劉學(xué)良　葉志恒　李聰平

(東莞理工學(xué)院　電子工程學(xué)院, 廣東東莞　523808)

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基于S7-400PLC的SMPT-1000壓力流量控制策略設(shè)計(jì)

劉學(xué)良葉志恒李聰平

(東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院, 廣東東莞523808)

用SMPT-1000(高級(jí)多功能過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng))來模擬真實(shí)的鍋爐，研究其出口蒸汽壓力、流量控制策略設(shè)計(jì)問題。基于西門子S7-400PLC和PCS7編程軟件，利用SCL語言編寫了模糊-PID控制器，控制出口蒸汽壓力和流量控制在工業(yè)要求的范圍之內(nèi)。

S7-400PLC；SMPT-1000；模糊-PID；流量； 壓力

鍋爐是一種能讓水吸收燃料燃燒釋放能量使其變?yōu)樗魵獾脑O(shè)備, 產(chǎn)生的蒸汽可用于發(fā)電、供熱等，但鍋爐長期處于高溫高壓工作條件下，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至可能會(huì)導(dǎo)致傷亡，因此工業(yè)和人民生活對(duì)它的運(yùn)行安全要求一般都很苛刻。我國鍋爐的自動(dòng)化水平還處于世界中等水平，與國外先進(jìn)國家的自動(dòng)化水平還有一段距離。隨著人民生活水平的提高及工業(yè)化需要，先進(jìn)的鍋爐控制系統(tǒng)對(duì)加快國家工業(yè)發(fā)展和提高人民生活水平是必要的。

為防止直接利用控制算法在實(shí)際鍋爐支行中產(chǎn)生各種未知危險(xiǎn)及影響，在研究各種先進(jìn)算法時(shí)，可以先將其在仿真實(shí)驗(yàn)裝置上運(yùn)行來觀察其控制效果，防止直接在真實(shí)的鍋爐上實(shí)踐失敗而導(dǎo)致不可挽回的后果[1-2]。通過高級(jí)多功能過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(SMPT-1000)可模仿鍋爐操作過程，SMPT-1000是一種模擬加熱爐裝置、工業(yè)鍋爐裝置等被控對(duì)象的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)裝置，主要是根據(jù)工業(yè)裝置實(shí)際數(shù)據(jù)校正的動(dòng)態(tài)仿真引擎保證被控對(duì)象的工業(yè)級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度[3]。筆者主要研究控制鍋爐出口蒸汽的壓力和流量, 采用模糊-PID控制算法，以達(dá)到工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中的性能指標(biāo)。

1　硬件及工業(yè)流程介紹

所用的硬件平臺(tái)有SMPT-1000、西門子S7-400及西門子Panel 177B觸摸屏、PC等設(shè)備。鍋爐壓力-流量控制系統(tǒng)的AS站和OS站組態(tài)是采用西門子PCS7完成的，通過OS站和AS站的連接編譯下載，使計(jì)算機(jī)與西門子CPU412-3H通訊，而SMPT-1000自帶的適配器 PM125與CPU412-3H連接，從而可使計(jì)算機(jī)對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。在CFC編輯器中調(diào)用適當(dāng)?shù)哪K設(shè)計(jì)壓力單回路和流量單回路分別對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。通過擴(kuò)充臨界比例度法和現(xiàn)場(chǎng)操作相結(jié)合來整定PID參數(shù)，分別采用PID控制和模糊PID控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操控，在SFC中設(shè)計(jì)開車程序，兩種方式均采用相同的開車程序進(jìn)行冷態(tài)開車。

1.1SMPT-1000

SMPT-1000是一個(gè)半實(shí)物的仿真實(shí)驗(yàn)裝置，它的高仿真技術(shù)能夠模擬全工況下真實(shí)的工藝流程[4]，設(shè)備主要包括：除氧器、換熱器、加熱爐、省煤器、蒸發(fā)器等，設(shè)備上還裝有數(shù)字儀表和各種傳感器，可實(shí)時(shí)顯示各種變量狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了設(shè)備的真實(shí)感。SMPT-1000在對(duì)外的接口上有4～10 mA的模擬量信號(hào)，還提供了Profibus DP、DI/DO等接口。支持對(duì)設(shè)備的工藝參數(shù)、傳感器和閥門等進(jìn)行自由設(shè)定，更加真實(shí)地模擬了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的操作和工藝流程。SMPT-1000的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1　SMPT實(shí)物圖

