基于PID算法的工業(yè)爐自動(dòng)化控制與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)

同劍飛

(西安外事學(xué)院,陜西 西安 710077)

作為壓力容器，工業(yè)爐是一種涉及生命財(cái)產(chǎn)安全的高危特種設(shè)備。工業(yè)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)與其生產(chǎn)運(yùn)行息息相關(guān)，所以系統(tǒng)必須具備較高容錯(cuò)能力與可靠性。而有效提升系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵在于冗余容錯(cuò)技術(shù)，怎樣將此技術(shù)引進(jìn)工業(yè)爐控制系統(tǒng)，并防止癱瘓與崩潰，以提高鍋爐運(yùn)行操作可靠性值得深入探究[1]。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速更新發(fā)展，其逐漸可實(shí)現(xiàn)物物、人物之間的信息鏈接、處理、實(shí)踐應(yīng)用。而工業(yè)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力與遠(yuǎn)程監(jiān)管效率較差問題的解決路徑主要體現(xiàn)于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)爐控制系統(tǒng)可獲取實(shí)時(shí)運(yùn)行與生產(chǎn)安全等數(shù)據(jù)，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可迅速及時(shí)通過各種不同形式傳輸數(shù)據(jù)于服務(wù)器，促使獨(dú)立部分之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[2]。于傳統(tǒng)工業(yè)爐控制領(lǐng)域中引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建工業(yè)爐管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與管理密切關(guān)聯(lián)，可集成工業(yè)爐高效、安全、節(jié)能、環(huán)保一體化，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐生產(chǎn)運(yùn)行與能耗全過程監(jiān)督管理。

1 工業(yè)爐自動(dòng)化控制與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

工業(yè)爐自動(dòng)化控制與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某爐房A、B工業(yè)爐與除氧器全部熱工參量，嚴(yán)格控制水位、爐膛與負(fù)壓[3]。工業(yè)爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排、給煤機(jī)、除氧器部分給水泵、出水泵基于變頻器加以控制，而給水、減溫水、除氧水位則基于調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)控。

系統(tǒng)參數(shù)具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

工業(yè)爐自動(dòng)化控制與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)[4]具體如圖1所示，主要?jiǎng)澐譃楣芾砑?jí)、操作級(jí)、控制級(jí)，其中管理級(jí)服務(wù)器的主要作用是儲(chǔ)存與發(fā)布系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，廠長(zhǎng)客戶機(jī)以瀏覽器可實(shí)時(shí)查詢?yōu)g覽工業(yè)爐運(yùn)行狀況；操作級(jí)負(fù)責(zé)監(jiān)控與操作工業(yè)爐現(xiàn)場(chǎng)；控制級(jí)控制站基于PLC構(gòu)成，作用是控制工業(yè)爐與除氧器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 上位機(jī)監(jiān)控服務(wù)器

上位機(jī)監(jiān)控服務(wù)器基于WinCC組態(tài)軟件平臺(tái)構(gòu)建，以軟件多元化功能、實(shí)時(shí)性與開放性較好、其他設(shè)備通信便捷等優(yōu)勢(shì)，得以在工業(yè)過程控制與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)廣泛應(yīng)用[5]。

1.2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控服務(wù)器主要包含流程圖、數(shù)據(jù)表、總操作窗、系統(tǒng)管理四項(xiàng)功能。工業(yè)爐流程圖動(dòng)態(tài)化呈現(xiàn)工業(yè)爐具體運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、水位曲線；除氧器流程圖則主要展示自身運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、水位柱圖。工業(yè)爐局部數(shù)據(jù)表呈現(xiàn)工業(yè)爐運(yùn)行全部參數(shù)與水流量、蒸汽流量、減溫水流量的累計(jì)量；公共部分?jǐn)?shù)據(jù)表則展示除氧器運(yùn)行全部參數(shù)與給煤量累計(jì)量；變頻器數(shù)據(jù)表體現(xiàn)全部變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行時(shí)間與耗電量累計(jì)量?？偛僮鞔俺尸F(xiàn)工業(yè)爐與除氧器測(cè)點(diǎn)，控制閥與變頻器操作窗、實(shí)時(shí)曲線窗口，曲線窗口可添加總操作窗中任何測(cè)點(diǎn)，以便于操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。系統(tǒng)管理包含測(cè)點(diǎn)量綱設(shè)置、報(bào)警連鎖設(shè)置、控制參數(shù)設(shè)置、清零與復(fù)位窗口、退出系統(tǒng)等多項(xiàng)功能，可設(shè)置并維護(hù)工人，可確保工業(yè)爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.2 參數(shù)設(shè)置功能設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)管理各項(xiàng)功能，在工業(yè)爐投入運(yùn)行之前，需要針對(duì)其相關(guān)參數(shù)加以科學(xué)設(shè)置，從而保障工業(yè)爐運(yùn)行可靠性[6]。

