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工业锅炉温度控制系统设计与实现

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：刘凯莉

[导读] 摘要：在工业生产中，锅炉是使用率非常高的设备之一，其对一次能源的消耗非常大，尤其是对于煤炭资源的消耗，但是目前仍然存在煤质不均一、控制操作不及时等问题，使得燃煤时热效率低，但煤耗率却居高不下，所以如何提高工业锅炉的工作效率是一项亟待解决的问题，为了控制锅炉炉温，文章利用微分演化法通过求解优化问题来确定控制变量。

        山东蓝天锅炉有限公司山东省临沂市 276023
        摘要：在工业生产中，锅炉是使用率非常高的设备之一，其对一次能源的消耗非常大，尤其是对于煤炭资源的消耗，但是目前仍然存在煤质不均一、控制操作不及时等问题，使得燃煤时热效率低，但煤耗率却居高不下，所以如何提高工业锅炉的工作效率是一项亟待解决的问题，为了控制锅炉炉温，文章利用微分演化法通过求解优化问题来确定控制变量。该方法可以通过不断更新的数据来适应时变情况。基于实际数据的实验结果表明，DoAMPC可以控制锅炉炉温，误差小于1.5％，可以满足实际生产过程的要求。鉴于此，本文就工业锅炉温度控制系统设计与实现展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。
        关键词：温度控制；组态软件；热蒸汽
        1.系统方案设计与实现
        1.1硬件系统
        1.1.1系统方案设计
        过程控制系统通常是指工业生产中具有连续生产过程自动控制、由过程检测和控制仪表组成、被控过程多样这些特点的自动控制系统。过程控制的设计方案十分丰富，单回路控制就是其中之一，如图1所示。图1中，W为调节器传函，W为调节阀传函，W为被控过程传函，W为测量变送器传函。

图1 单回路控制流程
从图1可见，该系统只有一个闭环回路，一般是一个对象对另一个对象的调节控制过程，为了防止被控量的参数值不断变化或者该参数值在一个小范围内波动，中间利用传感器对被控量进行调节控制。这种控制系统得结构简洁明了、易于调节，且成本较低方便投入运行，并能满足大部分工业生产的需求，特别适用于纯滞后和惯性小的系统，本系统就采用这种控制方式。综合上述原理和控制方式，可获得本系统设计的控制流程如图2所示。

                            图2 系统控制流程图
        如果测量的实时热蒸汽温度值在设定温度范围内，那么系统处于一种动态平衡状态，水泵的电动阀门就不动。等到过了一段时间炉膛燃料的燃烧温度发生变化，那时工业锅炉的热蒸汽温度也会随之变化，造成了它的实时测量值与设定范围之间产生了一定的偏差，偏差信号送回给智能仪表，经过它的计算、判断后，产生信号，使水泵的电动阀门适当调节开合程度，减少或加大水泵的水流量，直到再次检测到热蒸汽温度值恢复于设定范围中，那么系统就再次回到了特定的平衡状态，水泵电动阀门再次暂停工作[1]。反复此过程即可完成对工业锅炉热蒸汽温度的实时控制。根据上述的控制流程结合经济的角度来看，应该以PLC为主控制器系统，热蒸汽温度的反馈信号经过测量电路A/D转换后，发送到PLC进行处理，将锅炉热蒸汽的实时测量值与设定的范围进行比较，用PID进行调节。在完成一个周期振荡时，如果出现实时测量值对比设定的温度范围超过1℃，用输出信号来控制水泵电动阀门的开合大小，以实现对进水量的控制达到对温度的控制。下位机采用西门子S7-200PLC，这种PLC功能强大，具有可靠性高、维护方便、抗干扰能力强的优点，可以对工业锅炉的热蒸汽温度、炉膛压力等参数进行采集和控制，实现数据及时的采集，采集后的数据可以通过上位机程序进行处理。
        1.1.2 PID参数的整定
        利用经验凑试法，先设定Ti、Td的值为零，把系统当作纯比例调节，将比例系数从小逐渐加大直至能得到响应快、超调小的响应曲线，记录此时的比例系数值；在此基础之上，再加入积分环节，把比例系数调小一些之后，先将TI值设置成一个较大值、再减小积分时间直至系统出现振荡，在从小到大调节直至振荡消失，在此过程中适当地加入比例系数的调节使响应曲线更加令人满意；最后，加入微分环节，使Td从零开始，逐步增大微分系数，同时调节前面两个参数，从而能达到满意的控制效果[2]。
        1.1.3存储模块设计
        存储模块主要由 NOR Flash、SDRAM、NAND Flash 三部分组成。其中，NOR Flash 用来存储系统启动程序和系统内核；SDRAM 是操作系统和应用程序的运行空间；NAND Flash 主要存储采集的数据以及应用程序。在本设计中采用 NOR Flash 存储启动代码、Linux 内核和用户程序，采用 NAND Flash 存储程序运行过程中所需要处理的大量数据。这样，二者的优势都可以得到发挥。SDRAM 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新 (充电)。本系统中为了充分发挥AT9l RM9200的32位数据处理能力，采用两片 HY57V281620 并联构建了一个32位的SDRAM 存储系统，总量为 32MB，能满足嵌入式操作系统及各种相对复杂的算法运行的要求[3]。
        1.2温度控制系统的软件设计
        1.2.1嵌入式linux的设备驱动程序
        设备驱动程序实际是处理和操作硬件控制器的软件。驱动程序是内核的一部分，是操作系统内核与硬件设备的直接接口。1）查看原理图，理解设备的工作原理。2）定义设备号。3）实现初始化函数。在驱动程序中实现驱动的注册和卸载。4）设计所要实现的文件操作，定义file_perations结构。5）实现所需的文件操作调用，如 read、write 等。6）实现中断服务，并用reques_irq向内核注册，中断并不是每个设备驱动所必需的。7）编译该驱动程序到内核中，或者用 insmed 命令加载模块。
        1.2 .2D/A数据转换程序设计
        D/A 数据转换程序在确定手动或自动模式后，决定是从 Socket 共享内存中还是从 D/A 共享内存中读取数据包，D/A 程序流程图如图 3 所示。

