鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中主要的供熱設(shè)備。電力、機(jī)械、冶金、化工、民用都需要鍋爐提供熱量，但是根據(jù)行業(yè)的不同，對(duì)鍋爐的大小規(guī)模不盡相同。作為重要的工業(yè)設(shè)備，在保證其安全和穩(wěn)定運(yùn)行的情況下則應(yīng)考慮其自動(dòng)生產(chǎn)，提高自動(dòng)運(yùn)行能力及工作效率。

鍋爐生產(chǎn)在國民是工業(yè)中占據(jù)著重要的地位，早期的鍋爐自動(dòng)化程度很低，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，導(dǎo)致系統(tǒng)故障不斷，但是鍋爐因?yàn)檫m合各種行業(yè)仍然被廣泛使用，鍋爐的廣泛使用使鍋爐現(xiàn)代化成為必然。鍋爐現(xiàn)代化的管理不但需要安全、高度自動(dòng)化的控制方案，還需要考慮高效、節(jié)能、環(huán)保等方面的因素。所以對(duì)于鍋爐的自動(dòng)運(yùn)行這一方面還需要我們做控制的人不斷的研究和探索，力爭(zhēng)將鍋爐實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)達(dá)到安全、高效的高度。

鍋爐部分分析

構(gòu)成鍋爐的溫度控制方法有很多種，但基本都是基于鍋爐的給熱量和散熱量平衡的關(guān)系來確定的，當(dāng)給熱量和散熱量平衡時(shí)爐溫保持在給定的范圍內(nèi)。當(dāng)某種因素出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，從溫度傳感器采集的實(shí)際溫度與給定溫度進(jìn)行比較，得到兩者的差值，即偏差。控制器根據(jù)實(shí)際偏差值的具體情況按照指定規(guī)律發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，控制被控量的大小，使溫度恢復(fù)到給定值的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制。

根據(jù)不同類型的鍋爐以及現(xiàn)場(chǎng)的具體情況有不同的控制方法。從用途就可分為生活鍋爐、工業(yè)鍋爐、電站鍋爐。生活鍋爐主要是在低壓情況下運(yùn)行，為日常生活提供熱水，亦可稱為熱水鍋爐，本設(shè)計(jì)即為此類鍋爐的縮影；工業(yè)鍋爐基本在高壓下進(jìn)行生產(chǎn)，其需要提供大量熱量；電站鍋爐主要是將水加熱到高溫高壓的蒸汽狀態(tài)，從而驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，進(jìn)行發(fā)電，亦可成為蒸汽鍋爐。另一方面主要從燃料的角度區(qū)分鍋爐，主要有燃煤鍋爐、燃油鍋爐、 燃?xì)忮仩t、電加熱鍋爐等?；谌济?、燃油、燃?xì)獾娜愬仩t均需要空氣做助燃劑，當(dāng)燃料與空氣的比值適合時(shí)才能發(fā)揮最大的能效，因此此類控制系統(tǒng)必然會(huì)用到比值控制等復(fù)雜算法，同時(shí)燃燒的過程復(fù)雜、干擾多，還需要對(duì)煙氣含氧量、爐膛火焰等情況進(jìn)行監(jiān)控，故而此類燃燒方式的鍋爐大多需要復(fù)雜、精確地設(shè)計(jì)、調(diào)試驗(yàn)證及試運(yùn)行后才能投入到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中；電加熱鍋爐因?yàn)槠涮峁┠芰糠绞絾我唬{(diào)節(jié)加熱器的電流或者電壓大小即可對(duì)爐溫進(jìn)行控制，同時(shí)延遲不大，能源使用率較高等因素被受親睞，但是其能提供的能量較少因此使用的規(guī)模不大。

基于實(shí)際條件及控制要求，本設(shè)計(jì)選擇在AE2000B型實(shí)驗(yàn)裝置下的電加熱型熱水鍋爐作為對(duì)象。

AE2000B型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是浙大中控根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，吸取了國外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處，并與目前大型工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領(lǐng)先的AI智能儀表加組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、DCS（分布式集散控制系統(tǒng)），經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學(xué)、學(xué)科基地建設(shè)的實(shí)驗(yàn)設(shè) 備。AE2000型過程實(shí)驗(yàn)裝置的檢測(cè)信號(hào)、控制信號(hào)及被控信號(hào)均采用ICE標(biāo)準(zhǔn)，即電壓1～5V、電流4～20mA。

