基于PLC的锅炉温度串级控制系统的设计与应用

肖宝森

（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105）

基于PLC的锅炉温度串级控制系统的设计与应用

肖宝森

（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105）

由于锅炉温度这一调节对象的动态特性比较复杂，而工艺对温度的调节要求又比较高，简单的单回路控制系统往往无法满足需求。为解决这一问题，本系统采用S7-200CN系列PLC、热电阻Pt100、温度变送器、调压模块、模拟量扩展模块EM231和EM232以及上位机等组成一个较为先进、稳定的锅炉温度串级控制系统。通过获得中间变量-锅炉内胆温度的数值,并利用它构成一个副反馈回路,预先调节影响中间变量的干扰,进而提高串级控制系统的动态品质。实验结果表明，该系统工作稳定可靠，能较好改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，具有较强的抗干扰能力和一定的自适应能力。

串级控制；PLC；锅炉；温度；动态特性

在石油、化工、制药、冶金、电力、材料、食品、轻工和建筑等行业领域中，以温度、压力、液位、流量和成分为主要被控变量的控制系统均归类为“过程控制”。现代技术日新月异，工业生产发展迅猛，过程工业逐步往大型化和精细化方向发展，工业生产本身的技术性和复杂性也在逐渐增加，自然而然对自动控制提出更高的标准和要求[1]。当调节对象的动态特性比较复杂，而工艺对调节质量的要求又比较高时，简单的单回路控制系统往往达不到理想的控制效果。近年来，出现了多种先进的锅炉温度控制方法，诸如模糊控制、PID控制、神经网络和遗传算法控制等。这些技术大大提高了温度控制精度，不但使控制变得简单、提高控制效果，而且降低了生产成本、提高了生产效率。在我国用于工业自动化控制的控制器主要有：单片机、现场可编程门阵列（FPGA）、可编程控制器（PLC）、数字信号处理器（DSP）、DCS系统[2]。

本文研究的是锅炉温度控制系统，当采用单回路系统控制时，由于仅使用一个调节器，对PID参数设置的精度要求较高，一旦设置不当容易造成响应曲线出现较大波动，严重影响系统控制品质。因此本文采用串级控制方式，以北京亚控公司开发的工业级软件平台组态王KingView6.5为上位机，S7-200CN系列PLC为调节器，通过PC/PPI通信协议实现PLC与上位机的通信。

1 系统工作原理

所谓串级控制，即将两个调节器串联起来，第一个调节器的设定值是系统的控制目标，其输出传给第二个调节器，作为第二个调节器的设定值；第二个调节器的输出作为系统的输出，作为系统的控制“动作”[3]。锅炉温度串级控制系统具有两个闭合回路，两个调节器以及两个温度变送器，在结构上形成两个闭环。外侧的闭环回路一般称为主回路，主回路以锅炉夹套温度为控制对象，是一个定值控制系统。系统主回路调节器的作用是精确维持被调量处于符合生产要求的某一设定值，避免被调量存在或大或小的任何偏差，因而主调节器一般选用PI或PID控制方式。内侧的闭环回路一般称为副回路，副回路应该包含被控对象所受的主要干扰，副参数的选择依据是其应使副回路这一闭环回路的时间常数小、调节通道短，这样才可以有效提高系统响应速度，并改善系统的控制品质[4]。在工业生产过程控制中，主回路发挥“微调节”作用，副回路则起“大调节”作用。因此，选择锅炉内胆温度为副回路控制对象，选用调节速度较快的P控制方式。锅炉温度串级控制系统的原理图如图1所示。

图1 锅炉温度串级控制系统原理图

2 PLC控制系统模型分析

随着生产工艺复杂程度的加大和产品质量要求的提高，锅炉温度的控制显得尤为重要。目前，锅炉温度正在朝向智能化、快速化、“0精度误差”等方向发展。如前所述，在本系统中，锅炉夹套温度为系统的控制目标，以锅炉夹套为被控对象，夹套温度为被控参数，以锅炉内胆为副被控对象，内胆温度为副被控参数，以加热电压为控制参数，以PLC为控制器构成锅炉温度串级控制系统。设计并选择合适的参数实现对锅炉夹套温度的精确控制。

PID调节器的输入输出关系可以通过以下的数学模型得出：式(1)中，ev(t)=sv(t)-pv(t)为误差信号，mv(t)为调节器的输出信号。Kp、T、D、M分别表示比例系数、积分时间常数、微分时间常数和偏移量。式(1)含有较为复杂的微积分计算，前3项分别代表比例部分、积分部分和微分部分。若选取3项中的1或2项，则可组成P或PI等较为合适的调节器。PLC闭环控制系统如图2所示，其中sv(n)、ev(n)、pv(n)、mv(n)为第n次采样得到的数字量，mv(t)、pv(t)为模拟量。采用矩形积分作为近似计算代替积分，用差分法求微分值，将式(1)离散化，进而得出第n次采样时控制器的输出值，具体如下所示：

