摘要：锅炉蒸汽温度的稳定性对电厂的运行至关重要，温度过高或过低将直接影响电厂机组的经济性和安全性。但是传统的锅炉蒸汽温度控制系统具有大惯性、纯延迟、多变量、时变性控制困难等特点，因此，很难用传统的温度控制系统将温度控制在允许的偏差范围内。本文针对传统锅炉蒸汽温度控制系统存在稳定性差、响应时间慢等缺点，提出了一种新的以PLC为控制核心，结合变论域模糊PID控制方法的温度控制系统，利用变论域思想提高模糊推理的精度，并利用模糊推理的方法实现PID参数的在线整定。阐述了温度控制系统的软硬设计方案，分别介绍了PLC、输入/输出模块、温度传感器、压力传感器的选择，详细介绍了系统的温度控制原理、PID控制原理、变论域模糊PID控制原理。该锅炉蒸汽温度控制系统具有调节时问短、控制精度高、抗干扰能力强，振荡周期短，而且系统的静、动态特性都较好等特点，对工业过程温度控制具有现实意义。
关键词：锅炉蒸汽温度；PLC；PID控制；温度控制；模糊控制；
引言
近年来，在火力发电、冶金、机械等行业中，智能化、自适应、参数自控制的温度控制系统应用越来越广泛，其中锅炉过热蒸汽温度是电厂生产运行中的一个非常重要的监控和控制参数。如果蒸汽温度过高会降低汽轮机有关部件机械强度，会导致设备因为温度过高产生变形而被损坏；若主蒸汽温度过低，会使机组热效率降低、增大功耗率，容易造成湿度过大，腐蚀设备；若其温度变化过大会危机机组的安全运行，因此，必须把锅炉蒸汽温度控制在设定的一定范围内。影响过热蒸汽温度的因素很多，这增加了锅炉蒸汽温度的控制难度。常规的锅炉温度控制系统普遍存在控制困难、延迟性、准确度不够等问题，本文针对电厂锅炉蒸汽温度控制的需要，优化了传统锅炉温度控制系统的性能。
本文设计的锅炉蒸汽温度控制系统是针对哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造的超临界参数本生直流锅炉的蒸汽温度的控制，该锅炉型号HG2100/25.4-HM11型，锅炉大板梁标高127米，炉膛断面尺寸21.2273m×21.2273m，最大连续蒸发量2100t/h，过热器蒸汽出口温度571℃，再热器蒸汽出口温度569℃，积水温度283.3℃，以过热器出口的蒸汽温度为被控参数。根据此锅炉蒸汽温度的控制需要来选择合适的温度传感器和压力控制器，以PLC作为系统的控制核心单元，利用变论域模糊PID控制方法对蒸汽温度进行控制，实现了对传统锅炉蒸汽温度控制系统的性能优化。
1系统原理介绍
1.1 温度控制系统原理
温度控制系统的基本测量原理是温度传感器将采集到的锅炉蒸汽温度信号转化为电压信号，电压信号送入模拟量输入模块EM2335，模拟信号经过EM235转化为数字信号传入到PLC控制器，通过PLC控制器中的PID模块进行变论域模糊PID调节控制，通过控制固态继电器来调节锅炉的加热装置，进而完成对锅炉蒸汽温度的控制。锅炉蒸汽温度控制系统原理框图如图1所示，其中SP为温度设定值，PV为温度反馈值。
图1锅炉蒸汽温度控制系统原理框图
1.2系统PID控制原理
本次性能优化设计的锅炉蒸汽温度控制系统，运用PID对温度控制器进行控制。PID的控制原理框图如图2所示，系统框图由被控制对象及PID控制器组成。
图2 PID控制系统原理框图
PID的控制原理是利用PID控制器进行系统控制，PID控制器是一种线性的控制器，它由给定值r(t）与实际输出值c（t）构成偏差：
（1）
将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制器。具体的公式为：
（2）
进过转化后的传递函数为：
（3）
其中
为比例系数，
为积分时间常数，
为微分时间常数。
PID控制器对系统的稳定性、响应速度、稳态精度、超调量等多个方面进行控制，具体每个参数的作用如下：
（1）比例系数
调节作用：能够使系统的偏差按比例反映出来，即在系统出现偏差时立即产生作用。比例系数越大，系统调节的速度越快，但是系数过大会影响系统的稳定性，因此，需要根据系统的实际需要设定系数。比例系数对系统动态特性产生的影响包括：比例控制参数加大使系统动作灵敏，运转速度变快，
越大，振荡次数变多，调节时间也相应的变长。当
过大时，系统会不稳定，当
过小时，系统会运行缓慢。比例系数对静态特性产生的影响包括：系统相对稳定的情况下，比例参数