控制器分析

由于實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，干擾較多，因此在控制器方面因選擇抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定的控制器，綜合單片機(jī)、PLC等控制器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇西門子S7-200型PLC作為控制器。常用的西門子S7-200系列的PLC有224或226，本次設(shè)計(jì)選用224作為控制器。西門子S7-200系列PLC作為西門子推出的小型PLC，擁有體積小、通訊開放、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器較大、集成的RS485接口、擴(kuò)展性良好、指令功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。

組態(tài)軟件分析

組態(tài)軟件在國內(nèi)是一個(gè)約定俗成的概念，并沒有明確的定義，它可以理解為“組態(tài)式監(jiān)控軟件”。是指用戶通過類似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計(jì)算機(jī)程序，也就是所謂的“組態(tài)”。

組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。

目前常用的組態(tài)軟件有西門子的WINCC、北京昆侖的MCGS、亞控的組態(tài)王、北京三維的力控，國外的組態(tài)軟件大多只針對(duì)自己的PLC，而國內(nèi)的組態(tài)軟件基本能與幾大主流的PLC進(jìn)行配合使用。

本設(shè)計(jì)選擇北京昆侖的組態(tài)軟件MCGS作為上位機(jī)，MCGS是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它能夠在基于Microsoft 的各種32 位Windows 平臺(tái)上運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用西門子S7-200型PLC作為控制器，北京昆侖的組態(tài)軟件MCGS作為上位機(jī)，通過現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，使用可控硅調(diào)節(jié)加熱器兩端電壓等系列方法控制加熱效果，達(dá)到控制的所需要的工藝要求。目的在于設(shè)計(jì)過程中能夠了解S7-200 PLC是如何被運(yùn)用于工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程的，解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾多、情況復(fù)雜等情況下大多數(shù)控制器不穩(wěn)定的問題。通過在上位機(jī)上動(dòng)手操作和觀察，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控鍋爐內(nèi)水溫的具體情況，并得到完整的爐溫實(shí)時(shí)曲線。同時(shí)監(jiān)控工藝運(yùn)行時(shí)是否正常，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

工藝分析

所選被控對(duì)象是常見的電加熱鍋爐，通過電加熱棒與待加熱液體直接進(jìn)行熱傳遞，將一定量的液體加熱到工藝要求的溫度。

待加熱液體由丹麥泵直接抽到鍋爐中，同時(shí)輸送管道上面有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，鍋爐內(nèi)部也有液位傳感器，傳感器與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥形成閉環(huán)控制回路，保證鍋爐內(nèi)部液體穩(wěn)定，同時(shí)在程序內(nèi)設(shè)定液位上下限，保證鍋爐內(nèi)運(yùn)行安全。在鍋爐內(nèi)有電加熱棒并通過單相SCR可控調(diào)壓裝置控制其輸出電壓，同時(shí)鍋爐內(nèi)有溫度檢測(cè)裝置，兩者與控制器PLC構(gòu)成閉環(huán)控制回路，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

在本設(shè)計(jì)中要求控制鍋爐溫度，故而對(duì)于液位部分只檢測(cè)鍋爐內(nèi)有無液體，將此液位作為參考值，在安全控制方面作為液位上、下限的報(bào)警值。

硬件選型

本設(shè)計(jì)主要選擇控制器、加熱裝置、溫度檢測(cè)裝置、上位機(jī)選型等?？刂破鬟x擇西門子S7-200系列PLC，型號(hào)為224；加熱裝置為電加熱棒，可控硅調(diào)節(jié)其端電壓，調(diào)壓范圍為0—220V；溫度檢測(cè)裝置選擇鉑熱電阻PT100，其溫度測(cè)量范圍為0—100℃。

硬件連接及I/O分配

鍋爐溫度控制系統(tǒng)主要有溫度傳感器、變送器、控制器PLC、帶MCGS的PC機(jī)作為上位機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)可控硅調(diào)壓電路等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2。