             图3 D/A程序流程图
        1.2.3模糊PID控制运算程序设计本文设计的温度控制系统采用模糊 PID 控制算法对检测到的温度数据进行处理，设计好模糊控制器之后，将模糊控制表存入 AT9l RM9200 处理芯片中，然后通过查询模糊控制表得到对应的控制量。
        2.工业锅炉温度控制优化措施
        2.1强度设计
        工业锅炉要想得到更科学的设计，则需要保障设备运行的可靠性，提升锅炉设计的强度。在进行强度设计时，不仅是简单意义上对内部零件的抗压性进行强度能力的计算，更需要对整体受力结构开展强度数值计算。只有这样才可以正确分析锅炉运行中的压力，在负荷运行中保障安全性。对强度进行设计时，需要对受力结构的选材进行严格选择，保障材料荷载在可以控制的范围。在进行材料选择时，需要对材料性能进行科学分析，正确掌握材料在温度变化中呈现的状态以及温度变化对整体强度设计造成的影响，以便对材料强度进行科学计算，以此得知许用应力，为强度设计提供更多的数据支撑[4]。在进行受压元件常规设计时，需要对强度数值进行科学计算，保障强度可以符合工业锅炉运行的总体需求。
        2.2对锅炉管路实施科学规划
        锅炉管路对锅炉的安全性有着重要影响，为此需要对锅炉管路实施科学规划。各种介质都会在锅炉管路中流通以此实现能量的有效转化，要想让锅炉平稳运行，需要对管路进行科学布置，保障设计的合理性。在进行工业锅炉设计时，应该对管路实施有效的规划。在锅炉设计过程中，保障不同结构之间的平滑性，防止应力过于集中而出现管路断裂的問题。同时，在进行结构设计时，也需要保障密封性，做好密封的处理工作[5]。
        2.3焊缝问题
        进行锅炉设计时，也需要关注焊缝问题。在进行锅炉制造时，需要在锅炉筒上进行焊接，就会出现焊缝，同时也会出现焊缝裂纹。但是在进行锅炉设计时，原则是不允许焊缝有裂纹的，以免削弱焊缝强度。要想实施高水准的焊接，需要考虑热影响的因素，做好有效的设计工作。首先，在管孔中心的 1.5 倍区域实施焊接，经过射线检测符合设计需求，并且保障孔边设计的平滑性[6]。其次，实施接头焊接之后，对其进行热处理或者是实施消除应力的技术处理。
        结语
        本文设计的工业锅炉温度控制系统，选用的是组态王组态软件进行上位机的监控，设计出基本的组态王实时监控界面，选用的下位机是西门子的PLC程序，进行编程操作与控制。该系统不但能够实时地操控，还能显示实时报告，如果遇到系统出现故障，或者任何设备仪器出错，都能够发出报警，并留下记录，达到了对锅炉温度的智能监控。
        参考文献
        [1]王健,杨树方. 锅炉减温器故障引发的事故原因及处理[J]. 中国设备工程,2020,(18):131-132.
        [2]林宗虎. 节能减排与工业锅炉技术创新[J]. 工业锅炉,2020,(01):2-4.
        [3]董琨,谭厚章,许鑫玮,王学斌,李永田. 我国工业锅炉技术特点和发展方向[J]. 洁净煤技术,2019,25(S2):1-6.
        [4]韩乐,徐鸿力. 供热工业锅炉节能技术分析[J]. 南方农机,2019,50(03):132+143.
        [5]杨晋芳. 工业燃煤锅炉燃烧优化关键技术探析[J]. 煤质技术,2019,34(01):61-64.
        [6]杨静. 锅炉能耗及排放远程监测系统的研究与实现[D].合肥工业大学,2018.