陳文秀， 薛士龍， 孫 磊， 張亞明

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院, 上海 201306)

基于PLC船用鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的仿真與監(jiān)控

陳文秀， 薛士龍， 孫 磊， 張亞明

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院, 上海 201306)

以船用鍋爐汽包水位為研究對象，給出了水位的控制方法及數(shù)學(xué)模型，并運用Matlab軟件進行建模與仿真。在此基礎(chǔ)上，采用S7-400為主控制器，構(gòu)建了船用鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。在PCS7的軟件環(huán)境下編寫了控制軟件，在上位機軟件WinCC中設(shè)計了監(jiān)控界面，實現(xiàn)了汽包水位控制系統(tǒng)的控制與監(jiān)控。系統(tǒng)仿真結(jié)果分析證明該方法是可行的。

鍋爐； 汽包水位； 水位控制； 穩(wěn)定性

船用鍋爐是船舶上重要的動力裝置，也是最早實現(xiàn)自動控制的裝置之一。船用鍋爐控制系統(tǒng)主要包括汽包水位控制、燃燒控制、鍋爐點火時序控制等[1-2]。汽包水位控制系統(tǒng)是其中一個重要的子系統(tǒng)。汽包水位控制是為了保持汽包水位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，水位的高低將直接影響著出口蒸汽的品質(zhì)以及整個鍋爐的安全[3-4]。因此，研究鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)具有著重要的意義。

船舶鍋爐包括輔鍋爐和廢棄鍋爐。正常情況下，它們之間的影響較小[5]，故本文的研究不考慮廢棄鍋爐對汽包水位的影響。為了維持汽包水位的穩(wěn)定，常采用單沖量、雙沖量以及三沖量3種控制方法[6]。① 單沖量水位控制是將汽包水位作為唯一的被控變量?？刂品绞胶唵?，適用于不很嚴重的“虛假水位”情況,在出現(xiàn)水位大幅度波動時，控制效果不佳。② 雙沖量水位控制是將汽包水位作為被控變量,將蒸汽流量作為干擾變量;與單沖量控制法相比較，增加了前饋控制回路，實現(xiàn)前饋反饋控制。當蒸汽流量波動時立即控制，不需要等由于擾動引起的水位出現(xiàn)偏差后才進行控制，從而削弱或抵消了由于“虛假水位”現(xiàn)象產(chǎn)生的不利動作。③ 三沖量水位控制是將水位作為主控制變量，將給水流量作為副回路控制變量，將蒸汽流量作為前饋控制變量，實現(xiàn)前饋串級控制;與雙沖量控制法相比較，將給水量的擾動作為串級控制的副回路。因此，三沖量控制法既能夠克服給水擾動的影響，也適用于“虛假水位”的情況[7-8]。

目前國內(nèi)水位控制系統(tǒng)中，可編程控制器PLC應(yīng)用十分廣泛。西門子的S7-400系列PLC，屬于中高檔性能的PLC，具有強大的通信聯(lián)網(wǎng)能力，應(yīng)用非常靈活[9]。因此，本設(shè)計選用了S7-400PLC作為系統(tǒng)的控制器,同時采用西門子WinCC軟件設(shè)計了監(jiān)控界面，對汽包水位控制系統(tǒng)進行監(jiān)控。

1 汽包水位控制系統(tǒng)建模與仿真

1.1 數(shù)學(xué)建模

本文以一艘某6萬t油輪輔鍋爐為原型[10]，離散化后在Z域(離散域)中，給水擾動下的汽包水位脈沖傳遞函數(shù)為[11]

GW(z)=

(1)

式中，ε為反應(yīng)速度，對于中壓鍋爐，汽包水位反應(yīng)時間一般為30～100 s，故0.01<ε<0.033,本文中ε=0.02；Ts為采樣周期，為更精確的效果，本文中，Ts=0.1 s；T2為給水擾動下水位反應(yīng)時間，本文中，T2=10 s。

將上述參數(shù)代入式(1)，得到

(2)

離散化后的蒸汽擾動下的水位傳遞函數(shù)為[10-11]：

(3)

(4)

