工业锅炉智能监控系统设计与优化
时间：2023-02-20 10:00:07 来源：千叶帆 本文已影响人
孙永芳
( 陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院,陕西 西安 710300)
工业锅炉凭借自身优势被应用于多种工业领域，成为工业企业最普遍的动力设备之一，其功能为：通过燃料在炉膛内燃烧，锅炉可将燃烧过程中产生的热量转化为热能，并以蒸汽或热水的形式输送至工业生产的各种设备。但是传统工业锅炉主要采用人工的方式进行控制，极少数大型工业锅炉采用简单的仪表单回路调节系统实现对液位、压力等数据的控制，该方式对于燃料的浪费程度较大。为此本研究采用智能化的方式设计出工业锅炉智能监控系统，对于工农业生产领域的发展具有重要意义。
工业锅炉的结构组成为：炉膛、燃烧室、热交换、自动上排料系统、内循环系统、外循环系统和燃烧控制系统共同组成。锅炉在燃烧过程中，其燃料主要由上料传送带直接传送至炉膛，燃烧完毕后经排渣传送带自动排出。炉膛温度的控制流程为：通过鼓风机和引风机协同作用，对燃烧室含氧量进行精准控制，以此实现对温度的控制，风门部分主要采用机械式风门，该风门可随着鼓风机风量的大小自动开关。对炉膛内热量进行传导时，利用内循环系统使热水经过内循环泵，最终到达热交换器，由热交换器将水的热量传导至各个使用区，外循环系统的作业流程与内循环基本相似。该控制系统主要通过对炉膛压力、温度及水位进行检测，实现自动控制鼓风机和引风机，完成对炉内温度的控制。为保证工业锅炉的安全，对锅炉压力的上限值进行设定，当炉内压力达到上限值时，控制系统可自动开启电控泄压阀。内循环系统对热能的有效利用主要通过检测内循环水位，实现对内循环泵的自动控制[1]。
控制系统为实现对锅炉运行状态的实时监控，将上位机监控系统建立于组态王6.53上，并在该系统中设置工业锅炉的运行数据。对工业锅炉的控制器进行设计时，为实现对风机和泵的转速进行自动控制，主要以CJ1M系列的PLC作为核心，通过A/D扩展模块对锅炉温度和压力等信息的准确读取，并由PLC运算后经D/A模块对模拟量进行输出，最终对系统变频器进行控制，该方式可达成现场操作补水、给煤控制等，工业锅炉控制系统结构如图1所示[2]。
该系统主要由PCI数据采集卡、工业控制计算机以及多种传感器和执行器共同组成，为保证工业锅炉智能监控系统的稳定运行，本研究主要采用上位机+下位机的控制模式实现对工业锅炉的智能监控。上位机在工业锅炉智能监控系统中主要负责对软件部分进行监控和数据分析，而下位机主要负责对数据进行采集与控制输出。该系统的结构组成为：汽包液位控制子系统、炉膛压力调节子系统以及蒸汽温度调节子系统，其中汽包液位控制子系统包括液位变送器、蒸汽流量计以及调节阀开度；
炉膛压力调节子系统包括压力变送器、蒸汽流量计以及调节阀开度；
蒸汽温度调节子系统由两个温度传感器和一个调节阀开度共同组成，工业锅炉智能监控系统总体结构如图2所示[3]。
3.1 锅炉智能监控系统硬件设计
该智能监控系统的硬件设计部分主要由电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及终端板共同组成，为保证系统的稳定运行，本研究通过对硬件部分的连接及I/O端口分配进行设计，有利于实现智能监控系统的实时监控[4]。
3.1.1 锅炉智能监控系统硬件连接
该智能监控系统硬件连接部分的工作流程为：利用传感器的功能，将系统检测到的温度信号转换成4～20 mA的电流信号，信号转换完成后，由锅炉智能监控系统对模拟量输入模块进行信号配置，从而实现把电流信号转换成数字信号，最后将转换成功的数字信号送入PLC控制器中进行相关处理[5]。
3.1.2 锅炉智能监控系统I/O端口分配
锅炉智能控制系统主要由周边控制程序段、内循环温度程序段、鼓风机控制程序段、模拟量AD读取程序段以及模拟量DA写出控制程序段共同组成。对智能监控系统的I/O端口进行分配时，为保证该端口的合理分配，将锅炉智能控制系统的输入输出点分为锅炉压力、温度、水位、内循环温度、鼓风机频率以及内循环泵频率等单元，锅炉智能监控系统I/O端口分配如表1所示[6]。
表1 锅炉智能监控系统I/O端口分配表
3.2 锅炉智能监控系统软件设计
为保证工业锅炉智能监控系统的稳定运行，本研究对该系统的软件部分进行设计时，重点研究上位组态软件组态王人机界面，并对工业锅炉内的各个参数进行控制，其参数控制流程为：首先依次对各个寄存器及A/D模块参数进行初始化，初始化完成后，对入口A/D信号进行采集，并将采集的入口A/D信号进行滤波，通过对滤波后的信号进行计算，即可获取当前工业锅炉的炉膛温度、压力以及液位的过程值，最后从人机界面可对各参数数据进行读取。在参数控制过程中，应在工业锅炉智能监控系统内对各参数的最大数值进行设定，若各参数数据达到设定值，即可将数据结果输出，若各参数数据未达到设定值，应将数值继续升高，直至参数数据达到设定值。
3.2.1 下位PLC控制流程