1.2S7-400 PLC及功能概述

西門子S7-400PLC[5]是一款中高端操縱性能的PLC，它是具有冗余容錯(cuò)能力的自動(dòng)化系統(tǒng)，可用于復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)。其最主要的特點(diǎn)有：極高的處理速度、強(qiáng)大的通訊性能以及硬件資源冗余系統(tǒng)。包括電源、CPU、通訊等模塊。S7-400 PLC的實(shí)物圖如圖2所示，控制系統(tǒng)是由PROFIBUSDP和工業(yè)以太網(wǎng)組成其通訊控制網(wǎng)絡(luò)，通過西門子的過程控制系統(tǒng)軟件PCS7設(shè)計(jì)本鍋爐系統(tǒng)并使其滿足要求。以下是所需要用到的PCS7的功能部分。

1)SIMATIC manager：可用于打開和完善PCS7設(shè)計(jì)的壓縮文件，它是PCS7非常重要的組成部分，也用于創(chuàng)建項(xiàng)目、工程；

2)CFC：用于編制系統(tǒng)壓力和流量回路程序；

3)SFC：用于數(shù)據(jù)處理、鍋爐從冷態(tài)開車的組態(tài)；

4)SCL：一種用于撰寫代碼的計(jì)算機(jī)語言，代碼撰寫無誤后下載生成功能塊，然后在庫里生成。模糊控制器模塊是使用這種語言來撰寫下載。

圖2　S7-400 PLC

1.3 工業(yè)流程介紹

圖3　鍋爐工藝流程圖

鍋爐工藝流程如圖3所示。軟化水經(jīng)過水泵P1101的加壓后，會(huì)分成兩路，一路通過閥門FV1103后去到減溫器，與過熱蒸汽進(jìn)行熱交換，再與另一路混合通過閥門FV1102流入省煤器。熱蒸汽是從上而下通過減溫器，以充分地與減溫器的水接觸，進(jìn)行充分的熱交換，減溫器的作用主要對(duì)過熱蒸汽的溫度進(jìn)行微調(diào)和對(duì)軟化水進(jìn)行預(yù)先的加熱。流過減溫器的水再與FV1102的水匯合，再一起流入省煤器。省煤器的作用是與軟化水進(jìn)行熱交換。燃燒后的煙氣溫度較高，可以給流過省煤器的水加熱，達(dá)到節(jié)能的目的，故稱為省煤器。流過了省煤器之后，水進(jìn)入到汽包P1103，再從汽包中流入爐膛內(nèi)水冷壁，并進(jìn)行熱交換不斷升溫，變成了汽水混合物進(jìn)入到汽包的內(nèi)部，隨后經(jīng)過分離器進(jìn)行汽水分離，重新進(jìn)入到爐膛內(nèi)壁繼續(xù)吸收熱量變成了過熱蒸汽，流入減溫器進(jìn)行溫度的微調(diào)，最后經(jīng)過閥門FV1105產(chǎn)出符合工業(yè)溫度和壓力要求的出口蒸汽。燃料則是經(jīng)過燃料泵P1102進(jìn)入到爐膛，變頻的鼓風(fēng)機(jī)S1101根據(jù)燃燒情況來給風(fēng)，使燃料達(dá)到最佳的燃燒狀態(tài)。

2　控制算法設(shè)計(jì)

目前的工業(yè)過程控制中，大多數(shù)被控對(duì)象都具有強(qiáng)耦合、非線性、大滯后等特性，用普通的PID控制器效果很難達(dá)到理想效果。傳統(tǒng)的PID控制器的抗干擾能力相對(duì)較弱，超調(diào)量較大。模糊控制可根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)和常識(shí)來控制，有較強(qiáng)的抗干擾能力、魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，它的局限性就是只能按照預(yù)先設(shè)置好的幾種不同的情況來處理，是一種非線性的控制，存在較大的靜態(tài)誤差。將采用模糊-PID控制器[6-8]來控制出口蒸汽壓力和流量，基本原理是：根據(jù)誤差e以及誤差變化率ec和比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)三個(gè)者之間的模糊關(guān)系，不斷檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的e和ec來實(shí)時(shí)修改控制器的參數(shù)。如圖4所示。

圖4　模糊-PID控制原理圖

模糊控制器的組成步驟，包括模糊化、模糊邏輯推理和解模糊[9-10]。利用結(jié)構(gòu)化控制語言SCL撰寫代碼再下載即可在PCS7中生成相應(yīng)的模糊PID功能塊。

圖5　模糊PID控制器

圖6　導(dǎo)入模糊參數(shù)E和EC隸屬函數(shù)