变大，稳态误差就会减少，进而可以提高系统准确度。
（2）积分常数
调节作用：可以消除系统的稳态误差。当系统产生误差，积分就会起调节作用，积分作用大小由积分常数
决定且与之成反比。但同时系统中加入积分环节会使系统稳定性下降，动态响应变慢。所以积分作用通常是与另两种调节环节相结合，共同组成PID调节器。积分常数
过小会使系统不稳定，甚至会出现振荡，当
过大的时候，积分的作用也很小，稳态误差也就不会减少了。因此，只有当
合适的时候才能确保积分可以降低系统的稳态误差同时也能提高系统的精度。
（3）微分常数
调节作用：微分作用能够预见偏差变化的趋势，能产生超前的控制作用，可以反映系统偏差信号的变化率。微分调节作用可以消除未形成的偏差，可以改善系统的动态性能。在微分常数
选择合适情况下，能够减少超调量，减少调节时间。但是同时微分作用对噪声干扰有放大作用，过强的微分调节，对系统抗干扰不利。除此之外，当输入没有变化时，微分作用输出为零。因此，微分作用同样不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，共同组成PID控制器。
1.3变论域模糊PID控制理论
模糊控制是模糊集合理论中的一个重要方面，是以模糊集合化、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制方式。模糊控制是建立在人类思维模糊性基础上的一种控制方式，是一种非线性智能控制，模糊逻辑控制技术模仿人的思考方式接受不精确不完全信息来进行逻辑推理，用直觉经验和启发式思维进行工作，是能涵盖基于模型系统的技术。它利用具有模糊性的语言控制规则来描述控制过程，控制规则通常是根据经验得出的，所以模糊控制的基本思想就是利用计算机实现人的控制经验。摸糊控制系统是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字模糊控制系统。智能性的模糊控制器是模糊控制系统的核心，模糊控制系统组成原理框图如图3所示。
2 系统整体方案设计
系统设计包括了硬件设计部分和软件设计部分，硬件设计部分主要阐述的是系统的总结结构及各部分硬件的选择过程和依据。软件设计部分主要介绍了系统的软件流程及编程。系统总体的设计方案是温度传感器（K型热电偶）将采集到的锅炉蒸汽温度信号转化为电压信号，压力传感器将采集到压力变化信息转化为电流信号，两种信号经过模拟量输入/输出模块转换成数字量信号并送到PLC控制器中进行模糊PID控制调节，通过固态继电器来对锅炉蒸汽温度和压力进行控制。系统外接计算机显示，实现了对锅炉蒸汽温度控制系统的实时监控。
图3 模糊控制系统组成原理框图
2.1 系统硬件设计
锅炉蒸汽温度控制系统的硬件设计部分主要包括了PLC控制器、输入/输出模块、温度传感器、压力传感器等的选择。本次设计的PLC控制器选择了西门子公司的T3000，输入/输出模块选择的是EM235模拟量输入/输出模块，温度传感器根据测量温度及系统需要选择K型热电偶，选择了型号为CYB-11的压力传感器，选用固态继电器对锅炉加热设备进行控制，调节锅炉蒸汽温度，系统具体运行结构框图如图4所示。
图4 锅炉蒸汽温度控制系统运行总体结构图
2.1.1 PLC型号的选择
根据锅炉蒸汽温度控制系统的性能和控制的要求，系统一共需要开关量输入点3个，开关量输出点32个，同时需要调用PID模块。因此系统设计中选择的PLC控制器为德国西门子公司的T3000，该PLC具有运行速度快，指令集丰富，结构小巧，编程方便，可靠性高以及性价比高等特点，足够满足锅炉蒸汽温度控制系统的使用要求。该PLC能够单机运行，集成了24个输入/16输出能够满足输入/输出和功能模块的扩展，可以连接7个扩展模块，最多扩展至248路输入/输出点，拥有6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制。具有2个RS485通讯/编程口，PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，与同系列的控制器相比，程序存储容量扩大了一倍，通信能力也较为强大。
2.1.2 PLC的输入/输出模块
