CN205480922U - 一种基于s-400plc的锅炉温度自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于S‑400PLC的锅炉温度自动控制系统，属于自动控制技术领域，包括传感器、PID控制器、PLC核心控制器、人机界面触摸屏、减温器、执行元件阀门、报警器、上料泵、燃料泵、鼓风机和锅炉燃烧烟挡挡板，减温器控制执行元件阀门的开度，PLC核心控制器为采用SCL语言编写生成的模糊－PID FB块，用于处理由传感器反馈回来的实时出口蒸汽温度，并动态算出当前最佳的PID参数给PID控制器，然后PID控制器来控制减温器后的执行元件阀门的开度从而来精桷控制锅炉的出口蒸汽温度。本实用新型能够有效、精确地控制锅炉的蒸汽出口温度，并且具有很小的超调量，能够快速达到工业生产所要求的温度。

Description

一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种锅炉温度控制系统，特别是涉及一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，属于自动控制技术领域。

背景技术

目前，锅炉是化工等工业过程中的动力设备，因为它的工作温度和工作压力很高，所以安全性极其重要。锅炉的产出物就是出口蒸汽，所以它是否达到工业上的参数要求是极其重要的。但在实际的现场生产中，存在着许多未知的或不稳定的干扰，会使实际的工艺状况发生改变，最终导致出口蒸汽不能满足工艺要求。锅炉的温度控制本来就是一个滞后性很大的过程，再加上其他回路的耦合，使之更难控制。本实用新型是研究锅炉温度的控制，采用模糊-PID控制，以达到工业上的性能指标的要求。

在我国锅炉的控制水平目前来说依然不及国外的水平先进，多数企业投入的研发不足，缺乏创新，生产效率相对较低，也没有达到完全的自动化控制水平。锅炉的耦合性非常强，变量相对较多，被控对象也较多，它们之间互相影响，要整体控制起来难度比较大。锅炉出口蒸汽的温度和压力是一个滞后性比较大的控制变量，响应速度也会比其他变量慢很多，出口蒸汽温度和压力的控制始终是一个难点，特别是温度的控制。近年来也出现了很多新的控制算法，例如神经网络、专家控制算法等等，但都由于限制比较高，都无法在锅炉上得到完全的应用，大多只是通过MATLAB等工具来仿真。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是为了解决现有技术中锅炉温度控制系统存在的上述不足，提供一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统。

本实用新型的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，包括传感器和PID控制器，所述传感器与所述PID控制器电连接，还包括PLC核心控制器、人机界面触摸屏、减温器、执行元件阀门和报警器，所述PLC核心控制器与所述PID控制器电连接，所述PID控制器与所述人机界面触摸屏、所述减温器、所述报警器电连接，所述减温器控制所述执行元件阀门的开度，所述PLC核心控制器为采用SCL语言编写生成的模糊－PID FB块，用于处理由所述传感器反馈回来的实时出口蒸汽温度，并动态算出当前最佳的PID参数给所述PID控制器，然后所述PID控制器来控制所述减温器后的所述执行元件阀门的开度从而来精桷控制锅炉的出口蒸汽温度。

进一步的，所述人机界面触摸屏内设有一操作按钮，所述操作按钮与所述PID控制器电连接，所述操作按钮控制所述PID控制器的开启或关闭。

进一步的，所述PLC核心控制器包括模糊化模块、模糊控制规则模块、模糊推理模块和解模糊模块，所述模糊化模块与所述模糊控制规则模块电连接，所述模糊控制规则模块与所述模糊推理模块电连接，所述模糊推理模块与所述解模糊模块电连接。

进一步的，还包括上料泵、燃料泵和鼓风机，所述上料泵与所述燃料泵连通，所述上料泵和所述燃料泵均由所述鼓风机泵料。

进一步的，还包括锅炉燃烧烟挡挡板，所述锅炉燃烧烟挡挡板设置在所述鼓风机与所述PLC核心控制器之间。

本实用新型的有益技术效果：本实用新型设计的一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，采用由西门子PLC的SCL语言编写生成的模糊－PID FB块作来核心控制器，处理由传感器反馈回来的实时出口蒸汽温度，动态算出当前最佳的PID参数给PID控制器，然后来控制减温器的执行元件阀门开度从而来精桷控制锅炉的出口蒸汽温度，可以十分迅速并有效、精确地控制锅炉的蒸汽出口温度，并且具有很小的超调量，能够快速达到工业生产所要求的温度。

