鍋爐分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的PLC與模糊控制分析

薛 艷

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西 西安710077）

目前，在智能控制技術(shù)中，模糊控制器是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)分項(xiàng)，由于和常規(guī)控制集成化運(yùn)轉(zhuǎn)，所以，具備推理速度快，適應(yīng)能力良好，系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性高，控制精確度突出等優(yōu)勢(shì)，可以切實(shí)解決多種繁雜的問(wèn)題，非常適合非專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，在操作的時(shí)候可以直接省略系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)等過(guò)程，所以更加適用于工業(yè)生產(chǎn)操作，在轉(zhuǎn)化生產(chǎn)力與加快控制技術(shù)應(yīng)用等方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。而且在計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代化控制技術(shù)不斷發(fā)展的影響下，基于PLC的控制系統(tǒng)，以其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，即穩(wěn)定性與可靠性良好，容易擴(kuò)展等，備受鍋爐控制系統(tǒng)青睞，在此領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用[1]。

1 PLC模糊控制算法與系統(tǒng)

1.1 模糊控制系統(tǒng)

PLC模糊控制系統(tǒng)基于輸入接口與輸出接口相銜接，中間位置主要是檢測(cè)裝置、被控對(duì)象與執(zhí)行結(jié)構(gòu)，模糊控制器則發(fā)揮著計(jì)算控制變量、模糊化處理等相關(guān)作用。模糊控制系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖1 可以看出，系統(tǒng)的核心主要是由模糊控制器所構(gòu)成，只有確保模糊控制器性能良好，才能進(jìn)一步帶動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)轉(zhuǎn)。就功能角度而言，模糊化接口、模糊推理機(jī)制、知識(shí)庫(kù)、去模糊化結(jié)構(gòu)等共同組成模糊控制器。其中，模糊化接口的作用是將精確量轉(zhuǎn)變成模糊量。模糊推理是根據(jù)人的思維模式加以設(shè)計(jì)的。知識(shí)庫(kù)包括應(yīng)用范圍的知識(shí)與要求控制目標(biāo)。清晰化接口承擔(dān)的是把模糊量轉(zhuǎn)變成清晰量的任務(wù)，以此配合系統(tǒng)正常有序運(yùn)轉(zhuǎn)。就獨(dú)立輸入變量與輸出變量個(gè)數(shù)為依據(jù)，把模糊控制系統(tǒng)劃分成單變量控制系統(tǒng)與多變量控制系統(tǒng)兩種[2]。

1.2 模糊控制系統(tǒng)算法

在模糊控制整個(gè)運(yùn)算中，模糊化、清晰化、模糊推理構(gòu)成了模糊控制算法。先把輸入量轉(zhuǎn)換成模糊控制需求量，將量值傳輸?shù)较到y(tǒng)需求范圍中，分系統(tǒng)再對(duì)其進(jìn)行模糊處理，并表示成模糊集合，此運(yùn)算過(guò)程就是所謂的模糊化運(yùn)算。模糊控制器以自身所規(guī)劃目標(biāo)為依據(jù)，在知識(shí)庫(kù)中，轉(zhuǎn)換技術(shù)，并對(duì)相關(guān)因子進(jìn)行模糊劃分。模糊推理機(jī)制根據(jù)人的思維模式進(jìn)行推理，依據(jù)模糊邏輯規(guī)則將規(guī)則庫(kù)的IF-THEN轉(zhuǎn)變成映射。經(jīng)過(guò)推理之后，模糊量無(wú)法直接控制對(duì)象，需要先轉(zhuǎn)變成精確量，對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制，此過(guò)程就是清晰化[3]。