1.2.3 冗余服務(wù)器設(shè)置功能設(shè)計(jì)

工業(yè)爐自動(dòng)化控制與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)服務(wù)器在與PLC直接通信時(shí)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、設(shè)定關(guān)鍵參數(shù)、下達(dá)控制指令，而與客戶機(jī)實(shí)時(shí)通訊時(shí)，則可在線控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示。若服務(wù)器出現(xiàn)故障，控制級(jí)不能運(yùn)行時(shí)，便會(huì)造成整個(gè)工業(yè)爐生產(chǎn)過程崩潰。為此，需適度增加生產(chǎn)過程可靠性，于控制級(jí)內(nèi)增添冗余服務(wù)器。

1.3 下位機(jī)PLC

基于工程分析，工業(yè)爐需分別配置29個(gè)AI、1個(gè)DI監(jiān)測(cè)點(diǎn)與6個(gè)AO、3個(gè)DO控制點(diǎn)，除氧器則需配置11個(gè)AI、3個(gè)DI監(jiān)測(cè)點(diǎn)與2個(gè)AO、2個(gè)DO控制點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)與控制點(diǎn)過多，在對(duì)比粉筆之后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以PLC為載體，通過Step7軟件編程。

1.3.1 硬件配置

PLC屬于模塊化設(shè)計(jì)，包含導(dǎo)軌與多模塊(CPU、輸入/輸出、通信、電源)。選擇PLC型號(hào)后，需就控制需求配置相適應(yīng)的CPU、AI/AO、DI/DO。A爐與B爐硬件配置相同，同時(shí)還配置了PLC與PLC、變頻器間的網(wǎng)絡(luò)，以促使彼此實(shí)時(shí)通信[7]。

1.3.2 程序設(shè)計(jì)

復(fù)雜工業(yè)爐生產(chǎn)過程或者大規(guī)模分散被控對(duì)象，總能將其分解成若干子過程，此理念也可用于此次系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)劃分為若干主站，各主站可由CPU程序組成，而CPU程序則是由多個(gè)邏輯塊與數(shù)據(jù)塊構(gòu)成，邏輯塊的功能塊分別對(duì)應(yīng)控制子過程。此模塊化理念在程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，有利于進(jìn)行結(jié)構(gòu)化程序編寫，以此可簡(jiǎn)潔明了應(yīng)用程序，還可實(shí)時(shí)測(cè)試與維護(hù)程序。

系統(tǒng)PLC以結(jié)構(gòu)化編程，程序模塊由三部分構(gòu)成，即組織塊OB、功能塊FB/FC、數(shù)據(jù)塊DB。通過結(jié)構(gòu)化編程劃分控制任務(wù)為多獨(dú)立，可重復(fù)調(diào)取，且獨(dú)具個(gè)體功能的子控制任務(wù)，同時(shí)編寫于程序塊內(nèi)[8]。

