1 引言
工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動(dòng)態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運行的主要指標之一。若水位過(guò)高,影響汽水分離的效果,使用氣設備發(fā)生故障;而水位過(guò)低則會(huì )破壞汽水循環(huán),嚴重時(shí)導致鍋爐爆炸，所以鍋爐汽包水位必須嚴加控制。為了確保鍋爐生產(chǎn)的穩定、可靠和經(jīng)濟運行，我們設計采用了性能先進(jìn)的永宏FBs-PLC、變頻調速器、計算機應用等自動(dòng)化設備組成的鍋爐 PID自動(dòng)控制系統。該控制系統通過(guò)檢測水汽壓力、溫度，汽包液位等運行物理量，在運行過(guò)程中全自動(dòng)調節，保證了工業(yè)鍋爐的安全穩定高效運行。
2 工業(yè)鍋爐相關(guān)工藝介紹
蒸汽鍋爐是廠(chǎng)礦重要的動(dòng)力設備，其任務(wù)是供給合格穩定的蒸汽，以滿(mǎn)足負荷的需要。為此，鍋爐生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)主要參數都必須嚴格控制。而利用余熱氣體作為熱交換介質(zhì)的余熱鍋爐在全國占有很大的比例，其節能降耗效果尤為明顯。某化工廠(chǎng)硫酸余熱鍋爐就是利用沸騰爐出來(lái)的爐氣(主要是SO2)溫度過(guò)高，將其作為熱交換對象，通過(guò)余熱鍋爐副產(chǎn)中壓蒸汽供各生產(chǎn)分廠(chǎng)使用，既保證了生產(chǎn)需要，也達到了節能降耗的目的。鍋爐是一個(gè)較為復雜的調節對象，為保證提供合格的蒸汽以適應負荷的需要，與其配套設計的控制系統必須滿(mǎn)足各主要工藝參數的需要。余熱鍋爐工藝流程如圖1所示。
 

3 控制難點(diǎn)分析
鍋爐計算機控制是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一項新技術(shù)。它是微型計算機軟、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節能等幾項技術(shù)緊密結合的產(chǎn)物，作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩定、經(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動(dòng)強度。采用微計算機控制，能對鍋爐進(jìn)行過(guò)程的自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制等多項功能。它的被調量是汽包水位，而調節量則是給水流量，通過(guò)對給水流量的調節，使汽包內部的物料達到動(dòng)態(tài)平衡，變化在允許范圍之內，雖然鍋爐汽包水位對蒸氣流量和給水流量變化的響應呈積極特性，但是在負荷(蒸氣流量)急劇增加時(shí)，表現卻類(lèi)似逆響應特性，即所謂的虛假水位。造成這一原因是由于負荷增加時(shí)，導致汽包壓力下降，使汽包內水的沸點(diǎn)溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統，實(shí)質(zhì)上是維持鍋爐進(jìn)出水量平衡的系統。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過(guò)調整進(jìn)水量的多少來(lái)達到進(jìn)出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面******的汽包中位線(xiàn)附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統是一個(gè)設有自平衡能力的被控對象，運行中存在虛假水位現象，實(shí)際應用中可根據情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙沖量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統。所謂三沖量調節系統就是把給水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三個(gè)變量通過(guò)運算后調節給水閥的調節系統。具體調節過(guò)程方框圖如圖2所示。
 

