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摘要：工业锅炉液位控制的任务是通过控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，使汽包水位维持在工艺允许的范围之内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。若水位过高，影响汽水分离的效果；而水位过低则会破环汽水循环，严重时导致锅炉爆炸，为了保证生产安全高效的进行必须严格控制锅炉液位使其保持恒定或按一定规律变化。
关键词：PLC；锅炉液位；控制系统
1系统结构和控制方案
PLCS7-200CPU224作为控制器进行控制,主要是对燃煤锅炉进行控制,包括风机、给煤机的开关,根据液位变化对进出水口阀门的控制,根据锅炉内温度变化进行自动控制,利用PLC中所带有的PID调节器进行调节,以控制锅炉内的温度,再利用远程传输的功能,可以在用户处装上温度传感器,将其温度转成标准信号传到PLC主机上,观测到的温度根据需要进行调节,提高或降低锅炉的温度,直接控制传到用户的温度。在锅炉内装有压力传感器,这是十分必要的,如果压力过高,可能会降低锅炉的寿命,甚至发生危险,所以一定要控制压力,当压力超过一定的数值,需报警,并迅速进行处理,降低锅炉内的压力,以免发生危险。根据系统的要求,选取西门子PLCS7-200CPU224作为控制核心,同时还扩展了2个EM231模拟量输入模块、1个EM223数字量输入模块和1个CP243-1以太网模块。CPU224的I/O点数是14/10。
所以要扩展1个EM223的数字量输入/输出模块,它的I/O点数是16/16,作用是提供附加的输入、输出点,这样完全可以满足系统的要求。同时,选用了EM231模块,它是AD转换模块,具有4个模拟量输入,12位AD,其采样速度25μs,温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧检测传感器的输出信号经过调理和放大处理后,成为0～5V的标准信号,EM231模块自动完成AD转换。PLC通过检测温度、水位、压力、流量和气体中的含氧量给出控制信号控制燃烧机、真空泵、给媒机、电磁阀等输出设备。为实现人机对话功能,如系统状态以及变量图形显示、参数修改等,还扩展了一块TD200触摸显示屏,操作控制简单、方便,可用于设置系统参数,显示锅炉温度等。还有一个以太网模块CP243-1,其作用是可以让S7-200直接连入以太网,通过以太网进行远距离交换数据,与其他的S7-200进行数据传输,通信基于TCP/IP,安装方便、简单。
2被控对象数学模型的建立
建立控制系统数学模型的主要工作之一是确定被控对象的数学模型。建立过程控制数学模型的基本方法，一般来说有机理分析法和试验法两种。然而对于结构及内部工艺过程复杂的被控对象而言，由对象内部发生的物理过程确定对象及系统的微分方程十分困难。此外实际工业过程多半有非线性因素，采用机理分析法进行数学推导时常常作一些近似与假设，虽然这些近似和假设具有一定的实际依据，但不能完全反应实际情况，甚至会带来估计不到的影响。
因此本次设计使用实验法建立被控对象的数学模型。实验法建模就是在实际的生产过程中，根据过程输入、输出的数据，即通过过程辨识与参数估计的方法建立被控对象的数学模型。设计中使用阶跃响应曲线法来辨识过程的数学模型。给被控对象施加一个20Hz的阶跃扰动输入信号，而在输出端测绘其输出量随时间变化的响应曲线，再对响应曲线的结果进行分析，确定被控对象的传递函数。
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图1 示例图
在试验过程中对被控对象进行了多次测试，使用RSLogix5000趋势曲线监控功能，记录了10多条被控对象阶跃响应曲线，对所有参数取平均值得：稳态时间ts≈821.525s，稳态值：h(∞)=58.5，峰值时间：tp=394.4s，超调量：σ%≈29%。按照理论分析，被控对象最有可能是二阶环节。但是，理想二阶被控对象阶跃响应曲线与实际曲线相差太大，并不能反映被控对象的实际特性，所以推测被控对象可能为含有零点的二阶被控对象，采用凑试法，使用MATLAB作为仿真工具，得到一条参数接近被控对象响应曲线动态参数平均值的曲线，如图1所示：
G(s)=0.038(s+0.0025)(s+0.005)(s+0.0085)
在调节过程中按照如下规则进行调整：(1)零点距虚轴较近，调节时间加长，超调量增大和减小峰值时间，这种作用随闭环零点接近虚轴而加剧。(2)闭环主导极点对动态性能的影响是增大峰值时间，但可减小系统的超调量和调节时间；因为被控对象的复杂性和不确定性，所以采用非参数模型描述被控对象，即用阶跃响应曲线近似描述被控对象。
3模糊自适应PID控制程序设计的关键技术
3.1主程序设计
PLC是按照巡回扫描方式工作的，它只是在程序的末尾或开头与外设进行信息交换，而闭环控制系统是按照香农定理确定采样周期的，这个采样周期与PLC的巡回扫描周期不可能一致。为了能够进行定时采样，或者说在PLC的巡回扫描周期内能进行输入输出信息交换，必须采用中断方式进行处理。
本系统采用间隔定时器中断方式，将间隔定时器置于主程序中，用于采样定时，即将定时器的定时时间设置为采样周期；中断处理程序中，完成数据采集、A/D与D/A转换、数字滤波、偏差与偏差变化率的运算、查表以及控制量的计算等功能。系统启动后，间隔定时器开始计时，达到设定时间（采样周期），中断主程序，执行中断处理程序。同时，定时器当前值回到设定值开始递减计时，重复上述过程，实现按照采样周期进行数据的采集和处理。
3.2数字滤波程序的设计
本系统采用平均值滤波法。首先，依据精度要求，选取若干个数据存储单元，用于存放A/D转换数据；其次，按照FIFO原则，建立一个堆栈结构；最后，将经过A/D转换的数据按顺序依次存放到存储单元中，求取平均值作为当前采样值。
3.3查表程序的设计
模糊自整定PID控制器三个输出参数的模糊控制表是事先通过离线计算得出，并作为子程序在控制程序中随时调用。实时控制时，在某个采样周期得到偏差和偏差变化率值,将它们变换成离散量之后，查询相应的模糊控制表得出PID参数修正值的离散量,再将这些离散量通过精确化处理,得到该周期PID参数的修正值△Kp、△Ki和△Kd，最后加上初始值得到该周期PID控制的三个控制参数。实现组态的主要工作在于建立液位控制组对象和制作动画显示画面。控制组对象包括进水流量、出水流量和锅炉液位的数值型对象。建立动画连接时在用户窗口调用基本图形元素及动画构件库,建构组态图。
将图形对象与定义的数据对象设置对应的状态属性，定义动画连接。在开发系统设计完成后，可以切换到运行模式，对控制系统进行实时监控,测试组态。
4 结论
综上所述，集中供热系统简化了系统,提高了设备的可靠性和稳定性,同时也大幅地提高了燃烧能的热效率。通过操作面板修改系统参数可以满足不同的工况要求,机组的各种信息,如工作状态、故障情况等可以声光报警及文字形式表示出来,主要控制参数(温度值)的实时变化情况以趋势图的形式记录显示,方便了设备的操作和维护。该系统通用性好、扩展性强,直观易操作。
参考文献:
[1]张世臣.西门子S7-400H在热电厂自动控制系统中的应用[J].自动化仪表,2004,25(6):41-42.