屬于計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用方式。

2 算法的確定

2.1 鍋爐運行過程控制信號分析

鍋爐自動控制系統(tǒng)主要由汽壓控制、水位控制和爐壓控制3個回路組成。從汽壓控制回路分析，煤量增加可以使?fàn)t膛溫度升高，使蒸氣產(chǎn)量增加，從而使蒸汽壓力提高，調(diào)節(jié)煤量，可起到控制汽壓的作用；同樣，適當(dāng)調(diào)節(jié)送風(fēng)與引風(fēng)，可使?fàn)t膛保持在負(fù)壓狀態(tài)；而對水位控制回路，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，可控制水位。

2.2 鍋爐仿真算法

由于是對實際被控對象的仿真，在此根據(jù)鍋爐工作過程的特性，對系統(tǒng)作了一些簡化，并假定煤量對應(yīng)爐膛溫度、爐膛溫度對應(yīng)產(chǎn)生的蒸汽增量、蒸汽的增量對應(yīng)蒸汽壓力、蒸汽體積增量對應(yīng)汽包水位、爐膛風(fēng)量增量對應(yīng)爐膛負(fù)壓等環(huán)節(jié)為一階環(huán)節(jié)，即：

式中，Yk為蒸汽產(chǎn)出量；Xk為煤的加入量；Yk－1為前一次的蒸汽產(chǎn)出量；α值在0～1之間選擇。α取值大，則Yk上升速率快，反之則慢，具體根據(jù)實驗確定。

2.3 控制算法

2.3.1 比例積分調(diào)節(jié)

比例積分調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為

式中，K為比例系數(shù)；e為偏差；Ti為積分時間；U0為初值。PI調(diào)節(jié)器對于偏差的階躍響應(yīng)除按比例變化的成分外，還帶有累積的成分。只要偏差e不為零，它將通過積分作用影響控制量U，并減小偏差直至偏差為零，控制作用不再變化，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)；因此，積分環(huán)節(jié)的加入將有助于消除系統(tǒng)靜差，增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性［6］。

2.3.2 數(shù)字PI控制算法

由于計算機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，故采用數(shù)值計算的逼近方法。而PI的數(shù)字控制算法為

此算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置Ui，所以稱其為位置式PI控制算法［7］。只要采樣周期T取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，能使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

鏈條式鍋爐的運行是連續(xù)式的，因而微機(jī)控制系統(tǒng)必定是一個實時控制系統(tǒng)。此仿真控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖5所示。

圖5 硬件構(gòu)成圖

3.1 微機(jī)和控制柜

主控和被控微機(jī)均采用PC工控機(jī)，控制柜采用KTX系列的斜型操縱臺。

3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用DFD－1000（DDZ－Ⅲ型）電動操作器和FC－Ⅲ型伺服放大器。

3.2.1 DFD－1000型電動操作器功能及特性

應(yīng)用DFD－1000型電動操作器可實現(xiàn)。

（1）自動系統(tǒng)由“自動→手動”或“手動→自動”工作狀況的無擾動切換，即工作狀況由“手動”切到“自動”，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在原有手動操作位置上進(jìn)行調(diào)節(jié)；工作狀況由“自動”切到“手動”，手動操作時執(zhí)行機(jī)構(gòu)在自動調(diào)節(jié)時的原有位置上進(jìn)行操作。

（2）配有69C電流表，可以指示閥位電流，其主要特性為：① 電源電壓。220V，50HZ。② 開關(guān)觸頭額定容量。主回路500V，15A；信號回路110V，2A。③ 跟蹤電壓。1～5V，DC。

3.2.2 FC－Ⅲ型伺服放大器

（3）此元件是電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配套輔件，其主要特性有：① 輸入信號。4～20mA，DC。② 輸入電阻。250Ω。③ 死區(qū)可調(diào)節(jié)范圍。1%～3%。④ 額定負(fù)載電流。5A（交流有效值）。⑤ 工作電源。220V，50HZ。