附图说明

图1为本实用新型锅炉温度自动控制系统方框图；

图2为本实用新型PLC核心控制器方框图；

图3为本实用新型出口蒸汽温度控制系统示意图；

图4为本实用新型PLC核心控制原理框图；

图5为本实用新型模糊－PID控制原理框图；

图6为本实用新型出口蒸汽温度控制回路；

图7为本实用新型e和ec的隶属度函数；

图8为本实用新型K_p、K_I和K_D的隶属度函数。

图中：1-PLC核心控制器，2-人机界面触摸屏，3-操作按钮，4-传感器，5-减温器，6-执行元件阀门，7-报警器，8-上料泵，9-燃料泵，10-鼓风机，11-锅炉燃烧烟挡挡板，12-PID控制器，101-模糊化模块，102-模糊控制规则模块，103-模糊推理模块，104-解模糊模块。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本实用新型的技术方案，下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1、图2、图3和图4所示，一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，包括传感器4和PID控制器12，所述传感器4与所述PID控制器12电连接，还包括PLC核心控制器1、人机界面触摸屏2、减温器5、执行元件阀门6和报警器7，所述PLC核心控制器1与所述PID控制器12电连接，所述PID控制器12与所述人机界面触摸屏2、所述减温器5、所述报警器7电连接，所述减温器5控制所述执行元件阀门6的开度，所述PLC核心控制器1为采用SCL语言编写生成的模糊－PID FB块，用于处理由所述传感器4反馈回来的实时出口蒸汽温度，并动态算出当前最佳的PID参数给所述PID控制器12，然后所述PID控制器12来控制所述减温器5后的所述执行元件阀门6的开度从而来精桷控制锅炉的出口蒸汽温度。

进一步的，如图1所示，所述人机界面触摸屏2内设有一操作按钮3，所述操作按钮3与所述PID控制器12电连接，所述操作按钮3控制所述PID控制器12的开启或关闭。

进一步的，如图2所示，所述PLC核心控制器1包括模糊化模块101、模糊控制规则模块102、模糊推理模块103和解模糊模块104，所述模糊化模块101与所述模糊控制规则模块102电连接，所述模糊控制规则模块102与所述模糊推理模块103电连接，所述模糊推理模块103与所述解模糊模块104电连接。

进一步的，如图1所示，还包括上料泵8、燃料泵9和鼓风机10，所述上料泵8与所述燃料泵9连通，所述上料泵8和所述燃料泵9均由所述鼓风机10泵料，还包括锅炉燃烧烟挡挡板11，所述锅炉燃烧烟挡挡板11设置在所述鼓风机10与所述PLC核心控制器1之间。

图6是本实用新型出口蒸汽温度控制回路。

如图5所示，本实用新型所设计的PLC核心控制器为二输入三输出，即输入为e和ec,输出为K_P、K_I和K_D，语言变量为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，对应的英文缩写为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。隶属函数选择使用最为广泛的三角形隶属度函数。本实用新型的锅炉出口蒸汽温度，采用不规则的三角形隶属函数，当输入的值较小时，隶属度函数要稍尖，这样可以提高系统的灵敏性；当输入的值较大时，隶属度函数要较平缓，以保证系统的稳定性。

如图7和图8所示，先确定误差e和误差变化率ec的基本论域，然后把精确量e乘上模糊因子Ke，精确量ec乘上模糊因子Kec，得到它们对应的模糊论域中元素。设温度误差信号e所取的模糊论域为：{-n,-n+1,...,0,...,n-2,n-1,n}，n是离散化的档数。同样，取误差信号变化率ec的模糊论域为{-m,-m+1,...,0,...,m-2,m-1,m}。则：

$K_e=\frac{n}{e}$

$K_{ec}=\frac{m}{ec}$

具有丰富经验的操作员可以通过误差e和误差变化率ec两个值的大小来判断PID的三个参数的取值范围，它们之间是非线性的关系，可以用人类的语言来表达各种工况下参数该如何调整，但是却很难用一条或几条式子表示。

(1)当|e|的值较大时，K_p的值应取大点，这样可以加快系统的响应，但不能过大，过大容易造成系统的不稳定；为了防止出现过大的超调量，可以先暂时去掉积分作用，即取K_I＝0；在系统刚上升的阶段为了弱化微分作用，一般取较小的K_D。

(2)当|e|的值为中等时，为了使系统的超调量变小，K_p的值应取小一点；K_I的值可适当增大，但不宜过大；此时K_D的值可取稍微大点，加快响应速度，优化动态性能。

(3)当|e|的值较小时，一般K_p的值取大一点，可加强系统的稳态性能，然后K_I的值也取大点；当此时的|ec|较小时，K_D的值可调大点，而|ec|较大时，则相应调小K_D，这样可防止系统在设定值处附近出现振荡现象。PID的三个参数的具体控制规则可用表1、表2、表3来表示。

表1 K_p的控制规则表

表2 K_I的控制规则表

表3 K_D的控制规则表

把上表中的制规则输入到Matlab的模糊控制工具箱中，总共有49条规则。

本实用新型的模糊控制规则采用的是“If A and B,then C and D and E”的模糊规则，是一个五元模糊关系，它们的模糊关系为R＝A×B×C×D×E，共有49个这样的模糊关系，可以将其合并成一个总的模糊集合R：R＝R₁∪R₂∪R₃∪...∪R₄₈∪R₄₉

