孫永芳

( 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 智能制造學院,陜西 西安 710300)

工業(yè)鍋爐憑借自身優(yōu)勢被應用于多種工業(yè)領域，成為工業(yè)企業(yè)最普遍的動力設備之一，其功能為：通過燃料在爐膛內(nèi)燃燒，鍋爐可將燃燒過程中產(chǎn)生的熱量轉化為熱能，并以蒸汽或熱水的形式輸送至工業(yè)生產(chǎn)的各種設備。但是傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐主要采用人工的方式進行控制，極少數(shù)大型工業(yè)鍋爐采用簡單的儀表單回路調節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)對液位、壓力等數(shù)據(jù)的控制，該方式對于燃料的浪費程度較大。為此本研究采用智能化的方式設計出工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)，對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域的發(fā)展具有重要意義。

1 工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)控制方案設計

工業(yè)鍋爐的結構組成為：爐膛、燃燒室、熱交換、自動上排料系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、外循環(huán)系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)共同組成。鍋爐在燃燒過程中，其燃料主要由上料傳送帶直接傳送至爐膛，燃燒完畢后經(jīng)排渣傳送帶自動排出。爐膛溫度的控制流程為：通過鼓風機和引風機協(xié)同作用，對燃燒室含氧量進行精準控制，以此實現(xiàn)對溫度的控制，風門部分主要采用機械式風門，該風門可隨著鼓風機風量的大小自動開關。對爐膛內(nèi)熱量進行傳導時，利用內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)使熱水經(jīng)過內(nèi)循環(huán)泵，最終到達熱交換器，由熱交換器將水的熱量傳導至各個使用區(qū)，外循環(huán)系統(tǒng)的作業(yè)流程與內(nèi)循環(huán)基本相似。該控制系統(tǒng)主要通過對爐膛壓力、溫度及水位進行檢測，實現(xiàn)自動控制鼓風機和引風機，完成對爐內(nèi)溫度的控制。為保證工業(yè)鍋爐的安全，對鍋爐壓力的上限值進行設定，當爐內(nèi)壓力達到上限值時，控制系統(tǒng)可自動開啟電控泄壓閥。內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)對熱能的有效利用主要通過檢測內(nèi)循環(huán)水位，實現(xiàn)對內(nèi)循環(huán)泵的自動控制[1]。

控制系統(tǒng)為實現(xiàn)對鍋爐運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，將上位機監(jiān)控系統(tǒng)建立于組態(tài)王6.53上，并在該系統(tǒng)中設置工業(yè)鍋爐的運行數(shù)據(jù)。對工業(yè)鍋爐的控制器進行設計時，為實現(xiàn)對風機和泵的轉速進行自動控制，主要以CJ1M系列的PLC作為核心，通過A/D擴展模塊對鍋爐溫度和壓力等信息的準確讀取，并由PLC運算后經(jīng)D/A模塊對模擬量進行輸出，最終對系統(tǒng)變頻器進行控制，該方式可達成現(xiàn)場操作補水、給煤控制等，工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)結構如圖1所示[2]。

2 工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)主要由PCI數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制計算機以及多種傳感器和執(zhí)行器共同組成，為保證工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本研究主要采用上位機+下位機的控制模式實現(xiàn)對工業(yè)鍋爐的智能監(jiān)控。上位機在工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)中主要負責對軟件部分進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，而下位機主要負責對數(shù)據(jù)進行采集與控制輸出。該系統(tǒng)的結構組成為：汽包液位控制子系統(tǒng)、爐膛壓力調節(jié)子系統(tǒng)以及蒸汽溫度調節(jié)子系統(tǒng)，其中汽包液位控制子系統(tǒng)包括液位變送器、蒸汽流量計以及調節(jié)閥開度；爐膛壓力調節(jié)子系統(tǒng)包括壓力變送器、蒸汽流量計以及調節(jié)閥開度；蒸汽溫度調節(jié)子系統(tǒng)由兩個溫度傳感器和一個調節(jié)閥開度共同組成，工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結構如圖2所示[3]。

3 工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)硬軟件設計

3.1 鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

該智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計部分主要由電源模塊、CPU模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及終端板共同組成，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本研究通過對硬件部分的連接及I/O端口分配進行設計，有利于實現(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控[4]。

