肖寶森

（廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105）

基于PLC的鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

肖寶森

（廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105）

由于鍋爐溫度這一調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性比較復雜，而工藝對溫度的調(diào)節(jié)要求又比較高，簡單的單回路控制系統(tǒng)往往無法滿足需求。為解決這一問題，本系統(tǒng)采用S7-200CN系列PLC、熱電阻Pt100、溫度變送器、調(diào)壓模塊、模擬量擴展模塊EM231和EM232以及上位機等組成一個較為先進、穩(wěn)定的鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)。通過獲得中間變量-鍋爐內(nèi)膽溫度的數(shù)值,并利用它構(gòu)成一個副反饋回路,預先調(diào)節(jié)影響中間變量的干擾,進而提高串級控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能較好改善對象的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，具有較強的抗干擾能力和一定的自適應(yīng)能力。

串級控制；PLC；鍋爐；溫度；動態(tài)特性

在石油、化工、制藥、冶金、電力、材料、食品、輕工和建筑等行業(yè)領(lǐng)域中，以溫度、壓力、液位、流量和成分為主要被控變量的控制系統(tǒng)均歸類為“過程控制”?，F(xiàn)代技術(shù)日新月異，工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅猛，過程工業(yè)逐步往大型化和精細化方向發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)本身的技術(shù)性和復雜性也在逐漸增加，自然而然對自動控制提出更高的標準和要求[1]。當調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性比較復雜，而工藝對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求又比較高時，簡單的單回路控制系統(tǒng)往往達不到理想的控制效果。近年來，出現(xiàn)了多種先進的鍋爐溫度控制方法，諸如模糊控制、PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法控制等。這些技術(shù)大大提高了溫度控制精度，不但使控制變得簡單、提高控制效果，而且降低了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)效率。在我國用于工業(yè)自動化控制的控制器主要有：單片機、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、可編程控制器（PLC）、數(shù)字信號處理器（DSP）、DCS系統(tǒng)[2]。

本文研究的是鍋爐溫度控制系統(tǒng)，當采用單回路系統(tǒng)控制時，由于僅使用一個調(diào)節(jié)器，對PID參數(shù)設(shè)置的精度要求較高，一旦設(shè)置不當容易造成響應(yīng)曲線出現(xiàn)較大波動，嚴重影響系統(tǒng)控制品質(zhì)。因此本文采用串級控制方式，以北京亞控公司開發(fā)的工業(yè)級軟件平臺組態(tài)王KingView6.5為上位機，S7-200CN系列PLC為調(diào)節(jié)器，通過PC/PPI通信協(xié)議實現(xiàn)PLC與上位機的通信。

1 系統(tǒng)工作原理

所謂串級控制，即將兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來，第一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定值是系統(tǒng)的控制目標，其輸出傳給第二個調(diào)節(jié)器，作為第二個調(diào)節(jié)器的設(shè)定值；第二個調(diào)節(jié)器的輸出作為系統(tǒng)的輸出，作為系統(tǒng)的控制“動作”[3]。鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)具有兩個閉合回路，兩個調(diào)節(jié)器以及兩個溫度變送器，在結(jié)構(gòu)上形成兩個閉環(huán)。外側(cè)的閉環(huán)回路一般稱為主回路，主回路以鍋爐夾套溫度為控制對象，是一個定值控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主回路調(diào)節(jié)器的作用是精確維持被調(diào)量處于符合生產(chǎn)要求的某一設(shè)定值，避免被調(diào)量存在或大或小的任何偏差，因而主調(diào)節(jié)器一般選用PI或PID控制方式。內(nèi)側(cè)的閉環(huán)回路一般稱為副回路，副回路應(yīng)該包含被控對象所受的主要干擾，副參數(shù)的選擇依據(jù)是其應(yīng)使副回路這一閉環(huán)回路的時間常數(shù)小、調(diào)節(jié)通道短，這樣才可以有效提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，并改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)[4]。在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，主回路發(fā)揮“微調(diào)節(jié)”作用，副回路則起“大調(diào)節(jié)”作用。因此，選擇鍋爐內(nèi)膽溫度為副回路控制對象，選用調(diào)節(jié)速度較快的P控制方式。鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)原理圖

2 PLC控制系統(tǒng)模型分析

隨著生產(chǎn)工藝復雜程度的加大和產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，鍋爐溫度的控制顯得尤為重要。目前，鍋爐溫度正在朝向智能化、快速化、“0精度誤差”等方向發(fā)展。如前所述，在本系統(tǒng)中，鍋爐夾套溫度為系統(tǒng)的控制目標，以鍋爐夾套為被控對象，夾套溫度為被控參數(shù)，以鍋爐內(nèi)膽為副被控對象，內(nèi)膽溫度為副被控參數(shù)，以加熱電壓為控制參數(shù)，以PLC為控制器構(gòu)成鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)。設(shè)計并選擇合適的參數(shù)實現(xiàn)對鍋爐夾套溫度的精確控制。

