基于PID 實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐循環(huán)泵的智能控制

李霍生

（山西省煤炭地質(zhì)144 勘查院， 山西 洪洞 041600）

引言

為保證鍋爐供熱的穩(wěn)定性，降低供熱成本，需對(duì)其關(guān)鍵部件包括循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行合理控制。從理論上看，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐循環(huán)泵的PID 控制，對(duì)于確保循環(huán)泵處于最佳工作狀態(tài)，保證其運(yùn)行和燃煤效率，同時(shí)改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理具有重要意義[1]。本文將重點(diǎn)基于PID 實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐循環(huán)泵的智能化控制，最終達(dá)到節(jié)約能源、減少污染的目的。

1 鍋爐循環(huán)泵恒速控制現(xiàn)狀分析

目前，鍋爐循環(huán)泵主要采用恒定速度進(jìn)行控制，在實(shí)際生產(chǎn)中主要控制路徑為通過(guò)對(duì)循環(huán)泵出水管路上調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐流量和壓力控制。經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用，采用上述恒速控制主要存在如下問(wèn)題：

1）在實(shí)際生產(chǎn)中，需根據(jù)供暖參數(shù)不間斷地通過(guò)調(diào)節(jié)閥對(duì)流量和壓力進(jìn)行控制，這便導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)，且調(diào)節(jié)閥經(jīng)常出現(xiàn)卡死、泄露流量甚至損害的情況，從而影響供暖效率和穩(wěn)定性。

2）循環(huán)泵在恒速條件下運(yùn)行，不僅供熱效率低，還會(huì)造成能源浪費(fèi)。同時(shí)，循環(huán)泵長(zhǎng)期處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，加劇了循環(huán)泵零部件的磨損，從而降低鍋爐的整體使用壽命。

3）目前，循環(huán)泵主要通過(guò)人工根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，在整個(gè)控制過(guò)程中表現(xiàn)為控制的滯后性、不穩(wěn)定性以及低自動(dòng)化水平[2]。

2 循環(huán)泵變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 變頻器控制原理

變頻調(diào)速系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵智能控制的主要環(huán)節(jié)。所謂變頻調(diào)速指的是，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際需求對(duì)循環(huán)泵電機(jī)轉(zhuǎn)速/頻率進(jìn)行控制，從而達(dá)到預(yù)期的控制效果。該控制方式最明顯的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行，即當(dāng)需要增加供暖流量時(shí)，循環(huán)泵電機(jī)轉(zhuǎn)速/頻率增加實(shí)現(xiàn)循環(huán)流量的增加；當(dāng)需要減小供暖流量時(shí)，降低循環(huán)電機(jī)的轉(zhuǎn)速/頻率；同時(shí)，變頻調(diào)速控制方式還能夠有效解決系統(tǒng)在啟動(dòng)階段對(duì)電機(jī)造成的沖擊問(wèn)題[3]。

上述循環(huán)泵變頻控制的主要依據(jù)是用戶所需的熱量。當(dāng)用戶所需熱量不足時(shí)，應(yīng)通過(guò)變頻器增加流量的方式進(jìn)行控制；當(dāng)用戶所需熱量過(guò)剩時(shí)，應(yīng)通過(guò)變頻器控制減小流量。

2.2 變頻器的選型

一般的，變頻器主要根據(jù)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類包括交-交變頻器和交-直-交變頻器。目前，工業(yè)中常用的變頻器為交-直-交變頻器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，交-直-交變頻器主要由整流器、逆變器、中間直流環(huán)節(jié)和控制電路組成。結(jié)合循環(huán)泵的實(shí)際工況包括負(fù)載類型、控制任務(wù)、電機(jī)額定功率及電流等原則對(duì)適用于循環(huán)泵的變頻器進(jìn)行選型。

綜合對(duì)比目前市場(chǎng)上各型號(hào)變頻器，本工程最終確定選用型號(hào)為MM430 的變頻器。該型號(hào)變頻器可支持額定功率為7.5～250 kW 的電機(jī)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)泵電機(jī)的分級(jí)控制、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制等功能[4]。