1.2 運用Matlab的水位控制仿真

為了在多變的自然條件下維持汽包水位的穩(wěn)定，得到最佳的控制效果,本文采用單沖量、雙沖量和三沖量3種常用水位控制方法進行比較，并進行參數(shù)整定。運用Matlab中Simulink進行汽包水位控制仿真實驗。為便于觀察“虛假水位”的波動情況，汽包水位值取為0，給水調(diào)節(jié)閥和蒸汽調(diào)節(jié)閥的閥門開度系數(shù)為0.4。仿真過程中，給水調(diào)節(jié)閥和蒸汽調(diào)節(jié)閥的初始值設(shè)為20%。

1.2.1 單沖量和雙沖量控制比較分析 為了更好地比較出不同控制方法的優(yōu)劣，將單沖量和雙沖量水位控制放在一起對比分析，建立了單沖量和雙沖量控制仿真模型，如圖1所示。

圖2給出了單沖量水位和雙沖量水位控制的仿真曲線。由圖可見，雙沖量控制的響應(yīng)曲線超調(diào)量遠小于單沖量控制，同時調(diào)節(jié)時間更短，能夠很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)；雙沖量控制下，在模型、參數(shù)相同的情況下，當反饋系統(tǒng)Kc=0.3時，系統(tǒng)的超調(diào)量最小，穩(wěn)定速度較快，很好地控制了水位。因此，當只有蒸汽擾動的情況下，Kc=0.3時，雙沖量水位控制的效果最佳。

1.2.2 雙沖量與三沖量水位控制比較分析 在蒸汽調(diào)節(jié)閥從20%開度階躍至50%開度、給水調(diào)節(jié)閥從20%階躍到30%的情況下，建立雙沖量和三沖量控制仿真模型,如圖3所示。

取Kc=0.3，經(jīng)過整定后，主控制器PID參數(shù)為[8.7，0.2,0]。圖4給出了Kc=0.3時，雙沖量與三沖量水位控制的仿真曲線圖。由圖可見，三沖量控制的超調(diào)量更小，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定時間短，整體控制效果最佳。

圖1 單沖量和雙沖量仿真模型圖

Fig.1 Diagram of single-impulse and double-impulse simulation models

圖2 單沖量和雙沖量模型的仿真曲線圖

上述仿真實驗表明，三沖量水位控制法能夠有效地控制由蒸汽流量以及給水流量帶來的擾動，適用于“虛假水位”。本文采用三沖量水位控制，并通過軟、硬件設(shè)計實現(xiàn)該控制方法。

2 硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)組成

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為操作監(jiān)控層、PLC控制層以及現(xiàn)場層[12]。操作監(jiān)控層由工程師站和操作員站組成;操作監(jiān)控層與PLC控制層通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通信;PLC控制層與現(xiàn)場層通過現(xiàn)場總線Profibus-DP實現(xiàn)I/O的通信[13]。船用鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖3 雙沖量和三沖量控制仿真模型圖

Fig.3 Diagram of double-impulse and three-impulse control simulation models

圖4 雙沖量和三沖量模型的仿真曲線圖

Fig.4 Graph of double-impulse and three-impulse model simulation

圖5 船用鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)框圖

Fig.5 Block diagram of a marine boiler drum water level control system

2.2 硬件的選型

船用鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)選用了SIMATIC S7-400PLC。CPU選擇S7-400系列CPU412-3H，電源模塊為PS407 10A，通信模塊為CP443-1,以及分布式I/O模塊ET200M。

3 軟件設(shè)計

3.1 主要功能軟件設(shè)計與實現(xiàn)

采用S7-400PLC作為系統(tǒng)的控制器，運用PCS7編程軟件，編寫了連續(xù)功能圖(Continuous Function Chart,CFC)。為了便于理解，簡化得到三沖量水位控制副回路功能框架圖，如圖6所示。圖中包含PID控制模塊、模擬量輸入與輸出模塊、加法器、乘法器等主要模塊。通過模擬量輸入模塊得到蒸汽流量、給水流量的測量值，通過模擬量輸出模塊將控制信號輸送到給水調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥門開度。蒸汽流量經(jīng)乘法器得到反饋信號，與水位控制器的輸出信號共同輸入到加法器。加法器的輸出信號作為給水流量控制器的設(shè)定值，將給水流量的測量值送到給水流量控制器中，最終由給水流量控制器輸出信號作用于給水調(diào)節(jié)閥。實現(xiàn)三沖量水位控制，即前饋串級控制。