PID調(diào)節(jié)器的輸入輸出關(guān)系可以通過以下的數(shù)學模型得出：式(1)中，ev(t)=sv(t)-pv(t)為誤差信號，mv(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號。Kp、T、D、M分別表示比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)和偏移量。式(1)含有較為復雜的微積分計算，前3項分別代表比例部分、積分部分和微分部分。若選取3項中的1或2項，則可組成P或PI等較為合適的調(diào)節(jié)器。PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示，其中sv(n)、ev(n)、pv(n)、mv(n)為第n次采樣得到的數(shù)字量，mv(t)、pv(t)為模擬量。采用矩形積分作為近似計算代替積分，用差分法求微分值，將式(1)離散化，進而得出第n次采樣時控制器的輸出值，具體如下所示：

圖2 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在工業(yè)生產(chǎn)中，往往要求系統(tǒng)硬件能夠長期穩(wěn)定運行，且具有較高控制精度。本系統(tǒng)使用的硬件主要包含S7-200CN系列PLC、熱電阻Pt100、溫度變送器、調(diào)壓模塊、模擬量擴展模塊EM231和EM232以及上位機等。

3.1 主要硬件選擇

（2）溫度傳感器選擇：目前工業(yè)上常用的接觸式溫度測量傳感器主要有熱電偶與熱電阻兩種[5]。熱電偶在溫度測量中的應(yīng)用最為普遍，其特點主要有如下幾點：溫度測量范圍寬、工作穩(wěn)定可靠和動態(tài)響應(yīng)好，最重要的是能夠遠傳4～20 mA電信號，以實現(xiàn)系統(tǒng)自控目的。熱電偶的測溫原理是基于熱電效應(yīng)。熱電阻同樣在工業(yè)市場中占有較大比例的份額，但是其測溫范圍相比熱電偶較窄這一局限性使其應(yīng)用受到一定限制。熱電阻的測溫原理是隨著溫度的變化，導體或半導體的電阻值也將隨之相應(yīng)變化。工業(yè)上常用的熱電阻主要有Cu50，Cu100，Pt10，Pt100，銅熱電阻的溫度測量范圍約為-40～140℃，鉑熱電阻的溫度測量約為-200～650℃[6]?？紤]到鍋爐內(nèi)液體（如原油、相關(guān)化學物等）的溫度范圍可能超過140℃，工業(yè)生產(chǎn)的高精度要求以及成本，選用熱電阻Pt100，可以較好滿足系統(tǒng)要求。

（3）溫度變送器選擇：從性能可靠、低溫度漂移等要求方面考慮，選擇SWP-TR-08-0/400鉑電阻溫度變送器，其采用獨特的雙層電路板結(jié)構(gòu)，上層電路可定義傳感器類型和測量范圍，下層是信號調(diào)節(jié)電路[7]。該溫度變送器直接安裝于熱電阻Pt100接線盒內(nèi)，將熱電阻（三線制）檢測到的電阻信號轉(zhuǎn)化為兩線制4～20 mA標準電流信號線性化輸出。為了把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號作為模擬量輸入模塊的輸入端，在輸出端串聯(lián)一個250 Ω的電阻，即可得到1～5 V的電壓。

（4）調(diào)壓模塊選擇：調(diào)壓模塊選擇可控硅單相交流調(diào)壓器，其主要由可控整流電路和觸發(fā)電路兩部分組成,其電路原理圖如圖3所示。

(5)模擬量擴展模塊選擇：系統(tǒng)采用的模擬量擴展模塊EM231和EM232，分別提供了4路模擬量輸入（0～5 V）和 2路模擬量輸出（4～20 mA）的功能，具有12位的分辨率和多種輸出/輸入范圍，能夠不用外加放大器而直接與傳感器和執(zhí)行器相連[8]。

圖3 可控硅單相交流調(diào)壓電路原理圖

4 系統(tǒng)參數(shù)整定

串級控制系統(tǒng)的整定比單回路系統(tǒng)復雜，兩個調(diào)節(jié)器串接在同一系統(tǒng)的兩個不同回路中，互相作用，影響參數(shù)的整定。因此，在系統(tǒng)整定時，為了使主、副回路的頻率錯開，減少相互之間的影響，一般的做法是盡可能增加副回路調(diào)節(jié)器的增益以提高副回路的頻率。

串級系統(tǒng)的PID整定主要有3種方法：兩步整定法、一步整定法和逐步逼近法。本系統(tǒng)采用兩步整定法取得相應(yīng)PID數(shù)值，具體整定步驟如下[9]：

