王凱

摘要：本文依據(jù)蒸汽鍋爐冷熱水出口溫度的控制要求，介紹了PID控制技術(shù)在蒸汽鍋爐溫度智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出PID控制的的實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、安全高效、使用方便等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電動調(diào)節(jié)閥;PID控制;蒸汽鍋爐

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0022-02

0 引言

傳統(tǒng)的鍋爐電氣系統(tǒng)溫度控制方式普遍使用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，精度不夠、效率不高且易出現(xiàn)故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的PLC控制技術(shù)所取代。而PLC本身的優(yōu)異性能使基于PLC控制技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)精度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)、效率更高、更加節(jié)能且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。

1 蒸汽鍋爐溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在以PLC控制為核心，電動調(diào)節(jié)閥為基礎(chǔ)的蒸汽鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)中，PLC將蒸汽鍋爐出口溫度設(shè)定值與溫度變送器反饋回來的溫度值之間的偏差經(jīng)PID控制算法計(jì)算后，控制輸出電壓（1～5V）的大小，從而調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥開度的大小，實(shí)現(xiàn)電動調(diào)節(jié)閥開度的無極控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對進(jìn)入蒸汽鍋爐本體內(nèi)部蒸汽量的控制，以達(dá)到對蒸汽鍋爐熱水出口溫度實(shí)現(xiàn)自動控制的目的。蒸汽鍋爐溫度智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

工控機(jī)、可編程控制器（PLC）、傳感器、蒸汽控制閥等部分構(gòu)成蒸汽鍋爐溫度智能控制系統(tǒng)。PID控制主要是利用PLC實(shí)現(xiàn)，利用傳感器對被控對象的出口實(shí)際溫度進(jìn)行實(shí)時檢測，并將采集到的溫度值傳輸?shù)捷斎攵伺c給定值進(jìn)行比較，得到偏差值輸入到PID控制器。偏差值通過PID控制器算法計(jì)算后，輸出1～5V的電壓信號去驅(qū)動蒸汽控制閥，蒸汽控制閥根據(jù)輸入電壓的大小改變伺服閥組開度的大小，進(jìn)而控制進(jìn)入到蒸汽鍋爐內(nèi)的蒸汽量，從而控制出口溫度在控制閥允許的誤差范圍內(nèi)在設(shè)定值上下做細(xì)微波動，以保證熱水出口溫度基本恒定不變。

2.1 工控機(jī)

設(shè)計(jì)PID控制系統(tǒng)的核心是設(shè)計(jì)PID控制算法。首先利用工控機(jī)編制程序完成PID控制算法，然后將編輯好的程序經(jīng)過編譯、下載到可編程控制器中。工控機(jī)通過Ethernet通信將控制量的設(shè)定值傳輸給PLC。

2.2 可編程控制器

干燥塔溫度智能控制系統(tǒng)使用可編程控制器作為系統(tǒng)的控制中樞。因?yàn)榭删幊炭刂破骶哂锌刂菩阅芊€(wěn)定、功能完善、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、能耗低、系統(tǒng)維護(hù)方便、容易擴(kuò)展升級改造、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。溫度采集模塊將采集到的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇删幊炭刂破髦?，可編程控制器根?jù)事先編譯好的PID控制算法進(jìn)行計(jì)算，得出對應(yīng)的數(shù)字輸出值，再經(jīng)過其內(nèi)部的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量（電壓值）以控制蒸汽控制閥。該智能控制系統(tǒng)使用西門子（中國）有限公司的S7-200型PLC。

2.3 傳感器

本智能控制系統(tǒng)主要使用溫度傳感器。溫度傳感器用來實(shí)時檢測智能控制系統(tǒng)的熱水出口溫度的變化。這些實(shí)際數(shù)據(jù)通過傳感器內(nèi)部的A/D模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后，傳輸給可編程控制器?？删幊炭刂破鲗⑵渑c系統(tǒng)給定的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，二者的差值送給PID控制器進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算處理，可編程控制器的輸出量決定執(zhí)行器蒸汽控制閥的動作。

2.4 電動調(diào)節(jié)閥

電動調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。隨著工業(yè)領(lǐng)域的自動化程度越來越高，正被越來越多的應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。與傳統(tǒng)的氣動調(diào)節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：電動調(diào)節(jié)閥節(jié)能（只在工作時才消耗電能），環(huán)保（無碳排放），安裝快捷方便（無需復(fù)雜的氣動管路和氣泵工作站）。閥門按其所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的動力，按其功能和特性分為線性特性，等百分比特性及拋物線特性三種。本智能控制系統(tǒng)使用線性的電動調(diào)節(jié)閥。

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由于實(shí)際計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣回路都可能存在高頻干擾，因此幾乎所有的數(shù)字控制回路都設(shè)置了一級低通濾波器（一階滯后環(huán)節(jié)或一階慣性環(huán)節(jié)）來限制高頻干擾的影響。

3.1 實(shí)際PID控制規(guī)律

U（k）=u2（k-1）+K1（1+）[D（k-1）+e（k）-e（k-1）]

3.2 PID控制規(guī)律各參數(shù)含義

U（k）——輸出（至調(diào)節(jié)閥）;

u2（k-1）——積分作用I上個掃描周期輸出;

K1——放大倍數(shù);

T——采樣周期;

T1——實(shí)際積分時間;

T2——實(shí)際微分時間;

γ——微分放大系數(shù);

D（k-1）——微分作用D上個掃描周期輸出;

e（k-1）——上個掃描周期偏差;

e（k）——當(dāng)前掃描周期偏差。

3.3 實(shí)際PID控制算法的特點(diǎn)

實(shí)際PID數(shù)字控制算法的控制品質(zhì)較好，其原因是微分作用能緩慢地持續(xù)多個采樣周期，使得一般的工業(yè)用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠比較好的跟蹤微分作用輸出。由于實(shí)際PID算式中含有一階慣性環(huán)節(jié)，具有數(shù)字濾波的能力，因此，抗干擾能力也較強(qiáng)。

4 結(jié)語

連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)形成了一套系統(tǒng)的、成熟的、實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，并在控制領(lǐng)域?yàn)槿藗兯熘恼莆铡Ｒ虼?，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時，任然經(jīng)常使用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，首先設(shè)計(jì)出連續(xù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器D（s），再將D（s）所描述的連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律，通過某種規(guī)則（即數(shù)字化方法）變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)規(guī)律D（z），這種方法稱為模擬化設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)的數(shù)字PID控制算法正是利用上述方法求得的。不過，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，不僅僅是簡單地把PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合起來，使PID控制更加靈活多樣，更能滿足生產(chǎn)過程提出的各式各樣的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮品如，主編.過程控制工程[M].中國輕工業(yè)出版社，1995.

[2] 林敏，薛紅，主編.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng)[M].中國輕工業(yè)出版社，1999.

[3] 張鳳珊，主編.電氣控制及可編程序控制器[M].中國輕工業(yè)出版社，1998.

[4] 廖常初，主編.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

Intelligent Control System for Steam Boiler Temperature

WANG Kai

（Yingkou Kaixiang Estate Exploitation Co.，Ltd.Yingkou Liaoning? 115113）

Abstract：The text has introduced PID application for Intelligent control system of steam boiler temperature， achieved process of PID control in terms of control requirements regarding cold or hot water outlet temperature of steam boiler. The system has the characters of high accuracy， stabilization， safety， high efficiency， convenience and so on.

Key words：electric regulating valve;PID control;steam boiler