CN108398901A - 智能加热炉控制系统及其控制方法 - Google Patents

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吴悦
夏金威
张惠国
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Abstract

一种智能锅炉技术领域的智能加热炉控制系统及其控制方法，包括：控制单元、烟气压力传感器、温度传感器、液位传感器和驱动模块；所述烟气压力传感器与控制单元相连并输出炉内烟气压力信息；所述温度传感器与控制单元相连并输出炉内温度信息；所述液位传感器与控制单元相连并输出炉内上下限液位信息；所述控制单元与驱动模块相连并根据上述加热炉参数信息输出驱动模块控制信息；所述驱动模块与加热炉各电机相连，根据驱动模块控制信息通过加热炉各电机对加热炉进排水、进出料及排气进行驱动控制。本发明能够实现加热炉良好的反馈控制，提高加热炉的利用效率，并增强实时监测及预防危害的能力。

Description

智能加热炉控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种智能锅炉领域的技术，具体是一种智能加热炉控制系统及其控制方法。
背景技术
目前，我国各类工业锅炉的自动控制系统种类众多，但现有的自动控制系统一般以实现远程控制为主，进行基本的启停操作和数据显示，智能化程度不高。对于锅炉复杂的参数控制常依据经验而定，故锅炉反馈控制的迟滞性大且浪费现象严重。
虽然有一些先进的自动控制系统的应用，但仍存在反馈控制迟滞性略大的问题，导致反馈控制无法兼顾稳定性和控制效率。
反馈控制的迟滞性主要存在于测量环节的滞后，包括容量滞后和纯滞后。
容量滞后是由于测量元件自身具有一定的时间常数所致。由于时间常数的存在，其任何时刻所提供的被控变量的数值都比被控变量的真实值要小，这样从变送器输出来看被控变量被控制的很好，参数并没有超出所允许的范围，但这只是一种假象，实际被控变量的数值可能早已超出了允许的范围，时间常数越大，这种假象就越严重。
参数变化的信号传递到检测点需要花费一定的时间，因而产生了纯滞后，且纯滞后一般都比较大，必须引起注意。纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的，输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，若控制通道存在纯滞后时间τ0，那么控制作用要等到t1+τ0时刻才开始对干扰起到抑制作用，而在此时间以前，系统由于得不到及时的控制，锅炉被控变量只能任由干扰作用影响而不断上升或下降。控制通道纯滞后的存在危害巨大，当需要增加控制作用时会使控制作用增加的太多，而一旦需要减少控制作用时，又会是控制作用减少的太过分，不仅使系统控制不及时，动态偏差增大，而且还会使控制器出现失控，导致系统的振荡，使系统的稳定性降低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种智能加热炉控制系统及其控制方法，能够实现加热炉良好的反馈控制，提高加热炉的利用效率，并增强实时监测及预防危害的能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种智能加热炉控制系统，包括：控制单元、烟气压力传感器、温度传感器、液位传感器和驱动模块；
所述烟气压力传感器与控制单元相连并输出炉内烟气压力信息；
所述温度传感器与控制单元相连并输出炉内温度信息；
所述液位传感器与控制单元相连并输出炉内上下限液位信息；
所述控制单元与驱动模块相连并根据上述加热炉参数信息输出驱动模块控制信息；
所述驱动模块与加热炉各电机相连，根据驱动模块控制信息通过加热炉各电机对加热炉进排水、进出料及排气进行驱动控制。
所述智能加热炉控制系统还包括报警模块、显示单元和输入单元；所述控制单元与报警模块相连，在加热炉参数信息超过阈值时输出报警信息；所述控制单元与显示单元相连，并实时输出加热炉参数信息；所述输入单元与控制单元相连并输出人工操作信息。
所述控制单元采用STM32F103RBT6单片机。
所述温度传感器包括若干个，设置于炉膛内、加热炉出口和加热炉入口处。
所述输入单元采用非编码键盘，包括单片机复位按钮、校准按钮和调整按钮，所述调整按钮用于调整系统各项数据阈值。