（1）先整定副回路：在系統(tǒng)工作狀況穩(wěn)定且主、副回路閉合的情況下，將主回路調(diào)節(jié)器的比例度δ置于100%處，即為純比例運行。按照4∶1衰減法整定副回路，求得該衰減比下副調(diào)節(jié)器的衰減比例度δ2S和衰減操作周期T2S。

城市系統(tǒng)的模擬需要嵌入不確定的因素或者用戶期望的因素，從而模擬出不確定性的城市系統(tǒng)或者用戶所預期的城市形態(tài).傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(GIS)在處理地理現(xiàn)象的時間過程上存在一定的局限性，而許多研究表明[1]，元胞自動機(CA)能更容易模擬各種現(xiàn)象隨時空變化的動態(tài)性，這是因為CA非常適合模擬復雜系統(tǒng).將GIS和CA結(jié)合起來，能夠更好的模擬真實城市的發(fā)展，提高模擬的精度.

（2）再整定主回路：將δ2S的數(shù)值賦予副調(diào)節(jié)器的比例度，再逐步調(diào)低主調(diào)節(jié)器的比例度δ1S，進而得到衰減比相等時的主回路過渡過程曲線，將由此得到的主調(diào)節(jié)器比例度δ1S和操作周期T1S記錄下來。

將上述步驟中求出的δ1S、T1S、δ2S、T2S,根據(jù)選用的調(diào)節(jié)器類型，按照4∶1衰減曲線的整定方法，求出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。

（3）根據(jù)“先副后主、先比例后積分”的一般性原則，根據(jù)所計算出的各個調(diào)節(jié)器參數(shù)值設(shè)定相關(guān)調(diào)節(jié)器參數(shù)。

（4）施加5%～15%左右的干擾再次進行實驗驗證，觀察實驗過程，直到實驗曲線符合相關(guān)要求為止。

最后，得出滿足系統(tǒng)控制品質(zhì)要求的主、副調(diào)節(jié)器控制參數(shù)。主調(diào)節(jié)器參數(shù)：Kp1=5，Ti1=20；副調(diào)節(jié)器參數(shù)：Kp2=7.5。

5 PLC與上位機通信

選用工業(yè)級軟件平臺組態(tài)王KingView6.55為上位機。該軟件作為一個開放型的通用工業(yè)監(jiān)控軟件，融過程控制設(shè)計、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體，支持與國內(nèi)外常見的PLC、數(shù)據(jù)采集卡、智能儀表、變頻器等通過常規(guī)通信接口進行數(shù)據(jù)通信[10]。

西門子的V4.0 STEP7 MicroWIN SP4軟件是用于S7-200系列PLC的開發(fā)工具，它通過一條PC/PPI編程電纜將PC機上的COM口連接到PLC的編程口上，兩者通信采用S7-200CPU最基本的通信方式—PPI協(xié)議[11]。在組態(tài)王軟件中完成以下3個步驟即可實現(xiàn)PLC與上位機的通信。

（1）設(shè)置串口COM1屬性：各參數(shù)設(shè)置如下：波特率為9600，選擇偶校驗，通信超時為3000 ms，通信方式為RS232，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，具體如圖4所示。

（2）添加PLC設(shè)備：通過設(shè)備配置向?qū)瓿蒔LC的添加：選擇PLC→西門子→S7-200系列→PPI,并設(shè)置好設(shè)備地址和相關(guān)通信參數(shù)。

（3）變量的定義：完成鍋爐內(nèi)膽、夾套溫度等相關(guān)變量的定義，設(shè)置好變量的數(shù)據(jù)類型、寄存器類型、采集頻率和線性轉(zhuǎn)換方式等，如鍋爐夾套溫度測量值在組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典中的變量名定義為TEM1_PV，變量類型為I/O實數(shù)，連接設(shè)備為PLC(S7-200CN)，寄存器地址為V30。從而實現(xiàn)將檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)實時送入數(shù)據(jù)庫中的指定對象中，或把數(shù)據(jù)對象的值通過指定通道輸送到指定設(shè)備[12]。

圖4 COM1串口屬性

6 實驗與結(jié)論

為了準確、較為全面驗證該系統(tǒng)的鍋爐夾套溫度控制是否穩(wěn)定可靠、精度是否符合要求，采取對鍋爐夾套溫度分別設(shè)定不同數(shù)值進行多次實驗的方式，實際測量系統(tǒng)穩(wěn)定后的夾套溫度值，并與設(shè)定值進行對比、分析。具體實驗過程如下：