計(jì)算機(jī)上裝有MCGS可作為上位機(jī)，同時(shí)計(jì)算機(jī)通過PC/PPI電纜通過RS485通信與PLC進(jìn)行通訊，西門子S7-200 PLC與模擬量模塊EM235安裝在同一導(dǎo)軌上，PLC的CPU模塊224有24個(gè)I/O接口，其中有14個(gè)輸入端、10個(gè)輸出端，輸入端口外接開始按鈕、停止按鈕、急停按鈕，輸出端口外接工作指示燈、報(bào)警指示燈、正在加熱指示燈，模擬量模塊EM235有4路模擬量輸入端口、1路模擬量輸出端口，其中模擬量輸入端口根據(jù)外接電路的接法不同可以分為1—5V電壓型和4—20mA電流型，模擬量輸出端可選擇V或者I來確定需要電流輸出還是電壓輸出。

本設(shè)計(jì)選擇3路數(shù)字量輸入、2路數(shù)字量輸出、1路模擬量標(biāo)準(zhǔn)電流輸入、1路數(shù)字量標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，其具體分配情況見表4。

硬件連線主要有溫度變送器的接線與PLC的接線、可控硅與PLC的接線。溫度變送器PT100與PLC的接線如圖3。

可控硅與電加熱棒構(gòu)成一個(gè)電壓可調(diào)的模塊，通過調(diào)節(jié)給到電熱棒兩端的電壓大小來改變電加熱棒對(duì)鍋爐內(nèi)液體供熱的大小，從而達(dá)到加熱的目的，單相SCR可調(diào)壓裝置與PLC的接線如圖4。

輸入、輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換

由于采集的數(shù)據(jù)都為工程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，單位、幅值和范圍也不同，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)形式才能被控制器PLC接受執(zhí)行。轉(zhuǎn)換的第一步是將給定值或A/D轉(zhuǎn)換后得到整數(shù)值由16位轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)換后的下一步是將實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)，鍋爐溫度測(cè)量范圍是0～100℃，模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是4-20mA，A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值為6400-32000，

設(shè)T為轉(zhuǎn)換后的溫度值，則其轉(zhuǎn)換公式如下：

系統(tǒng)框圖

設(shè)計(jì)鍋爐溫度的閉環(huán)控制回路，其具體框圖如圖5。

控制對(duì)象模型

本設(shè)計(jì)的鍋爐水溫控制系統(tǒng)科理解為一介滯后系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

水箱水位檢測(cè)

水箱實(shí)際溫度的檢測(cè)是要把測(cè)得的溫度量轉(zhuǎn)化為0.0到1.0之間的數(shù)以便于PLC能夠識(shí)別。因?yàn)镻ID只能針對(duì)浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，因此要先把溫度變送器輸出的值轉(zhuǎn)換成16位的整型存儲(chǔ)在累加寄存器AC0中，再將AC0中的值轉(zhuǎn)化為32位的雙整型繼續(xù)存放于AC0中，接著把AC0中的數(shù)由雙整型轉(zhuǎn)化為實(shí)型，仍然存放到AC0中。鑒于實(shí)型數(shù)的小數(shù)點(diǎn)有6位，所以其相對(duì)來說還是比較精確的。接下來就要把實(shí)數(shù)再轉(zhuǎn)化成PLC能夠識(shí)別的0.0~1.0之間數(shù)。其具體程序見附錄。

輸出到可控硅電壓

經(jīng)過PID運(yùn)算后從AQW0輸出的信號(hào)為6400—32000的標(biāo)準(zhǔn)值，可以直接加到可控硅模塊控制電壓大小，但是我們亦需要將其轉(zhuǎn)換為可以識(shí)別的電壓大小，其具體程序見附錄。

PID算法在S7-200PLC中的實(shí)現(xiàn)

S7-200的編程軟件Micro/WIN提供了PID指令向?qū)?，PID控制程序可以通過指令向?qū)ё詣?dòng)生成，但是PID指令也能夠被程序自動(dòng)調(diào)用。

首先選擇運(yùn)用PID算法的回路，本系統(tǒng)就一個(gè)回路，故選擇回路0，如圖6所示

第二步選擇好回路后設(shè)定回路的參數(shù)，由于本設(shè)計(jì)采用水作為加熱液體，而選擇的PT100也是0—100℃的測(cè)溫，因此給定范圍的低限和高限分別為0和100，回路的參數(shù)暫時(shí)先不設(shè)定，如圖7所示。