2 以PLC和模糊控制為基礎(chǔ)的鍋爐分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

采取大中型PLC 進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但是由于大型系統(tǒng)成本較高，所以選用能夠滿足系統(tǒng)功能要求的S7-300PLC系統(tǒng)，其CPU具備一定的突出優(yōu)勢(shì)，即價(jià)格適中、存儲(chǔ)空間較大，并且運(yùn)算速度非?？欤€具備兩個(gè)通道，有利于構(gòu)建分布式系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況限制，選擇遠(yuǎn)程I/O 單元構(gòu)建分布式系統(tǒng)，利用接口模塊連接主機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架。其中，上煤系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以，選擇S7-200PLC 系統(tǒng)構(gòu)建智能化子站體系，并利用EM277通信模塊與主站進(jìn)行通信[4]。分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架具體如圖2所示。

圖2 分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

2.2 軟件設(shè)計(jì)

鍋爐分布式控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，即上位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要具備基于引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、爐排機(jī)連鎖模式的順序啟停，上煤系統(tǒng)各設(shè)備基于連鎖模式的順序啟停，以及各模擬量采集功能，還需要實(shí)現(xiàn)兩大主要功能，其一，PLC可以就供熱負(fù)載與出水、回水溫差為依據(jù)，以模糊控制理論為載體，對(duì)引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、爐排機(jī)的電機(jī)工作頻率進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模糊控制功能；其二，針對(duì)補(bǔ)水泵選用變頻控制，并利用PID控制器加以調(diào)整，確保循環(huán)泵入口位置管網(wǎng)的壓力保持平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定控制功能[5]。

2.2.1 以模糊控制理論為載體的燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鍋爐燃燒系統(tǒng)屬于典型的多變性與時(shí)變系統(tǒng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不能構(gòu)建準(zhǔn)確傳遞函數(shù)的現(xiàn)象，但是，模糊控制可以切實(shí)解決這一難題，所以，利用二輸入三輸出控制器。就模糊控制解耦特性，把多輸出控制器劃分為多項(xiàng)單輸出控制器，以此分層設(shè)計(jì)。模糊控制包含兩階段，即模糊化與解模糊，把所采集熱負(fù)載、出水與回水溫差作為觀測(cè)量，加以模糊化，依據(jù)偏差所在區(qū)間，進(jìn)行規(guī)則表查詢，獲取各輸出模糊論領(lǐng)域，再與量化因子相乘，便可以獲得變頻器實(shí)際輸出量[6]。

1）模糊化

鍋爐分布式系統(tǒng)以熱負(fù)載、出水、回水溫差、溫差變化率為觀測(cè)量，而引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、爐排機(jī)電機(jī)頻率為輸出量，按照模糊PID控制器的設(shè)計(jì)模式，基于軟件仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，進(jìn)一步確定所輸出和輸入的隸屬度函數(shù)。其中，輸入方面，熱負(fù)載模糊論域?yàn)镕，即NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，分別表征為偏差區(qū)間的負(fù)向大、中、小、零、正向大、中、小；出水和回水溫差模糊論域?yàn)門。而輸出方面，引風(fēng)機(jī)頻率模糊論域?yàn)閅F；鼓風(fēng)機(jī)頻率模糊論域?yàn)镚F；爐排機(jī)頻率模糊論域?yàn)長(zhǎng)P。

2）模糊推理

二輸入三輸出模糊控制，其中輸入論域模糊子集為（F1……Fn；T1……Tn），輸出論域模糊子集 為（YF1……YFn；GF1……GFn；LP1……LPn；）。以引風(fēng)機(jī)頻率為例，控制策略具體如表1所示。