基于A爐控制程序進(jìn)行局部程序塊功能分配。OB1為主循環(huán)程序，可調(diào)取子程序；OB35為中斷程序，可調(diào)取控制回路與累計(jì)量計(jì)算子程序；FC2為信號(hào)采樣程序，可轉(zhuǎn)換修正信號(hào)；FC3報(bào)警連鎖程序，可確保工業(yè)爐運(yùn)行安全性與可靠性；FC4為累計(jì)量計(jì)算程序，可計(jì)算流量與時(shí)間；FC5為變頻控制程序，可調(diào)取變頻控制子程序；FC7為變頻信號(hào)采樣程序，可修正轉(zhuǎn)換變頻信號(hào)；FC11-18為采樣子程序；FC21-25為控制算法子程序；FC31-36為控制回路程序；FC41-44為變頻控制子程序。

主循環(huán)程序流程具體如圖2所示。

圖2 主循環(huán)程序流程示意圖

中斷程度流程具體如圖3所示。

圖3 中斷程序流程示意圖

1.3.3 控制回路

工業(yè)爐自動(dòng)化控制與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)由水位控制回路、減溫水控制回路、鼓風(fēng)控制回路、負(fù)壓控制回路、爐排控制回路、給煤控制回路構(gòu)成。其中，水位控制回路，汽包水位與蒸汽流量、給水流量息息相關(guān)，并且水位控制具有一定滯后性，水位自動(dòng)控制以三沖量加以控制[9]。被控主信號(hào)實(shí)際上是水位差壓變送器輸出信號(hào)，而前饋信號(hào)則基于蒸汽流量和給水流量之間的動(dòng)態(tài)性持衡得以實(shí)現(xiàn)；負(fù)壓控制回路，嚴(yán)格控制工業(yè)爐燃燒系統(tǒng)運(yùn)行處于微負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，可確保生產(chǎn)安全性與穩(wěn)定性，還可實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。而科學(xué)合理控制引風(fēng)，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐負(fù)壓控制，技術(shù)關(guān)鍵是有效解決引風(fēng)和送風(fēng)之間的高強(qiáng)度耦合，對(duì)此應(yīng)以送風(fēng)控制指令當(dāng)作回路前饋，也就是在調(diào)整送風(fēng)的時(shí)候，在爐膛負(fù)壓尚未變化時(shí)，便直接進(jìn)行引風(fēng)量調(diào)整。

1.3.4 控制算法

給定值：定義給定值為線性方程，則

SV=EI+F

(1)

式中：E為給定系數(shù)，可就實(shí)際需求明確，在給定值為恒定值F時(shí)，可以設(shè)定E為0；I為給定參數(shù)通道號(hào)，在E為0時(shí)，X值將無法發(fā)揮作用；F為隨動(dòng)方式下為偏置值，可就實(shí)際需求設(shè)置。

測(cè)量值：定義測(cè)量值為線性方程，則

PV=EI+F

(2)

式中：E為測(cè)量系數(shù)，可就實(shí)際需求明確，與分流器、乘除器作用相類似；I為被控參數(shù)通道號(hào)；F為偏置值，可就實(shí)際需要設(shè)定。

前饋量：各控制回路最多可以設(shè)定兩個(gè)前饋量，其中G1為線性前饋；G2為增量前饋，則

G1=EI+FJ+K

(3)

式中：E、F為參數(shù)通道號(hào)；K為偏置值；E、F為前饋系數(shù)，需就實(shí)際作用明確數(shù)值與正負(fù)。

PID運(yùn)算：PID控制器實(shí)際上就是以過去、現(xiàn)在、未來之間的偏差信息為基礎(chǔ)，加以分析與處理的算法結(jié)構(gòu)，離散化方程則表示為

ΔUm=KpΔem+K1em+Ka(Δem-Δem-1)

(4)

單回路PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[10]具體如圖4所示。

圖4 單回路PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

正反作用：若D/A輸出信號(hào)有所增加，被控測(cè)量值也隨之增加，則表現(xiàn)為正作用，ACT為1；若D/A輸出信號(hào)有所增加，而被控測(cè)量值卻明顯減少，則呈現(xiàn)為反作用，ACT為-1。

平滑系數(shù)：負(fù)責(zé)去除測(cè)量值干擾，將控制回路當(dāng)作周期采集測(cè)量值，則：

SV=SVN-1×L+SVN×(1-L)

(5)