圖6 三沖量水位控制副回路功能框架圖

3.2 WinCC監(jiān)控界面設(shè)計

WinCC最大的特點是能與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機界面，滿足實際需要;且WinCC功能較齊全，有著大量的設(shè)置項目、菜單選項和可視化窗口，采用畫面分層管理，使用靈活便捷[14-16]。

本文在上位機軟件WinCC上設(shè)計了汽包水位控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面圖，為了保證船舶鍋爐系統(tǒng)的完整性，增加了廢氣鍋爐、熱水井等設(shè)備。如圖7所示。設(shè)計了主要變量的顯示畫面，可以直接觀察到各變量的情況，進行實時監(jiān)控。

圖7 WinCC監(jiān)控畫面圖

由圖8所示為WinCC實時曲線監(jiān)控畫面。從圖可見，在增加蒸汽流量擾動以及給水擾動的情況下，響應(yīng)速度很快，同時超調(diào)量小，控制效果良好，汽包水位基本上維持在合理范圍內(nèi)。

圖8 WINCC曲線監(jiān)控畫面圖

4 結(jié) 語

本文對船用鍋爐汽包水位進行建模仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，得出了控制方法最佳的反饋系數(shù)以及PID參數(shù)值。采用S7-400PLC實現(xiàn)了水位控制方法，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的響應(yīng)特性，可以運用在相關(guān)領(lǐng)域。

[1] 曾龍斌.虛實結(jié)合船舶輔鍋爐模擬訓(xùn)練系統(tǒng) [D].廈門:集美大學(xué)，2015:1-2,7.

[2] 楊偉才.淺析鍋爐PLC控制系統(tǒng) [J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015(33):137.

[3] 時俊.鍋爐汽包水位串級三沖量PID控制系統(tǒng)的設(shè)計 [J].內(nèi)蒙古石油化工，2011(23)：72-73.

[4] 遲立新.鍋爐汽包水位動態(tài)特性與給水控制 [J].科技信息，2013(11):396，420.

[5] 林文城.船用廢氣鍋爐自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 [J].船電技術(shù)，2014，34(3):19-21.

[6] 蘭鵬.淺析鍋爐汽包水位的自動化控制 [J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015(7):19.

[7] 張明.汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的設(shè)計 [J].山東工業(yè)技術(shù),2016(5)：74.

[8] 喬金宇.基于MATLAB/SIMULINK的鍋爐汽包水位控制策略及仿真分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué).2012:5-13.

[9] 張云翔.淺析S7-300/400系列PLC [J].科技致富向?qū)В?011,(36):79.

[10] 趙志斌.輪機模擬器中蒸汽系統(tǒng)的仿真研究 [D].大連:大連海事大學(xué).2001：9，26-40.

[11] 董良雄.船用增壓鍋爐水位監(jiān)控裝置的研制 [D].武漢：武漢理工大學(xué).2007:11-25.

[12] 郭帆,曹宏濤,王華強,等.基于PCS7的加熱爐自控系統(tǒng) [J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014(4):62-65.

[13] 張芳杰.基于西門子PCS 7的加熱爐爐溫預(yù)測控制 [D].呼和浩特：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2012:37-40.

[14] 李文博.鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計及其在PCS7上的實現(xiàn) [D].北京：北京化工大學(xué)，2010：53.

[15] 楊新達.基于WinCC的鋁粉氮氣霧化分級過程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 [D].大連：大連理工大學(xué)，2009：11-13.

[16] 李永泰,孫洪程.工業(yè)加熱爐控制方案的WinCC平臺實現(xiàn) [J].儀器儀表用戶，2010，17(6):72-74.

Simulation and Monitoring of Drum Water Level Control in Marine Boiler Based on PLC

CHENWenxiu,XUEShilong，SUNLei，ZHANGYaming

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China)

This paper studies the drum water level of a ship. A control method and mathematical model were given, and Matlab was used for modeling and simulation. On this basis, a water level control system of marine boiler drum was constructed with S7-400 as the main controller. The control program was written using the software PCS7, with the monitoring interface developed in a PC with WinCC. Control and monitoring were achieved for drum water level control. Analysis of the simulation results show feasibility of the method.

boiler; drum water level; control of water level; stability

2017 -03 -02

國家自然科學(xué)基金面上項目資助(61673260)

陳文秀(1993-)，女，碩士生，主要研究方向為船舶與港口電氣控制技術(shù)與系統(tǒng)， E-mail:blanche_chen1993@126.com

2095 - 0020(2017)02 -0098 - 05

U 664.111

A