3.3 XMT－1100型智能數(shù)顯表

3.3.1 儀表工作原理

儀表由模擬、數(shù)字電路組成和鍵盤操作顯示電路。其中，模擬電路由采樣單元、信號轉(zhuǎn)換單元、A／D轉(zhuǎn)換單元以及相應(yīng)控制電路組成。數(shù)字電路由專用CPU及各種接口電路組成。鍵盤操作顯示電路由鍵盤、數(shù)碼管、發(fā)光二極管組成。輸入信號通過掃描，以每點0.5s速度進(jìn)行采集，根據(jù)采集信號放大以后，由積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過一系列數(shù)字運算處理后，然后將結(jié)果送顯示單元，繼電器輸出或聲光報警。

3.3.2 主要特點

（1）多量程輸入

可任意選用20種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的熱電偶、熱電阻或直流信號作為儀表的測量輸入規(guī)格，通用性極強(qiáng)。

（2）刻度變換功能

可將直流電壓、電流值，經(jīng)數(shù)學(xué)運算處理，按規(guī)定刻度（標(biāo)度）轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的實際物理量。

（3）多種報警功能

儀表配置2個報警點，報警方式分為上限或下限可供選擇。

（4）記憶功能

應(yīng)用E2PROM技術(shù)，設(shè)定數(shù)據(jù)可保存。

3.3.3 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）儀表基本誤差限±0.5%。

（2）輸入信號

熱電偶型：K，E，S，B，J，T，EA，N；

直流電壓：0～20mV，0～100mV，0～500mV，0～5V，1～5V；

直流電流：0～10mA，0～20mA，4～20mA；

熱電阻型：Pt100，Cu100，Cu50。

（3）輸出信號：儀表可附加模擬量輸出（0～10mA，4～20mA，0～5V，1～5V）。

（4）信號線聯(lián)接：熱電阻三線制接法，熱電偶以及電壓信號、電流信號二線聯(lián)接。

（5）顯示方式：顯示部分4位LED顯示。

（6）顯示內(nèi)容：顯示被測值帶小數(shù)點。

（7）輸入電阻：DC 0～10mA，100Ω；

DC 4～20mA，100Ω。

（8）報警方式：上限、下限任選。

（9）報警輸出：繼電器觸點輸出（負(fù)載容量AC220，1A）。

3.4 接口板

采用ADVANTECH 公司PC－LabCard系列產(chǎn)品。其中D／A為PCL－727，A／D為PCL－818L。

3.4.1 PCL－727D／A 輸出板

PCL－727提供12路模擬信號輸出通道，每一通道可以根據(jù)輸出信號的范圍單獨配置，對于工作在惡劣環(huán)境下，具有多路模擬電壓或電流的輸出通道的工業(yè)應(yīng)用，PCL－727無疑是一個較理想和經(jīng)濟(jì)的解決途徑。其主要特性如下。

（1）12路D／A輸出通道；

（2）12位D／A轉(zhuǎn)換精度；

（3）多重輸出范圍：0～10V，0～5V，±5V，4～20mA；

（4）線性度：±1LSB；

（5）16路數(shù)字輸出和16路輸入通道（TTL）。

3.4.2 PCL－818LA／D 輸出板

PCL－818L是一塊具有高性能的多功能數(shù)據(jù)采集卡，能與各類計算機(jī)和工控機(jī)相兼容。它提供5種測量和控制功能，即12位A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換，數(shù)字輸入／輸出以及定時器／計數(shù)器。其基本特性如下。