式中：L取值為[0，1)，若未出現(xiàn)波動(dòng)則取0，波動(dòng)越大則取值相對(duì)越大。

輸出高限與低限：控制機(jī)構(gòu)可實(shí)時(shí)調(diào)整范圍上下限值。由控制理論要求來講，需嚴(yán)格計(jì)算獲取控制輸出值，傳輸于控制機(jī)構(gòu)，才可獲得有效控制效果。若輸出值受限于范圍、步長(zhǎng)、死區(qū)，那么勢(shì)必會(huì)對(duì)控制效果造成直接性影響。所以在工藝允許范圍內(nèi)，高限應(yīng)盡量大，而低限應(yīng)盡量小，以此擴(kuò)大可控范圍。

輸出死區(qū)：在死區(qū)中，D/A盡管可輸出，但是執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，其并非由控制機(jī)構(gòu)間隙與不靈敏等導(dǎo)致的固有死區(qū)，而是基于控制或者工藝所需人為設(shè)置死區(qū)。所以輸出死區(qū)應(yīng)在固有死區(qū)與輸出步長(zhǎng)之間進(jìn)行合理選擇。

輸出步長(zhǎng)：各控制周期之內(nèi)最大輸出增量，也就是每次允許執(zhí)行結(jié)構(gòu)最大變化范圍。輸出步長(zhǎng)雖然不受限制，具有無窮性，但是閥位變化盡量有所控制，以滿足操作平穩(wěn)要求，并保護(hù)幅值過大的干擾信號(hào)。輸出步長(zhǎng)應(yīng)就現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況全面兼顧，在工藝允許條件下，盡量大，以利于控制。

偏差死區(qū)：評(píng)估回路是否執(zhí)行控制運(yùn)算最小偏差值。在偏差值DB<|PV-SV|的情況下，計(jì)算機(jī)加以控制，相反不響應(yīng)，但是盡管DB<|PV-SV|，通過控制運(yùn)算結(jié)果如ΔV

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

工業(yè)爐自動(dòng)化控制與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)以B/S結(jié)構(gòu)為載體，集成了客戶端，核心系統(tǒng)功能附于服務(wù)器，使得系統(tǒng)開發(fā)更為便捷容易，便于系統(tǒng)維護(hù)與用戶使用。客戶機(jī)則安裝瀏覽器即可，于服務(wù)器中安裝SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。Web Server可實(shí)現(xiàn)瀏覽器與數(shù)據(jù)庫(kù)間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，而B/S最為突出的優(yōu)勢(shì)在于不需要安裝軟件，于任何可聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)或設(shè)備中均可開展操作。而客戶端不需要進(jìn)行特殊安裝，不需要定期維護(hù)，具備較強(qiáng)可擴(kuò)展性。

基于B/S架構(gòu)，系統(tǒng)以ASP.NET為開發(fā)語(yǔ)言，以Microsoft的Visual Studio為開發(fā)環(huán)境。只需處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，隨時(shí)隨地均可通過瀏覽器進(jìn)入系統(tǒng)網(wǎng)站，輸入正確用戶名與密碼便可成功登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)登錄界面具體如圖5所示。

圖5 登錄界面示意圖

3 結(jié) 論

綜上所述，本文以PID控制算法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了工業(yè)爐自動(dòng)化控制與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)，并基于某工業(yè)爐系統(tǒng)改造項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)際分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性、可靠性良好，且使用便捷，其中冗余服務(wù)器熱備可防止服務(wù)器故障造成的系統(tǒng)崩潰；可實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐自動(dòng)化控制，且可靠性較高，各控制回路可自動(dòng)控制，在確保工業(yè)爐正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，有效減少了工人手動(dòng)操作，使得工作效率與鍋爐安全性得以提升；可實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐遠(yuǎn)程監(jiān)管，提升了整體運(yùn)行管理水平，管理人員可基于系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)爐運(yùn)行狀況，還可進(jìn)行能效分析與績(jī)效統(tǒng)計(jì)，有利于遠(yuǎn)程指導(dǎo)與適度調(diào)整。