3.1.1 鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件連接

該智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件連接部分的工作流程為：利用傳感器的功能，將系統(tǒng)檢測到的溫度信號轉換成4～20 mA的電流信號，信號轉換完成后，由鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)對模擬量輸入模塊進行信號配置，從而實現(xiàn)把電流信號轉換成數(shù)字信號，最后將轉換成功的數(shù)字信號送入PLC控制器中進行相關處理[5]。

3.1.2 鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)I/O端口分配

鍋爐智能控制系統(tǒng)主要由周邊控制程序段、內(nèi)循環(huán)溫度程序段、鼓風機控制程序段、模擬量AD讀取程序段以及模擬量DA寫出控制程序段共同組成。對智能監(jiān)控系統(tǒng)的I/O端口進行分配時，為保證該端口的合理分配，將鍋爐智能控制系統(tǒng)的輸入輸出點分為鍋爐壓力、溫度、水位、內(nèi)循環(huán)溫度、鼓風機頻率以及內(nèi)循環(huán)泵頻率等單元，鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)I/O端口分配如表1所示[6]。

表1 鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)I/O端口分配表

3.2 鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

為保證工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本研究對該系統(tǒng)的軟件部分進行設計時，重點研究上位組態(tài)軟件組態(tài)王人機界面，并對工業(yè)鍋爐內(nèi)的各個參數(shù)進行控制，其參數(shù)控制流程為：首先依次對各個寄存器及A/D模塊參數(shù)進行初始化，初始化完成后，對入口A/D信號進行采集，并將采集的入口A/D信號進行濾波，通過對濾波后的信號進行計算，即可獲取當前工業(yè)鍋爐的爐膛溫度、壓力以及液位的過程值，最后從人機界面可對各參數(shù)數(shù)據(jù)進行讀取。在參數(shù)控制過程中，應在工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)對各參數(shù)的最大數(shù)值進行設定，若各參數(shù)數(shù)據(jù)達到設定值，即可將數(shù)據(jù)結果輸出，若各參數(shù)數(shù)據(jù)未達到設定值，應將數(shù)值繼續(xù)升高，直至參數(shù)數(shù)據(jù)達到設定值。

3.2.1 下位PLC控制流程

對工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)下位機PLC控制流程進行設計時，應充分結合工業(yè)鍋爐的實際控制要求，并按照工業(yè)鍋爐的工藝過程對相關數(shù)據(jù)進行整理。該方式有利于更加便捷地對系統(tǒng)程序進行編寫，使工業(yè)鍋爐可達到預期溫度、壓力以及液位穩(wěn)定的控制目標。下位PLC控制流程為：首先進入PLC控制入口，向PLC控制器中輸入工業(yè)鍋爐的各個參數(shù)，對I/O數(shù)據(jù)進行樣本采集，并利用PID算法對該數(shù)據(jù)進行運算，根據(jù)運算獲取的最終結果，即可對I/O設備進行更新，并將最終成果輸出至PLC控制出口。

3.2.2 上位人機界面

對上位人機界面進行設計時，主要采用組態(tài)王軟件實現(xiàn)人機交互。該界面可充分體現(xiàn)出工業(yè)鍋爐內(nèi)待控制參數(shù)的變化趨勢，并且可展現(xiàn)出工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)的實際工藝流程，對PLC控制器進行參數(shù)設定時，為保證工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)的工藝流程更具個性化，將人機界面以圖形的方式向用戶展示，有利于用戶更加直觀地了解工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)的操作流程[7]。

4 工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)汽包液位控制子系統(tǒng)設計

由于汽包液位控制子系統(tǒng)對于工業(yè)鍋爐的正常運行具有重要維持作用，本研究為實現(xiàn)對工業(yè)鍋爐的實時監(jiān)控，對該智能監(jiān)控系統(tǒng)的汽包液位控制子系統(tǒng)進行重點研究，并利用模糊-PID控制技術對該系統(tǒng)進行設計。

4.1 汽包液位控制子系統(tǒng)總體方案

傳統(tǒng)汽包液位控制方式對工業(yè)鍋爐進行液位控制時，受“虛假水位”的影響較大，可造成工業(yè)鍋爐的液位控制存在一定誤差，該誤差可表現(xiàn)為：當工業(yè)鍋爐內(nèi)負載持續(xù)變大時，汽包水位與之相反，處于不斷上升狀態(tài)，該現(xiàn)象可直接造成汽包液位控制系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤決斷，而對工業(yè)鍋爐的調節(jié)閥進行控制。本研究為解決傳統(tǒng)汽包液位控制方式存在的問題，充分利用模糊-PID控制技術的優(yōu)勢，對工業(yè)鍋爐的汽包液位進行控制。