（1）16路并端或8路差分方式模擬輸入；

（2）12位 A／D轉(zhuǎn)換，最大至40KHz的采樣率；

（3）觸發(fā)方式：軟件觸發(fā)、可編程調(diào)速觸、外部脈沖觸發(fā)；

（4）輸入范圍（雙極性，直流電壓）：±0.625，±1.25，±2.5，±5或±1.25，±2.5，±5，±10；

（5）精度：±1bit；

（6）線性度：±1bit。

3.4.3 跳線設(shè)置

3.4.3.1 PCL－727板

其中，“○”為off＝1，“●”為on＝0；

（2）輸出范圍的方式：0～5V信號輸出；

（3）輸出電源選擇：±15V／3mA。

3.4.3.2 PCL－818板

其中，“○”為off＝1，“●”為on＝0。

（2）DMA通道：通道3。

（3）通道配置：16路單端輸入。

（4）輸入電壓范圍：±5V。

3.4.3.3 端口板接線

PCL－727和PCL－818L都配有一塊端口板，用于輸入、輸出信號與外部的連接。其中PCL－727端口板為PCLD－880，PCL－818L為PCLD－8115。在控制計算機(jī)與被控計算機(jī)上都配置了這2塊板，其端口板信號線連接見圖6和圖7。

4 軟件開發(fā)

以Microsoft公司的Windows為系統(tǒng)操作平臺，采用北京亞控科技發(fā)展公司的組態(tài)王軟件開發(fā)應(yīng)用程序。

組態(tài)王可與現(xiàn)場的I／O設(shè)備直接進(jìn)行通訊。連接方法見圖8。

I／O設(shè)備的輸入提供現(xiàn)場的信息，例如產(chǎn)品的位置、機(jī)器的轉(zhuǎn)速、爐溫等。I／O設(shè)備的輸出通常用于對現(xiàn)場的控制，例如啟動電動機(jī)、改變轉(zhuǎn)速、控制閥門和指示燈等。有些I／O設(shè)備（例如PLC），其本身的程序完成對現(xiàn)場的控制，程序根據(jù)輸入決定各輸出的值。

程序設(shè)計力求界面友好，直觀、逼真地體現(xiàn)仿真效果，操作方便。在主控計算機(jī)上，通過系統(tǒng)軟手操及系統(tǒng)控制狀態(tài)切換，能分別對被控參數(shù)進(jìn)行實時控制。

圖6 主控計算機(jī)端口板接線

圖7 被控計算機(jī)端口板接線

4.1 界面及動畫效果設(shè)計

4.1.1 界面設(shè)計

圖8 I／O設(shè)備通訊圖

本仿真系統(tǒng)在被控計算機(jī)上設(shè)計了一個工業(yè)鍋爐的模型，在模型中對工業(yè)鍋爐的一些主要的參數(shù)和部件進(jìn)行了顯示。而在主控計算機(jī)上簡潔地顯示了一些主要的控制參數(shù)和幾個參數(shù)實時曲線，使整個控制顯得直觀明了（見圖3）。

4.1.2 動畫效果

包括爐排運動、排渣、爐火、煤閘、送風(fēng)門、引風(fēng)門、進(jìn)水、蒸汽、汽包液面、數(shù)顯表、水位等。

5 結(jié) 語

鍋爐作為傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換的一個裝置，如何對它進(jìn)行有效的控制，提高它的安全操作性，降低它的能耗，是專業(yè)人員一直研究的課題，自從本系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，通過原上海第二工業(yè)大學(xué)電子電氣工程系幾屆學(xué)生操作實訓(xùn)，特別是自控專業(yè)的學(xué)生，取得了比較明顯的效果。通過仿真系統(tǒng)操作，他們對閉環(huán)控制的理論和PID調(diào)節(jié)器有了比較深刻的理解，對鍋爐的控制過程也有了直觀的感性認(rèn)識，為他們從事此類工作奠定了一定的理論基礎(chǔ)。但由于學(xué)校實驗室場地等條件的限制，只能做這些最基本的仿真和模擬操作。隨著學(xué)校條件的改善，在整個仿真系統(tǒng)中還可以增加諸如煙氣、除塵等參數(shù)的仿真控制，使整套系統(tǒng)更逼真，更貼近實際，從而更能縮短理論與實際之間的差距。

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