对工业锅炉智能监控系统下位机PLC控制流程进行设计时，应充分结合工业锅炉的实际控制要求，并按照工业锅炉的工艺过程对相关数据进行整理。该方式有利于更加便捷地对系统程序进行编写，使工业锅炉可达到预期温度、压力以及液位稳定的控制目标。下位PLC控制流程为：首先进入PLC控制入口，向PLC控制器中输入工业锅炉的各个参数，对I/O数据进行样本采集，并利用PID算法对该数据进行运算，根据运算获取的最终结果，即可对I/O设备进行更新，并将最终成果输出至PLC控制出口。
3.2.2 上位人机界面
对上位人机界面进行设计时，主要采用组态王软件实现人机交互。该界面可充分体现出工业锅炉内待控制参数的变化趋势，并且可展现出工业锅炉智能监控系统的实际工艺流程，对PLC控制器进行参数设定时，为保证工业锅炉智能监控系统的工艺流程更具个性化，将人机界面以图形的方式向用户展示，有利于用户更加直观地了解工业锅炉智能监控系统的操作流程[7]。
由于汽包液位控制子系统对于工业锅炉的正常运行具有重要维持作用，本研究为实现对工业锅炉的实时监控，对该智能监控系统的汽包液位控制子系统进行重点研究，并利用模糊-PID控制技术对该系统进行设计。
4.1 汽包液位控制子系统总体方案
传统汽包液位控制方式对工业锅炉进行液位控制时，受“虚假水位”的影响较大，可造成工业锅炉的液位控制存在一定误差，该误差可表现为：当工业锅炉内负载持续变大时，汽包水位与之相反，处于不断上升状态，该现象可直接造成汽包液位控制系统出现错误决断，而对工业锅炉的调节阀进行控制。本研究为解决传统汽包液位控制方式存在的问题，充分利用模糊-PID控制技术的优势，对工业锅炉的汽包液位进行控制。
4.2 模糊-PID控制器设计
该设计是基于工业锅炉汽包液位控制方案的基础上进行实现的，为保证该系统的稳定运行，本研究对模糊控制系统的整体方案进行设计，基于模糊-PID控制技术的控制系统如图3所示[8]。
对模糊-PID控制器进行设计时，首先应对模糊-PID控制技术中的各项参数进行修改。本研究修改PID各项参数过程中，主要依据模糊控制规则，并对各参数之间存在的偏差e的变化规律进行总结，由此可推导出比例系数、微分系数以及积分系数的变化量，分别记作Kp、Kd、Ki。通过对各系数的变化量进行推导，即可实现对工业锅炉智能监控系统性能的最优化，PID参数模糊控制规律如表2所示。
表2 PID参数模糊控制规律
模糊-PID控制器可实现对PID各项参数进行实时调节，其实现方式为：根据偏差绝对值|e|、偏差和的绝对值|ec|、偏差变化率绝对值|∑e|，并及时对时间进行调整后，充分利用模糊PID技术即可实现实时调节PID参数。将工业锅炉液位控制过程中存在的误差e与误差变化量ec作为输入量输入至控制器中，并利用查询模糊推理算法的方式获取决策表，最终可获得Kp、Kd、Ki的修正系数，将其代入以下公式：
(1)
汽包液位控制器的模糊输入量存在液位偏差、偏差变化与偏差和，三者分别表示为e(k)、ec(k)=e(k)+e(k-1)、∑e(k)=e(k)+e(k-1)
模糊控制输出量为
ΔKp、ΔKi、ΔKd
不同变量的模糊论域分配方式为
e(k)、∑e(k)、ec(k)、ΔKp、ΔKd的论域为
{-3，-2，-1，0，1，2，3}
对PID各变量模糊子集论域进行设定时，可根据模糊控制的一般理论完成设定，其论域为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，各论域代表的含义为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}。
为保证工业锅炉智能监控系统的稳定运行，并验证该系统的实际控制结果，采用Matlab中的Simulink对智能监控系统进行仿真测试。仿真流程为：Matlab使用模糊控制技术，Simulink使用模糊-PID控制技术，在加入给水扰动的情况下对监控系统进行仿真验证。仿真过程中将工业锅炉内的液位值设定为45 mm，待监控系统处于稳定状态时，并且稳定时间持续到500 s时刻加入给水扰动，模糊-PID控制仿真响应曲线如图4所示。
通过对仿真结果进行分析可知，在工业锅炉内液位高度为45 mm时，使用模糊控制技术汽包液位控制子系统的水位进行监控与PID控制相比可发现，其最大超调量变小，调节时间明显减少。而在500 s时刻向系统中加入给水扰动可发现，模糊-PID控制下的超调量更具优势。
本研究为实现对工业锅炉的智能监控，设计了一种工业锅炉智能监控系统，并介绍了该系统中的核心应用方法——模糊PID控制技术。将该技术应用于汽包液位控制系统中，有利于提升工业锅炉的稳态性能。由于传统汽包液位控制方式对工业锅炉进行液位控制时，当工业锅炉内负载持续变大时，汽包水位与之相反，处于不断上升状态，该现象可直接造成汽包液位控制系统出现错误决断，不利于系统的稳定运行，为解决传统汽包液位控制方式存在的问题，充分利用模糊-PID控制技术的优势，对工业锅炉的汽包液位进行控制。通过仿真验证的方式对该系统的精确度进行验证，其结果表明，该系统的稳态性能较强，对于工业锅炉的控制精度具有提升作用。
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