（1）分別設(shè)定鍋爐夾套溫度SP1=45.0℃，SP2=50.0℃，SP3=55.0℃，SP4=60.0℃,SP5=65.0℃。

（2）根據(jù)上述有關(guān)規(guī)則及整定所得到的PID參數(shù)，下載程序至CPU中，分別將系統(tǒng)投入運行。

（3）從上位機監(jiān)控軟件組態(tài)王中分別得到鍋爐內(nèi)膽、夾套溫度實時曲線。

（4）使用數(shù)字測溫儀溫度表分別測得5次實驗中的夾套溫度實際值，具體如表1所示。

其中，當鍋爐夾套溫度設(shè)定值SP=50℃時，系統(tǒng)穩(wěn)定后副調(diào)節(jié)器的鍋爐內(nèi)膽溫度設(shè)定值為SP= 61.46℃（該值由主調(diào)節(jié)器的輸出值確定）。從上位機監(jiān)控軟件組態(tài)王得到鍋爐內(nèi)膽、夾套溫度實時曲線如圖5所示。從實時曲線上可以看出，系統(tǒng)的超調(diào)量約15%，穩(wěn)定時間少于2 min，系統(tǒng)穩(wěn)定后的溫度值與所設(shè)定的溫度值誤差非常小，表明系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、控制精度高。從5次實驗數(shù)據(jù)亦可看出，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，控制精度高。

表1 鍋爐夾套溫度實驗數(shù)據(jù)表

圖5 鍋爐內(nèi)膽、夾套溫度實時曲線

7 結(jié)束語

實驗證明，該鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)以工業(yè)級軟件平臺--組態(tài)王KingView6.5為上位機，S7-200CN系列PLC為調(diào)節(jié)器，通過PPI通信協(xié)議實現(xiàn)PLC與上位機的通信，達到了鍋爐溫度自動控制的目的。與簡單控制系統(tǒng)相比，本串級控制系統(tǒng)只增加了一個調(diào)節(jié)器和一個測量變送元件，但是系統(tǒng)控制效果卻明顯提高，具有良好的控制性能，對象的動態(tài)特性得到一定的改善，系統(tǒng)的工作頻率也得到提高，具有較強的抗干擾能力和一定的自適應(yīng)能力。在衰減系數(shù)相同的情況下，可較大程度縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，進而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

［1］邵裕森，戴先中．過程控制工程［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2000．

［2］帕孜來·馬合木提，楊華偉．基于DCS的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．實驗技術(shù)與管理，2016（3）：82－85．

［3］羅及紅．基于PID算法的爐窯溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．計算機測量與控制，2012，20（12）：3243－3245．

［4］張子棟，王懷彬，李炳熙．鍋爐自動調(diào)節(jié)［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999．

［5］邊立秀．熱工控制系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2002．

［6］徐湘元．自適應(yīng)控制理論與應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2007：254－262．

［7］董曉津．啤酒發(fā)酵過程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］．西安：西安交通大學，2003．

［8］Astrom K J．Toward intelligent control［J］．IEEE Control Systems Magazine，1989，9（3）：60－64．

［9］何享文，胡晚霞．智能在線自整定PID算法及在電加熱爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．電子測量與儀器學報，1998，12（1）：65－69．

［10］YU D，XU Z Q．Nonlinear coordinated control of drum boiler power unit based on feedback linearization［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2005，20（1）：204－210．

［11］SIEMENS．SIMATIC S7－200可編程控制器系統(tǒng)手冊［M］．SIEMENS，2000．

［12］房方，魏樂，譚文，等．基于動態(tài)擴展算法的大型燃煤機組非線性協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．中國電機工程學報，2007，27（26）：102－107．

(責任編輯：朱聯(lián)九）

The Design and Application of Cascade Control System of Boiler Temperature Based on PLC

XIAO Bao-sen
(Tan Kah Kee College,Xiamen University,Zhangzhou 363105,China)

Since complicate dynamic characteristics of boiler temperature and high technology requirements on the adjustment of temperature,simple single-loop control systems are often unable to meet the demand.To solve the problem, a more advanced and stable cascade control system of boiler temperature is designed by using S7-200CN series PLC,thermal resistance Pt100,temperature transmitters,voltage regulator module,analog expansion modules EM231 and EM232 as well as PC,and so on.By obtaining the value of an intermediate variable-the temperature of boiler tank,a deputy feedback loop is established.By preconditioning the effect of intermediate disturbance variables,the dynamic quality of the cascade control system can then be improved.Experimental results show that the system is reliable and can better improve the dynamic characteristics of the object and the operating frequency of the system.It has a strong anti-jamming ability and adaptive capacity.

cascade control;PLC;boiler;temperature;dynamic characteristics

TK223.7

A

1673-4343（2017）02-0063-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2017．02．011

2016-12-08

福建省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201413469036）

肖寶森，男，福建晉江人，工程師。主要研究方向：電子信息、自動化儀表及過程控制的實踐教學與研究。