三维力控控制策略在锅炉控制系统中的应用

摘要:由于锅炉在生产生活中占有及其重要的地位,而其控制系统的好坏直接决定着锅炉的运行状况,所以良好的控制系统是至关重要的。在传统的锅炉控制系统的方案设计中,通常采用DCS、PLC或智能仪表内部整合的控制算法完成一系列的PID控制,但是仍有它们的不足之处。首先,这些控制设备内部的控制策略修改起来很不方便,有些控制策略在系统运行期间甚至是不允许修改的。其次,这些控制设备的控制能力与它的成本成正比率关系,低廉的设备只能完成一些简单的常规控制,而且逻辑操作速度不高,控制算法种类也偏少。这些缺陷严重制约着设备性能的发挥。而借助力控控制策略丰富的算法,就可以弥补这些设备在运算、控制能力上的不足。
  
关键词:三维力控 组态软件 控制策略 锅炉 三冲量 PID
  
一、 引言:
  众所周知,工业过程控制系统的安全性、稳定性、准确性和经济性是企业考虑的重中之重,是衡量系统是否可行的重要指标。随着工业自动化整体技术水平的提高,方案的选择范围增多,但据不同的要求和不同的侧重点,最优方案始终是我们的首选。其中以三维力控自动化监控组态软件为上位机的控制系统中,在保证系统的安全性、准确性和稳定性的同时,也保证了项目投资成本的最小化。
  
二、力控组态软件简介
  力控是运行在Windows98/NT/2000/XP操作系统上的一种组态软件。使用力控,用户可以方便、快速地构造不同需求的数据采集与监控系统。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法,其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能,并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备,与高可靠的工控计算机和网络系统结合,可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口,进行系统集成。
  力控控制策略是应用工程运行中的进程之一,与力控实时数据库、IO采集一起构成了整个控制系统,完成采集数据、处理数据及控制输出。
  
三、系统特点
  在锅炉控制系统中,锅炉汽包水位的控制、过热蒸汽的温度控制、燃料量流量的控制和送风流量的控制是控制重点,下面就汽包水位控制过程进行分析,明确控制对象、操作量和被调量等参数,用类似方法可分析其它的控制过程。
  锅炉汽包水位控制:汽包水位调节系统的主要任务是使给水量与锅炉蒸发量保持平衡,并维持汽包水位在工艺规定的范围内。由此分析出锅炉的受控变量为汽包水位,操纵变量是给水流量。汽包水位是锅炉运行的主要指标,水位过高或过低都会带来比较严重的后果。所以通常采用三冲量控制方案,即分别对给水流量、蒸汽流量和水位进行控制,控制系统结构如图一示:




图一 汽包三冲量控制图

  三冲量控制实际上是前馈蒸汽流量和串级控制组成的复合控制系统,系统如图二所示,




图二 系统图

  
四、方案设计
  明确整个控制流程和控制对像,就可以开始设计方案了。在早的控制系统中多由模拟PID调节器、PLC和智能仪表等完成PID控制;随着工业自动化软件的发展兼各种智能设备、通讯附件功能的完善,充分利用计算机的能力,使本来由硬件完成的功能慢慢转移到计算机处理中,尤其表现在大量数据处理的系统中。目前,以力控控制策略为上位机的控制系统已成功运行,系统的结构如下图示:



  力控控制策略编辑器采用了算法块图的形式,设计简单、操作方便、无需编写脚本,根据系统控制流程就可快速地完成。 
  
五、软件实现三冲量PID调节
具体步骤如下:




图四 控制策略编辑窗口

说明:
1. 左边是个树型列表
(1)“工具”下是分类的算法块
(2)“策略管理”下是策略窗口
2.右边是当前策略编辑窗口
1.建立数据库变量:运行力控开发系统或者实时数据库开发系统,进入数据库组态环境DbManage,如图所示:




图五 建立数据库IO点

说明:(1).主要功能是将点与设备IO点建立一对一的关系、点参数设置、参数保存方式及其它处理方法;(2).数据库点可分区域、分单元及分组显示,一方面方便自己区分、快速浏览;另一方面方便报警记录查询、总貌浏览和历史曲线查询。
2.建立PID控制回路:进入控制策略编辑窗口,将PID控制器拉至右边策略窗口,或者先点击PID控制器,再点击策略窗口欲绘制算法块的位置。如图六所示:




图六 添加PID控制器

3.设置PID算法块属性及参数,PID算法块的主要属性列表如图七所示:



4.PID控制器的信号输入和输出的连接,具体步骤如下:
4.1绘制PID功能模块一样,绘制数据库输入变量和数据库输出变量,也可以绘制“变量”下的其它的变量块,方法类同,这里仅以数据库变量为例,如图十三所示:




图十三 绘制数据库输入输出块

4.2 正确选择数据库输入输出变量及参数,这些变量都是在数据库中已定义的点,点有很多的参数,变量就是点的某一参数值,选择方法如图十四所示:




图十四 选择数据库变量

4.3 各算法块的连接方法:将鼠标放在算法块端子处,稍停片刻,若为输入端子,则鼠标变成in,若为输出端子,则鼠标变成out,此时,双击鼠标一次,再将鼠标转致另外算法块的端子,双击鼠标,若成功,则两端子间出现白色虚线,将鼠标移致别处,则算法块间出现一条白色实线。如图十五所示:




图十五 已建立连接的算法块

注意:
连完线后,检查是否有虚接现象
4.4 简单的单PID控制回路已经完成,保存,编译。
5.界面组态
控制策略完成后,数据库组态“DBManage”中发生了如下变化:



说明:增加了以算法块为变量点的控制策略区域
5.1 双击PID点,可以查看PID点参数:




图九 PID0点的基本参数属性页

5.2 PID点的参数与PID控制器的属性的对应关系,如表一:




表一 PID点主要参数表

5.3 为方便PID回路的调节,画面设计如下:



参数详细说明见图七及表一
6.编译、运行。
  
六、结束语
  力控控制策略在成本、开放性、灵活性、功能和界面等方面给企业用户提供了最佳的控制系统解决方案。我们通过采用力控组态软件建立了装置的生产实时数据库系统,在系统的设计中实时数据库和控制策略间是交互的,它们之间存在着如何建立连接的问题,即控制策略算法块需要以实时数据库为输入输出,同时实时数据库也需要取得算法块的参数,方便运行中动态修改,这样才能确保系统稳定地运行。
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