3 循環(huán)泵智能控制功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 循環(huán)泵智能控制原理

在傳統(tǒng)循環(huán)泵系統(tǒng)加入上述變頻器的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)泵實(shí)時(shí)、自動(dòng)化、精確控制，具體基于PLC控制器并結(jié)合模糊PID 控制算法進(jìn)行控制，具體控制原理如圖2 所示。

如圖2 所示，基于PLC 和模糊PID 控制算法對(duì)循環(huán)泵流量控制的主要依據(jù)為管路內(nèi)的供水溫度和回水溫度、室外溫度，上述三類溫度值均通過(guò)溫度變送器進(jìn)行采集。具體控制原理如下：用戶室內(nèi)溫度根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一般設(shè)定為20 ℃（即供水溫度一般為恒定值），根據(jù)室外的實(shí)時(shí)溫度值經(jīng)過(guò)查表得出最佳供回水溫度差；并結(jié)合所采集到回水管路的實(shí)時(shí)溫度對(duì)回收流量進(jìn)行控制，以保證供回水溫度差滿足當(dāng)前的室外溫度下的要求。

圖2 循環(huán)泵模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

值得注意的是，由于供暖管路中存在一定的管路阻力，本工程中的變頻器需設(shè)定一個(gè)下限值，以保證循環(huán)泵的最低轉(zhuǎn)速保證管路阻力，從而有效避免鍋爐爆炸或者管路爆裂的事故發(fā)生。此外，根據(jù)循環(huán)泵的工況，設(shè)定變頻器的上限值為50 Hz。

3.2 模糊控制參數(shù)的確定

模糊控制算法應(yīng)用于對(duì)循環(huán)泵控制的關(guān)鍵在于算法中的修正值。結(jié)合循環(huán)泵的工作情況和模糊PID控制算法的原理，設(shè)計(jì)如圖3 所示的流程對(duì)模糊PID算法中的修正值進(jìn)行確定。

基于如圖3 所示的程序，最終確定模糊PID 算法中積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.03，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.174，比例積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.005 4。

圖3 模糊PID 算法修正程序流程

3.3 智能控制系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

將上述結(jié)合循環(huán)泵工況確定模糊PID 控制器中各個(gè)環(huán)節(jié)的因數(shù)應(yīng)用于循環(huán)泵的智能控制中，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用循環(huán)泵基于PID 和PLC 控制器實(shí)現(xiàn)的智能控制，其效應(yīng)主要表現(xiàn)為：提升鍋爐的供熱效率，提高循環(huán)泵自動(dòng)化控制水平，降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；基于智能化控制后循環(huán)泵的耗能明顯減小，對(duì)循環(huán)泵零部件的損耗減小，間接節(jié)約了循環(huán)泵的運(yùn)行成本[5]。

經(jīng)實(shí)踐表明，循環(huán)泵采用智能化控制與傳統(tǒng)采用恒速控制相比，每臺(tái)循環(huán)泵每天節(jié)約電能430 kWh，在供暖期的190 d 內(nèi)共節(jié)約電能為8.1 萬(wàn)kWh，電費(fèi)按照0.5 元/kWh 計(jì)算，單臺(tái)循環(huán)泵在整個(gè)供暖期共節(jié)約費(fèi)用約4 萬(wàn)元。對(duì)于大型供熱公司，可節(jié)約將近百萬(wàn)元的費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

循環(huán)泵作為燃煤供熱鍋爐的主要部件，傳統(tǒng)循環(huán)泵采用恒速控制，存在能耗大、零部件損耗大以及控制存在嚴(yán)重滯后性的問(wèn)題。為進(jìn)一步提升供熱效率，降低供熱成本，基于PLC 和模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐循環(huán)泵的智能化控制。實(shí)踐表明，鍋爐循環(huán)泵采用智能化控制方式具有明顯的節(jié)能效果，每臺(tái)循環(huán)泵在供暖期內(nèi)可節(jié)約電費(fèi)4 萬(wàn)元。