本发明涉及一种对上述系统采用PID进行控制的方法，包括以下两部分：
1)效率控制；首先在对炉内烟气压力、炉内温度和炉内上下限液位这些被控变量开始跟踪时，取消积分作用，而当被控变量接近给定值时再将积分作用加入，消除余差，减少超调所需的时间；
2)稳定性控制；仅对炉内烟气压力、炉内温度和炉内上下限液位这些被控变量的测量值求导，从而在改变设定值时，避免输出出现突变。
所述输出可表示为：其中，
KP为比例调节系数，加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，
TD为微分时间常数，微分时间常数是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷，
TI为积分时间常数，积分作用与积分时间常数成反比，
PV(s)为测量值，测量值先经过微分先行运算，再进行比例积分运算，
SV(s)为设定值，
s为采样序号。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够通过对加热炉内液位、温度、烟气压力等参数进行快速且稳定的反馈控制，具有较高的控制精度和较强的抗干扰能力，提高了加热炉的利用效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为实施例1中单片机工作的最小系统电路原理图；
图3为实施例1中下载模块电路图；
图4为实施例1中输入单元电路图；
图5为实施例1中驱动模块电路图；
图中：控制单元1、烟气压力传感器2、温度传感器3、液位传感器4、驱动模块5、报警模块6、显示单元7、输入单元8、下载模块9。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种智能加热炉控制系统，包括：控制单元1、烟气压力传感器2、温度传感器3、液位传感器4和驱动模块5；
所述烟气压力传感器2与控制单元1相连并输出炉内烟气压力信息；
所述温度传感器3与控制单元1相连并输出炉内温度信息；
所述液位传感器4与控制单元1相连并输出炉内上下限液位信息；
所述控制单元1与驱动模块5相连并根据上述加热炉参数信息输出驱动模块控制信息；
所述驱动模块5与加热炉各电机相连，根据驱动模块控制信息通过加热炉各电机对加热炉进排水、进出料及排气进行驱动控制。
所述智能加热炉控制系统还包括报警模块6、显示单元7和输入单元8；所述控制单元1与报警模块6相连，在加热炉参数信息超过阈值时输出报警信息；所述控制单元1与显示单元7相连，并实时输出加热炉参数信息；所述输入单元8与控制单元1相连并输出人工操作信息。
所述温度传感器3包括若干个，设置于炉膛内、加热炉出口和加热炉入口处。
本实施例涉及一种对上述系统采用PID进行控制的方法，包括以下两部分：
1)效率控制；在一般的PID控制中，当启动、停车或大幅度改变给定值时，由于在短时间内产生很大的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，造成很大的超调和长时间的振荡；为了克服此缺点，在对炉内烟气压力、炉内温度和炉内上下限液位这些被控变量开始跟踪时，取消积分作用，而当被控变量接近给定值时再将积分作用加入，消除余差，减少超调所需的时间；
2)稳定性控制；仅对炉内烟气压力、炉内温度和炉内上下限液位这些被控变量的测量值求导，而不对设定值进行求导，从而在改变设定值时，避免输出出现突变。
所述输出可表示为：
烟气压力传感器2检测加热炉内的烟气压力值，输出电信号经信号变换后送至控制单元1，控制器根据此信号的大小，利用上述控制方法得到输出控制信号，经放大器放大后通过驱动模块5调节炉内的压力值；加热炉内烟气值的高低会导致炉内压力产生变化，当炉内烟气值超过设定的范围可能导致炉内压力陡升，发生危险，因而需要通过烟气压力传感器2对加热炉内烟气压力进行监测以便及时进行排气处理，排气完成后驱动出料电机进行出料工作；当烟气压力传感器2检测到炉内烟气值低于设定的范围，炉内压力不足时需要驱动模块5控制加料电机进行加料工作，以保证压力参数值的正常。