表1 引風(fēng)機(jī)模塊控制規(guī)則

3）解模糊

所謂解模糊其主要目的是把模糊推理出來(lái)的結(jié)果輸出，以此作為實(shí)際變頻器頻率進(jìn)行輸入，利用最大化隸屬度方法。

2.2.2 循環(huán)泵入口位置的管網(wǎng)壓力平衡穩(wěn)定控制

通過(guò)合理利用PLC 的D/A 轉(zhuǎn)換模塊與PID 控制算法，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵入口位置的管網(wǎng)壓力閉環(huán)式嚴(yán)格控制，其中，PLC就管網(wǎng)的壓力標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)際壓力反饋值之間的差異為依據(jù)，對(duì)所需要的頻率值進(jìn)行計(jì)算，并把所計(jì)算值直接輸入變頻器模擬量的輸入口，此時(shí)變頻器應(yīng)據(jù)此適時(shí)改變運(yùn)行頻率，對(duì)補(bǔ)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行適度調(diào)節(jié)，以此促使循環(huán)泵入口位置管網(wǎng)壓力始終保持平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。上位機(jī)控制系統(tǒng)的界面上進(jìn)行了設(shè)置PID 整定三項(xiàng)參數(shù)的界面設(shè)計(jì)，以便于進(jìn)行調(diào)試[7]。系統(tǒng)壓力控制原理具體如圖3所示。

圖3 管網(wǎng)壓力控制模型圖

2.2.3 上位機(jī)控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)軟件選用WinCC V7.0sp3，其具有一定的突出性優(yōu)勢(shì)，首先，具備Windows Vista 風(fēng)格的外觀運(yùn)行界面，視覺(jué)效果良好并十分協(xié)調(diào)。其次，強(qiáng)化了報(bào)警與趨勢(shì)等相關(guān)控件功能，就趨勢(shì)而言，為其增添了數(shù)據(jù)導(dǎo)出按鈕，以便于把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)出成CSV 格式的文件。再次，把SQL Server2005數(shù)據(jù)庫(kù)集成到軟件中，為用戶快速安裝與應(yīng)用提供了很大的便利。最后，此設(shè)計(jì)軟件還可以和Windows防火墻之間有機(jī)配合使用，以此使得系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性得以顯著增強(qiáng)[8]。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是，三臺(tái)鍋爐分別設(shè)置相應(yīng)的操作站，在監(jiān)控室內(nèi)部安設(shè)工程師站。在WinCC 組態(tài)的時(shí)候，操作員站組態(tài)成客戶機(jī)，而工程師站組態(tài)成服務(wù)器，這樣一來(lái)，就在很大程度上縮減了上位機(jī)和下位機(jī)PLC的通訊量，還有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。

其一，先打開(kāi)WinCC 項(xiàng)目，基于服務(wù)器構(gòu)建多用戶類型項(xiàng)目，組態(tài)和畫面密切相聯(lián)的數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行客戶機(jī)注冊(cè)；其二，給客戶機(jī)分配相應(yīng)的操作權(quán)限；其三，導(dǎo)出組態(tài)數(shù)據(jù)包。在WinCC 項(xiàng)目管理器內(nèi)部，選擇服務(wù)器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行創(chuàng)建，再明確數(shù)據(jù)包屬性，然后生成.PCK 類型組態(tài)數(shù)據(jù)包文件；其四，在客戶機(jī)上進(jìn)行用戶名與密碼輸入，打開(kāi)服務(wù)器所構(gòu)建的項(xiàng)目。

另外，在上位機(jī)控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)過(guò)程中，還適當(dāng)增添了報(bào)警與通信測(cè)試等相關(guān)功能，切實(shí)結(jié)合SQL Server2005進(jìn)行了報(bào)表功能科學(xué)合理設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 論

總之，基于S7-300PLC 系統(tǒng)的鍋爐分布式控制系統(tǒng)，合理利用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等等，以保證了鍋爐分布式控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平以及高精確度。此系統(tǒng)具有其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，不僅選用分布式結(jié)構(gòu)，利于系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展，而且穩(wěn)定性和安全性較高，各控制子系統(tǒng)的劃分科學(xué)合理，利于維修養(yǎng)護(hù)，另外在燃燒系統(tǒng)控制中融合模糊控制理論，其控制的精確度與自動(dòng)化水平較高，最重要的是上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控界面的操作十分簡(jiǎn)捷便利。經(jīng)實(shí)踐證明，基于PLC與模糊控制的鍋爐分布式系統(tǒng)投入使用后，其運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、可靠性都非常好。