先通過(guò)蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號乘以相應的比例系數，通過(guò)比例系數可以調節蒸汽流量或給水流量對調節系統的影響力度。通過(guò)差壓變送器取得水位信號作為主調節信號H。如果水位設定值為G，那么在平衡條件下應有D×Dk-W×Wk+H-G=0的關(guān)系式存在。其中Dk為蒸汽流量系數 Wk為給水流量系數。如果再設定時(shí)，保證在穩態(tài)下D×Dk=W×Wk那么就可以得到H=G。此時(shí)調節器的輸出就與符合對應，給水閥停在某一位置上。若有一個(gè)或多個(gè)信號發(fā)生變化，平衡狀態(tài)被破壞，PI調節模塊的輸出必將發(fā)生變化。當水位升高了，則調節模塊的輸出信號就減小，使得給水調節閥關(guān)小。反之，當水位降低時(shí)，調節模塊的輸出值增大，使給水閥開(kāi)大。實(shí)踐證明三沖量給水單極自動(dòng)調節系統能保持水位穩定，且給水調節閥動(dòng)作平穩。鍋爐給水系統中還有一個(gè)比較重要的控制回路是給水壓力回路，因為汽包內壓力較高，要給鍋爐補水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達到滿(mǎn)負荷時(shí)，對給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統中一般采用給水泵一直以工頻方式運轉，用回流閥降低水壓防止爆管，現在一般采用通過(guò)變頻器恒壓供水的方式控制水壓。鍋爐給水量通過(guò)汽包液位調節。汽包液位測量選用浮筒液位計。為有效利用轉換廢熱，降低消耗，減低勞動(dòng)強度，有利于整體工藝穩定，要求汽包液位自動(dòng)控制，正常生產(chǎn)時(shí)波動(dòng)應小于±5％。PID調節蒸汽出口閥可以很好的控制汽包壓力。開(kāi)車(chē)正常后波動(dòng)范圍不大，可以不考慮。轉化負荷波動(dòng)、出預熱器鍋爐給水溫度變化、鍋爐負荷波動(dòng)、排污量變化這幾個(gè)因素對汽包液位的影響必須考慮。以汽包液位為主調參數、以給水流量為副調參數、以蒸汽流量為前饋，但調節效果很差。引起汽包液位的大起大落。考慮到該廢熱鍋爐控制參數耦合小，流程簡(jiǎn)單，產(chǎn)汽量也較穩定，我們從操作人員的操作中得到啟發(fā)，認為減少給水量的波動(dòng)從而穩定給水溫度成為該廢熱鍋爐液位控制的要點(diǎn)。因此我們選用“以汽定水＋液位前饋”比值控制方案，方案框圖如圖3所示。
 

其中系數K為汽水損失率(給水流量與蒸汽流量的比值)，范圍為1.1～1.2。PID參數為P＝300％、I＝0.4、D＝0。這組PID參數可以使閥位波動(dòng)幅度不大而回路有較快的跟蹤效果。液位前饋系數與鍋爐額定負荷密切相關(guān)，一般是額定負荷越大前饋系數也越大。本項目廢熱鍋爐的額定負荷為35t／h。前饋系數按表一給定，見(jiàn)附表:
附表 前饋系數表
 

投運時(shí)首先投運給水流量單回路，調節平穩后，再切換為蒸汽流量比值控制，液位前饋同時(shí)起作用。以汽定水＋液位前饋比值控制方案調試投運簡(jiǎn)單方便，投運后經(jīng)負荷擾動(dòng)(產(chǎn)汽量變化)、液位擾動(dòng)(排污量變化)實(shí)驗，抗擾動(dòng)性能良好，投運以來(lái)運行平穩，達到工藝要求。圖4為2.5h實(shí)時(shí)液位記錄曲線(xiàn)，其中記錄了負荷擾動(dòng)情況。液位波動(dòng)范圍＜±3％。
 

4 永宏P(guān)LC PID控制系統分析
4.1 帶PID控制功能的FATEK可編程控制器
PID控制及其控制器或智能PID控制器(儀表)已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，作為國產(chǎn)PLC企業(yè)，永宏電機股份公司一直致力于PLC的研究開(kāi)發(fā)工作，帶PID控制功能的FATEK可編程控制器(PLC)就是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現鍋爐汽包液位的PID 控制，在異常情況下，如液位偏離正常值較大時(shí)，通過(guò)PLC控制系統控制，可以快速恢復水位，保證鍋爐的安全穩定運行。當水位控制和主蒸汽溫度控制發(fā)生矛盾時(shí)，可根據矛盾的主要方面進(jìn)行兩者的協(xié)調控制。它包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個(gè)控制回路，實(shí)質(zhì)上是蒸汽流量前饋與水位－流量串級系統組成的復合控制系統。當蒸汽流量變化時(shí)，鍋爐汽包水位控制系統中的給水流量控制回路可迅速改變進(jìn)水量以完成粗調，然后再由汽包水位調節器完成水位的細調。圖5是有永宏P(guān)LC組成的控制系統示意圖。
 