在锅炉蒸汽温度控制系统中，温度传感器将采集到的温度信号转化为电压信号。因此，温度控制系统需要配备模拟量的输入模块将电压信号转化为数字信号，再将转化的数字信号送入PLC控制器中进行数据处理。依据温度控制系统的输入/输出转化需要，选择了西门子公司的EM235模拟量输入/输出模块。EM235可以连接PLC的微小模拟量信号，EM235输入/输出模块的具体应用是SWl-SW3用于选择热电偶的类型，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿，连到模块上是相同类型的热电偶。
2.1.3 温度传感器选型
温度传感器是将检测到的蒸汽温度信号转化为电量信号的装置，温度传感器的选择是控制设计过程中最重要的一步。目前在工业中广泛应用的各种热电式传感器，多是将温度信号转换为电势信号和电阻信号，其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转化为电势信号，而热电阻是将温度变化转化为电阻信号。根据本次温度控制对象的数学模型和它的特性以及设计需求，确定温度传感器的结构以及和控制对象的连接方式，根据所要求的性能指标确定温度传感器的参数值。本次设计的锅炉蒸汽温度控制系统中，以锅炉的过热器出口蒸汽温度作为控制参数，由于过热器蒸汽出口温度571℃，因此选择K型热电偶更为合适，并且能够满足系统的测量要求。温度传感器（电热偶）将检测到的温度信号转换成电压信号经过PLC控制器处理后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的固态继电器导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对锅炉的温度控制。
2.1.4 压力传感器选择
锅炉的蒸汽温度的保证需要稳定炉内压力才能得到保持，过高的压力会降低锅炉的使用寿命，过低的压力又会造成蒸汽温度无法达到设定值，同时锅炉内由于加热造成压力过大会产生危险，因此压力传感器的选择同样至关重要。压力传感器的作用就是检测锅炉炉膛内的压力，将测得的压力转换成4mA-20mA的电流信号或者是1V-5V的电压信号，然后再将此模拟量信号输送到PLC控制器的扩展模块EM235中，选择压力传感器输出量时，为了提高系统的抗干扰能力，根据本次设计的需要，选用的压力传感器型号为CYB-11，压力传感器的输出电流为4mA-20mA。
2.2 系统软件设计
锅炉蒸汽温度控制系统的软件设计部分，运用西门子公司专为PLC设计的STEP7-Micro/WIN32编程软件对系统进行编程。锅炉蒸汽温度控制系统软件的流程为，系统运行开始后，通过特殊继电器SMO.0产生初始化脉冲进行初始化，将蒸汽温度设定值， PID参数值等存入数据寄存器，随后系统启动开始蒸汽温度采样，将采集到的蒸汽温度信号转换为电流信号，电流信号进入PLC控制器，作为主回路的反馈值，经过主控制器PID的运算产生输出信号，作为副回路的给定值，完成对温度的控制，并将最终的温度测量结果在计算机上显示。锅炉蒸汽温度控制系统软件流程图如图5所示。
图5 锅炉蒸汽温度控制系统软件流程图
3 结束语
本文以西门子公司的T3000作为控制核心，充分利用它自带的PID控制模块，采用变论域模糊PID控制的方式，选择K型热电偶作为温度传感器，以锅炉的过热蒸汽温度作为控制对象，同时兼顾了锅炉内的压力及水位等条件，以简洁的方法完成了锅炉蒸汽温度的自动控制系统设计，方便了监控人员对于整个系统的管理，提高了系统的自动化程度和实用性。系统中采用现代工业自动控制方面使用广泛应用的PLC，充分发挥了它体积小、稳定性好、性价比高、抗干扰能力强、功能完善和功耗低等特点。控制算法采用的是变论域模糊PID控制，解决了传统锅炉温度控制系统的存在缺点，优化了锅炉温度控制系统的性能，提高了系统对时变性、非线性和不确定性等的处理能力，系统的调节时间短，静态动态特性都较好且平稳，能够保证锅炉的过热蒸汽温度控制在设定范围内。
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论文作者:孙鸿福
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：温度论文; 蒸汽论文; 锅炉论文; 控制系统论文; 系统论文; 信号论文; 模糊论文; 《电力设备》2018年第19期论文;