第三步設(shè)置回路輸入輸出項(xiàng)，輸入和輸出量都是單級(jí)性的模擬量，全部選擇“使用20%偏移量”，因?yàn)镾7-200的單極性模擬量輸入輸出信號(hào)的數(shù)值范圍是6400—32000，所以輸入項(xiàng)的量程為6400—32000。如圖8所示。

報(bào)警及系列連鎖程序

程序除了溫度采集、電壓大小轉(zhuǎn)換、PID程序以外還需要設(shè)計(jì)報(bào)警程序以及程序連鎖等系列附加程序，保證設(shè)備安全運(yùn)行。添加的附加程序有：超溫報(bào)警、超絕對(duì)高溫停機(jī)保護(hù)、無水不加熱程序等。這類程序雖然在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)動(dòng)作，但是在各類突發(fā)情況出現(xiàn)時(shí)能直接處理或者安全停機(jī)，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。這些功能的具體程序見附錄。

控制系統(tǒng)仿真及參數(shù)整定

在PID參數(shù)整定中，工程整定法因其固有的優(yōu)點(diǎn)而受到廣大工程技術(shù)人員的歡迎。同時(shí)工程整定法中的穩(wěn)定邊界法由于簡(jiǎn)單易行而仍在廣泛的使用，但是穩(wěn)態(tài)邊界法在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)中還是有其固有的弱點(diǎn)，如在做實(shí)驗(yàn)時(shí)必須把控制系統(tǒng)調(diào)到等幅震蕩，這樣就可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)設(shè)備受到損壞。此時(shí)，我們就想到利用軟件仿真的形式來實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的整定，而MATLAB／Simulink就給我們提供了一個(gè)良好的軟件平臺(tái)。下面我們?cè)贛ATLAB／Simulink仿真環(huán)境下整定水箱溫度PID控制參數(shù)。 常規(guī)的PID參數(shù)整定

根據(jù)PID控制模型，利用 SIMULINK 靈活的非線性設(shè)計(jì)功能，通過對(duì)系統(tǒng)對(duì)象分析及建模分析，綜合實(shí)際情況可建立SIMULINK模型如圖9所示：

根據(jù)傳遞函數(shù)的各項(xiàng)系數(shù)，通過調(diào)節(jié)PID的各個(gè)參數(shù)，得到不同數(shù)組下的曲線并對(duì)比分析。當(dāng)Kp=100 、KI=0.01 、KD=50的時(shí)候運(yùn)行SIMULINK模型，得到仿真曲線圖如圖10所示，得到理想的PID運(yùn)行曲線。

從圖11可以看出系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)有比較小穩(wěn)態(tài)誤差，超調(diào)量為8.2%，在暫態(tài)時(shí)最大超調(diào)量比較大，曲線也比較陡峭，這么長(zhǎng)的調(diào)整時(shí)間要求非常高的控制系統(tǒng)，所以還必須進(jìn)一步調(diào)整控制參數(shù)，以使得系統(tǒng)工作在最佳的控制狀態(tài)，通過多次試驗(yàn)，當(dāng)Kp=50、KI=0.01、KD=50時(shí)得到最佳的控制效果如圖11所示。

在不改變參數(shù)的情況下，給系統(tǒng)加一個(gè)干擾，如圖12所示：

運(yùn)行SIMULINK模型得到相應(yīng)的仿真曲線如圖13所示：

根據(jù)圖常規(guī)PID的抗干擾性測(cè)試看出，本次試驗(yàn)得到的參數(shù)還是比較理想的。經(jīng)過常規(guī)PID的抗干擾測(cè)試，可以看出系統(tǒng)的響應(yīng)曲線基本沒有太大波動(dòng)。

上位機(jī)界面及監(jiān)控

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用MCGS作為上位機(jī)，通過上位機(jī)對(duì)PLC及運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視，監(jiān)視工藝流程及各類參數(shù)，同時(shí)可通過上位機(jī)可直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行操作，上位機(jī)具體界面如圖14。