模糊控制量的计算公式为：

上式为关系矩阵法，但在实际的控制中要求系统有很好的实时性，而矩阵运算需求较长的计算时间，这是不允许的。因此实际中用的多为查表法，除此外还有解析法，不过解析法是根据控制表的规律而求出的，故此处选用查表法。查表法就是预先把输入变量所有可能的取值通过量化因子量化成输入模糊论域中的值，然后通过模糊推理和解模糊得到输出模糊论域的值，得到输入和输出两者之间的关系，用它制成的表格就称为控制表。通过模糊推理得到的结果是一个模糊子集，也就是一个模糊量。还需要把模糊量转化为精确量才可以直接输出到阀门等设备。解模糊的方法有很多，主要有重心法(力矩法)、最大隶属度法、系数加权平均法等。本实用新型采用重心法：

它取推理结论模糊子集隶属度函数曲线与横坐标轴所围成的面积的重心作为代表点，即：

$u=\frac{\∫{\mathrm{x\μ}}_N\left(x\right)dx}{\∫{\mathrm{\μ}}_N\left(x\right)dx}$

当模糊控制量的隶属度函数为离散的点时，则为：

$u=\frac{{\mathrm{\Σx}}_i\×{\mathrm{\μ}}_N\left(x_i\right)}{{\mathrm{\Σ\μ}}_N\left(x_i\right)}$

比例因子G_u可以把输出模糊论域中的值转化为输出基本论域中的值。比例因子定义：

$G_u=\frac{f}{z}$

式中，f为输出的模糊论域，z为输出的基本论域。

最后由下式对三个参数实现在线修改：

$\left\{\begin{array}{c}P=K_{P0}+G_P\×K_P\\ I=K_{I0}+G_I\×K_I\\ D=K_{D0}+G_D\×K_D\end{array}\right.$

式中P,I,D为控制器的三个参数，K_P0、K_I0、K_D0控制器的初始值，G_P、G_I、G_D为比例因子，K_P、K_I、K_D为PLC核心控制器输出的值。

综上所述，本实用新型设计的一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，采用由西门子PLC的SCL语言编写生成的模糊－PID FB块作来核心控制器，处理由传感器反馈回来的实时出口蒸汽温度，动态算出当前最佳的PID参数给PID控制器，然后来控制减温器的执行元件阀门开度从而来精桷控制锅炉的出口蒸汽温度，可以十分迅速并有效、精确地控制锅炉的蒸汽出口温度，并且具有很小的超调量，能够快速达到工业生产所要求的温度。

以上所述，仅为本实用新型优选的实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型所公开的范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，包括传感器(4)和PID控制器(12)，其特征在于，所述传感器(4)与所述PID控制器(12)电连接，还包括PLC核心控制器(1)、人机界面触摸屏(2)、减温器(5)、执行元件阀门(6)和报警器(7)，所述PLC核心控制器(1)与所述PID控制器(12)电连接，所述PID控制器(12)与所述人机界面触摸屏(2)、所述减温器(5)、所述报警器(7)电连接，所述减温器(5)控制所述执行元件阀门(6)的开度，所述PLC核心控制器(1)为采用SCL语言编写生成的模糊－PID FB块，用于处理由所述传感器(4)反馈回来的实时出口蒸汽温度，并动态算出当前最佳的PID参数给所述PID控制器(12)，然后所述PID控制器(12)来控制所述减温器(5)后的所述执行元件阀门(6)的开度从而来精桷控制锅炉的出口蒸汽温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，其特征在于，所述人机界面触摸屏(2)内设有一操作按钮(3)，所述操作按钮(3)与所述PID控制器(12)电连接，所述操作按钮(3)控制所述PID控制器(12)的开启或关闭。

3.根据权利要求1所述的一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，其特征在于，所述PLC核心控制器(1)包括模糊化模块(101)、模糊控制规则模块(102)、模糊推理模块(103)和解模糊模块(104)，所述模糊化模块(101)与所述模糊控制规则模块(102)电连接，所述模糊控制规则模块(102)与所述模糊推理模块(103)电连接，所述模糊推理模块(103)与所述解模糊模块(104)电连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，其特征在于，还包括上料泵(8)、燃料泵(9)和鼓风机(10)，所述上料泵(8)与所述燃料泵(9)连通，所述上料泵(8)和所述燃料泵(9)均由所述鼓风机(10)泵料。

5.根据权利要求4所述的一种基于S-400PLC的锅炉温度自动控制系统，其特征在于，还包括锅炉燃烧烟挡挡板(11)，所述锅炉燃烧烟挡挡板(11)设置在所述鼓风机(10)与所述PLC核心控制器(1)之间。