4.2 模糊-PID控制器設計

該設計是基于工業(yè)鍋爐汽包液位控制方案的基礎上進行實現(xiàn)的，為保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本研究對模糊控制系統(tǒng)的整體方案進行設計，基于模糊-PID控制技術的控制系統(tǒng)如圖3所示[8]。

對模糊-PID控制器進行設計時，首先應對模糊-PID控制技術中的各項參數(shù)進行修改。本研究修改PID各項參數(shù)過程中，主要依據(jù)模糊控制規(guī)則，并對各參數(shù)之間存在的偏差e的變化規(guī)律進行總結，由此可推導出比例系數(shù)、微分系數(shù)以及積分系數(shù)的變化量，分別記作Kp、Kd、Ki。通過對各系數(shù)的變化量進行推導，即可實現(xiàn)對工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)性能的最優(yōu)化，PID參數(shù)模糊控制規(guī)律如表2所示。

表2 PID參數(shù)模糊控制規(guī)律

模糊-PID控制器可實現(xiàn)對PID各項參數(shù)進行實時調節(jié)，其實現(xiàn)方式為：根據(jù)偏差絕對值|e|、偏差和的絕對值|ec|、偏差變化率絕對值|∑e|，并及時對時間進行調整后，充分利用模糊PID技術即可實現(xiàn)實時調節(jié)PID參數(shù)。將工業(yè)鍋爐液位控制過程中存在的誤差e與誤差變化量ec作為輸入量輸入至控制器中，并利用查詢模糊推理算法的方式獲取決策表，最終可獲得Kp、Kd、Ki的修正系數(shù)，將其代入以下公式：

(1)

汽包液位控制器的模糊輸入量存在液位偏差、偏差變化與偏差和，三者分別表示為e(k)、ec(k)=e(k)+e(k-1)、∑e(k)=e(k)+e(k-1)

模糊控制輸出量為

ΔKp、ΔKi、ΔKd

不同變量的模糊論域分配方式為

e(k)、∑e(k)、ec(k)、ΔKp、ΔKd的論域為

{-3，-2，-1，0，1，2，3}

對PID各變量模糊子集論域進行設定時，可根據(jù)模糊控制的一般理論完成設定，其論域為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，各論域代表的含義為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}。

5 汽包液位控制子系統(tǒng)的Matlab仿真驗證

為保證工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并驗證該系統(tǒng)的實際控制結果，采用Matlab中的Simulink對智能監(jiān)控系統(tǒng)進行仿真測試。仿真流程為：Matlab使用模糊控制技術，Simulink使用模糊-PID控制技術，在加入給水擾動的情況下對監(jiān)控系統(tǒng)進行仿真驗證。仿真過程中將工業(yè)鍋爐內(nèi)的液位值設定為45 mm，待監(jiān)控系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，并且穩(wěn)定時間持續(xù)到500 s時刻加入給水擾動，模糊-PID控制仿真響應曲線如圖4所示。

通過對仿真結果進行分析可知，在工業(yè)鍋爐內(nèi)液位高度為45 mm時，使用模糊控制技術汽包液位控制子系統(tǒng)的水位進行監(jiān)控與PID控制相比可發(fā)現(xiàn)，其最大超調量變小，調節(jié)時間明顯減少。而在500 s時刻向系統(tǒng)中加入給水擾動可發(fā)現(xiàn)，模糊-PID控制下的超調量更具優(yōu)勢。

6 結 語

本研究為實現(xiàn)對工業(yè)鍋爐的智能監(jiān)控，設計了一種工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)中的核心應用方法——模糊PID控制技術。將該技術應用于汽包液位控制系統(tǒng)中，有利于提升工業(yè)鍋爐的穩(wěn)態(tài)性能。由于傳統(tǒng)汽包液位控制方式對工業(yè)鍋爐進行液位控制時，當工業(yè)鍋爐內(nèi)負載持續(xù)變大時，汽包水位與之相反，處于不斷上升狀態(tài)，該現(xiàn)象可直接造成汽包液位控制系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤決斷，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，為解決傳統(tǒng)汽包液位控制方式存在的問題，充分利用模糊-PID控制技術的優(yōu)勢，對工業(yè)鍋爐的汽包液位進行控制。通過仿真驗證的方式對該系統(tǒng)的精確度進行驗證，其結果表明，該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能較強，對于工業(yè)鍋爐的控制精度具有提升作用。