2)模糊推理：數(shù)據(jù)庫內(nèi)部有模糊化需要用到的量化因子和解模糊要用到的比例因子；準(zhǔn)則庫有大量的模糊控制準(zhǔn)則，即“如果…然后…”的形式。根據(jù)鍋爐壓力-流量控制系統(tǒng)特性和專家實(shí)際操作得到模糊控制器的KP、KI和KD的控制準(zhǔn)則表如表1～3所示。

表1　KP控制準(zhǔn)則

表2　KI控制準(zhǔn)則

表3　KD控制準(zhǔn)則表

結(jié)合控制準(zhǔn)則表1～3和第一步所求的隸屬函數(shù)并使用MATALAB模糊控制工具箱編輯如圖7所示的49條控制規(guī)則語句。

圖7　控制規(guī)則

3)解模糊：模糊量要轉(zhuǎn)為精確輸出量才能讓執(zhí)行器正常工作。將模糊量變?yōu)榫_量的這一步叫做解模糊，常用的方法是重心法，它是一種加權(quán)法，其表達(dá)式可表示為：

zi是模糊導(dǎo)出論域值，Ki(zi)是zi的隸屬度；利用重心法對(duì)模糊量進(jìn)行解模糊處理并使用MATALAB模糊控制工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器，得到模糊量KP、KI、KD三個(gè)查詢?nèi)绫?～6所示。

表4　KP模糊查詢

表5　KI模糊查詢

表6　KD模糊查詢

3　仿真實(shí)驗(yàn)

通過PCS7軟件CFC編輯器中目錄的Library尋找合適的PID控制器，對(duì)于該系統(tǒng)的壓力和流量均使用FB61PID控制器，分別調(diào)用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊使輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合的可讀的數(shù)據(jù)格式，最后選擇PLC中的IW558作為壓力單回路數(shù)據(jù)輸入地址，QW522作為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出地址，通過設(shè)備上的FV1104燃料管道閥門開度來控制壓力，經(jīng)過不斷地調(diào)節(jié)，最后調(diào)出較合適的比例系數(shù)為200，積分時(shí)間為60能使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于流量單回路，選擇PLC中的IW522作為數(shù)據(jù)輸入地址，QW526作為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出地址，通過設(shè)備上的FV1105出口管道調(diào)節(jié)閥的閥門開度來控制流量，最后調(diào)出較合適的比例系數(shù)為1，積分時(shí)間為1能使系統(tǒng)調(diào)負(fù)荷結(jié)束后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。接下來比較一下模糊PID與普通PID算法的控制效果，采用模糊PID和普通PID控制效果分別如圖8和圖9所示。

圖8　采用模糊PID控制出口蒸汽壓力和出口流量軌跡圖

圖9　采用普通PID控制出口蒸汽壓力和出口流量軌跡圖

圖中藍(lán)色線為出口流量，黑色線為出口蒸汽壓力。用模糊PID和普通PID控制流量穩(wěn)定到30 kg/s時(shí)大概為1 200 s；控制壓力穩(wěn)定到3.8 MPa時(shí)大約需要620 s，兩者控制流量和壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間大致相當(dāng)。大約在560 s的時(shí)候負(fù)荷由15 kg/s提升至30 kg/s，采用普通PID控制流量波動(dòng)較大，而模糊PID控制流量波動(dòng)較少，用模糊PID控制抗干擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，壓力誤差保持在±0.5 MPa之內(nèi)，流量誤差保持在±1 kg/s之內(nèi)，且最小保持時(shí)間大于5 min。

4　結(jié)語

提出了一種適用于SMPT-1000出口蒸汽流量壓力模糊控制策略。結(jié)果表明，采用模糊PID控制算法編寫的控制器的抗干擾性優(yōu)于普通PID控制器，并使出口蒸汽壓力和流量控制均符合工業(yè)要求的范圍之內(nèi)，模糊PID算法獲得了較理想的控制效果。

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Flow and Pressure Control Strategy Design of SMPT-1000 Boiler Based on S7-400PLC

LIU XueliangYE ZhihengLI Congping

(College of Electronic Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

This paper uses SMPT-1000 (Super Multifunction Process Control Training System) to simulate the real boiler, and studies the problem of its outlet steam pressure and flow control strategy design. Based on Siemens S7-400 PLC and PCS7 programming software, by using SCL language fuzzy-PID controller, it shows that the outlet steam pressure and flow can be controlled in the scope of industrial requirements.

S7-400PLC；SMPT-1000；fuzzy-PID；flow；pressure

2016-04-08

劉學(xué)良(1983—)，男，湖南永州人，講師，博士，主要從事多智能體系系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制等研究。

TP273

A

1009-0312(2016)03-0032-07