加热炉的温度控制是非常重要的控制参数之一，炉内温度过低或不达标，导致无法加热物料或加热物料不充分，都会造成资源浪费；炉内温度过高，导致物料过度加热发生焦化变质，甚至导致炉内烟气压力值上升，发生危险。采用单片机及其外围芯片实现加热炉进出口温度、炉膛温度的闭环反馈控制；当出口温度的值比预先设定好的值低时，比较得出两者的偏差值，再通过控制并提高加热功率，以达到要求的出口温度，同时控制炉膛温度始终处于一定的范围值内，以便充分加热物料。以理想温度值250℃、适应范围±50℃为例，超过300℃就要降低炉膛温度，进行加水降温处理，低于200℃就要提高相应的加热功率。在工业中，不可能只是单一的加热炉，更多应用的是分段式加热炉，上一炉的物料可能会传送至下一炉进行加热等操作，所以入口温度、出口温度也需要检测。
传统的液位控制无法实现远距离实时集中控制，且单靠人工操作已经无法适应时代发展更替。采用单片机及其外围芯片实现加热炉液位控制，可以提高控制精度的控制效率；液位传感器4检测到当前加热炉液位值低于液位下限值时，控制系统启动电泵给加热炉进行加水，液位传感器4检测到当前加热炉液位值高于液位上限值时，控制系统停止进水工作，关闭电泵；当遇到特殊情况，例如不可控停水或响应延迟，液位传感器4检测到当前值低于最低下限值时，再次启动电泵进行抽水并进行报警处理；液位传感器4检测到当前值高于最高上限值时，控制系统停止启动电泵抽水并进行报警处理。
所述控制单元1采用STM32F103RBT6单片机；STM32F1系列属于32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品，其内核是Cortex-M3，最小工作电路如图2所示；采用STM32F103RBT6单片机作为核心控制单元，具有控制简单、方便、快捷、价格低廉等优点。
如图3所示，本实施例还设有下载模块9；所述下载模块9选用CH340作为USB转串口芯片，TXD为串口发送端，RXD为串口接收端，通过下载电路可对芯片进行软件调试，提高控制系统的可操作性。
本实施例中输入单元8采用非编码键盘，包括单片机复位按钮、校准按钮和调整按钮，所述调整按钮用于调整系统各项数据阈值；电路图如图4所示，在按键没有按下的时候，输出的是高电平，当按键按下去的时候，输出的低电平。
本实施例中驱动模块5采用L298N芯片，具有启动性能好，启动转矩大的优点；工作电压可达到36V，4A，可同时驱动两台直流电机，用于供给加热炉进出料；电路图如图5所示。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种智能加热炉控制系统，其特征在于，包括：控制单元、烟气压力传感器、温度传感器、液位传感器和驱动模块，其中，
所述烟气压力传感器与控制单元相连并输出炉内烟气压力信息；
所述温度传感器与控制单元相连并输出炉内温度信息；
所述液位传感器与控制单元相连并输出炉内上下限液位信息；
所述控制单元与驱动模块相连并根据上述加热炉参数信息输出驱动模块控制信息；
所述驱动模块与加热炉各电机相连，根据驱动模块控制信息通过加热炉各电机对加热炉进排水、进出料及排气进行驱动控制。
2.根据权利要求1所述的智能加热炉控制系统，其特征是，所述智能加热炉控制系统还包括报警模块、显示单元和输入单元；所述控制单元与报警模块相连，在加热炉参数信息超过阈值时输出报警信息；所述控制单元与显示单元相连并实时输出加热炉参数信息；所述输入单元与控制单元相连并输出人工操作信息。
3.根据权利要求2所述的智能加热炉控制系统，其特征是，所述控制单元采用STM32F103RBT6单片机。
4.根据权利要求1所述的智能加热炉控制系统，其特征是，所述温度传感器包括若干个，设置于炉膛内、加热炉出口和加热炉入口处。
5.根据权利要求1所述的智能加热炉控制系统，其特征是，所述输入单元采用非编码键盘，包括单片机复位按钮、校准按钮和调整按钮，所述调整按钮用于调整系统各项数据阈值。
6.一种对上述任一项权利要求所述智能加热炉控制系统采用PID进行控制的方法，其特征在于，包括以下两部分：
1)效率控制；首先在对炉内烟气压力、炉内温度和炉内上下限液位这些被控变量开始跟踪时，取消积分作用，而当被控变量接近给定值时再将积分作用加入，消除余差，减少超调所需的时间；
2)稳定性控制；仅对炉内烟气压力、炉内温度和炉内上下限液位这些被控变量的测量值求导，从而在改变设定值时，避免输出出现突变。
7.根据权利要求6所述采用PID进行控制的方法，其特征是，所述输出可表示为：
其中，KP为比例调节系数，TD为微分时间常数，TI为积分时间常数，PV(s)为测量值，SV(s)为设定值，s为采样序号。
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