4.2 汽包水位PID控制設計優(yōu)點(diǎn)
(1) 減少干擾對主回路的影響，可由副回路控制器予以校正。
(2) 由于副回路的存在減少了相位滯后，從而改善了主回路的響應速度。
(3) 對控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。
(4) 副回路可以按照主回路的需求對對象實(shí)施精確控制。
實(shí)際PLC的控制程序采用主副回路進(jìn)行串級控制，即主回路的輸出做為副回路的設定值，經(jīng)副回路輸出作用于被控對象。也可以不用副回路只用主回路形成單回路調解，或手動(dòng)操作完成。一般常見(jiàn)的過(guò)程控制應用， 開(kāi)環(huán)回路控制就可以滿(mǎn)足大部份的應用要求，但隨著(zhù)使用時(shí)間、組件特性變化或受控負載或外界工作環(huán)境的變化，開(kāi)環(huán)回路控制因為沒(méi)有真實(shí)將受控程序的實(shí)際量反饋到控制器，因此控制結果可能與實(shí)際期望的結果會(huì )有些落差，閉環(huán)回路PID過(guò)程控制是用來(lái)克服并解決上述缺點(diǎn)的極佳選擇。FBS-PLC提供軟件數字化的 PID數學(xué)表達式，對于一般反應的閉環(huán)回路過(guò)程控制就可應付，但對于工業(yè)鍋爐這樣的需要有快速反應的閉環(huán)回路控制要使用本功能需要事先評估是否可行。典型的閉環(huán)回路程控示意圖如圖6所示。
 

根據應用要求，用戶(hù)將PID 控制器設定成比例+積分+微分控制器，其控制器的數字化數學(xué)表達式如下:

Mn:“n”時(shí)的控制輸出量
D4005:增益常數，默認值為1000;可設定范圍為1～ 5000
Pb:比例帶(范圍:1～5000，單位為0.1%; Kc(增益)=D4005/Pb)
En:“n”時(shí)的誤差=設定值(SP)-“n”時(shí)的過(guò)程變數值(PVn)
Ki:積分常數( 范圍:0～9999，相當于0.00～99.99 Repeats/Minute)
Td:微積分時(shí)間常數(范圍:0～9999，相當于0.00～99.99Minute)
PVn:“n”時(shí)的過(guò)程變數值
PVn-1:“n”時(shí)的上一次過(guò)程變數值
Ts:PID運算的間隔時(shí)間(范圍:1～3000，單位:0.01S)
Bias:偏置輸出量(范圍:0～16383)
加上微分項的控制器，目的在于消除程控系統的過(guò)度反應，進(jìn)而使程控系統能夠平穩緩和達到穩定。雖然微分項有上述優(yōu)點(diǎn)，但因其對輸出量的貢獻相當靈敏，大部分的應用不必使用微分項而將Td設定為0。PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi):一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗，直接在控制系統的試驗中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實(shí)際運行中進(jìn)行最后調整與完善。現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數的整定步驟如下:
(1) 首先預選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統工作;
(2) 僅加入比例控制環(huán)節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數和臨界振蕩周期;
(3) 在一定的控制度下通過(guò)公式計算得到PID控制器的參數。圖7是永宏可編程序控制器PID部分程序舉例。
 

除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進(jìn)行自動(dòng)化控制系統設計時(shí)，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數應設置常規儀表及報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。
5 結束語(yǔ)
由于采用了PLC進(jìn)行控制，系統功能完善，結構先進(jìn)合理，能耗小，擴展靈活，便于維
護，并且可靠性高，而且還極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。該系統自動(dòng)化程度較高，大大降低了操作者勞動(dòng)強度，降低了成本，經(jīng)過(guò)近2年的運行，用戶(hù)給予了很高評價(jià)，認為利用國產(chǎn)永宏P(guān)LC開(kāi)發(fā)的控制系統功能完善，綜合性強，人機界面友好，實(shí)用性好。隨著(zhù)國產(chǎn)優(yōu)秀可編程控制器和高速計算元件的快速發(fā)展，鍋爐控制系統將會(huì )更加完善