图2 PLC闭环控制系统

3 系统硬件设计

在工业生产中，往往要求系统硬件能够长期稳定运行，且具有较高控制精度。本系统使用的硬件主要包含S7-200CN系列PLC、热电阻Pt100、温度变送器、调压模块、模拟量扩展模块EM231和EM232以及上位机等。

3.1 主要硬件选择

（2）温度传感器选择：目前工业上常用的接触式温度测量传感器主要有热电偶与热电阻两种[5]。热电偶在温度测量中的应用最为普遍，其特点主要有如下几点：温度测量范围宽、工作稳定可靠和动态响应好，最重要的是能够远传4～20 mA电信号，以实现系统自控目的。热电偶的测温原理是基于热电效应。热电阻同样在工业市场中占有较大比例的份额，但是其测温范围相比热电偶较窄这一局限性使其应用受到一定限制。热电阻的测温原理是随着温度的变化，导体或半导体的电阻值也将随之相应变化。工业上常用的热电阻主要有Cu50，Cu100，Pt10，Pt100，铜热电阻的温度测量范围约为-40～140℃，铂热电阻的温度测量约为-200～650℃[6]。考虑到锅炉内液体（如原油、相关化学物等）的温度范围可能超过140℃，工业生产的高精度要求以及成本，选用热电阻Pt100，可以较好满足系统要求。

（3）温度变送器选择：从性能可靠、低温度漂移等要求方面考虑，选择SWP-TR-08-0/400铂电阻温度变送器，其采用独特的双层电路板结构，上层电路可定义传感器类型和测量范围，下层是信号调节电路[7]。该温度变送器直接安装于热电阻Pt100接线盒内，将热电阻（三线制）检测到的电阻信号转化为两线制4～20 mA标准电流信号线性化输出。为了把电流信号转换成电压信号作为模拟量输入模块的输入端，在输出端串联一个250 Ω的电阻，即可得到1～5 V的电压。

（4）调压模块选择：调压模块选择可控硅单相交流调压器，其主要由可控整流电路和触发电路两部分组成,其电路原理图如图3所示。

(5)模拟量扩展模块选择：系统采用的模拟量扩展模块EM231和EM232，分别提供了4路模拟量输入（0～5 V）和 2路模拟量输出（4～20 mA）的功能，具有12位的分辨率和多种输出/输入范围，能够不用外加放大器而直接与传感器和执行器相连[8]。

图3 可控硅单相交流调压电路原理图

4 系统参数整定

串级控制系统的整定比单回路系统复杂，两个调节器串接在同一系统的两个不同回路中，互相作用，影响参数的整定。因此，在系统整定时，为了使主、副回路的频率错开，减少相互之间的影响，一般的做法是尽可能增加副回路调节器的增益以提高副回路的频率。

串级系统的PID整定主要有3种方法：两步整定法、一步整定法和逐步逼近法。本系统采用两步整定法取得相应PID数值，具体整定步骤如下[9]：

（1）先整定副回路：在系统工作状况稳定且主、副回路闭合的情况下，将主回路调节器的比例度δ置于100%处，即为纯比例运行。按照4∶1衰减法整定副回路，求得该衰减比下副调节器的衰减比例度δ2S和衰减操作周期T2S。

城市系统的模拟需要嵌入不确定的因素或者用户期望的因素，从而模拟出不确定性的城市系统或者用户所预期的城市形态.传统地理信息系统(GIS)在处理地理现象的时间过程上存在一定的局限性，而许多研究表明[1]，元胞自动机(CA)能更容易模拟各种现象随时空变化的动态性，这是因为CA非常适合模拟复杂系统.将GIS和CA结合起来，能够更好的模拟真实城市的发展，提高模拟的精度.

（2）再整定主回路：将δ2S的数值赋予副调节器的比例度，再逐步调低主调节器的比例度δ1S，进而得到衰减比相等时的主回路过渡过程曲线，将由此得到的主调节器比例度δ1S和操作周期T1S记录下来。

将上述步骤中求出的δ1S、T1S、δ2S、T2S,根据选用的调节器类型，按照4∶1衰减曲线的整定方法，求出主、副调节器的整定参数。

（3）根据“先副后主、先比例后积分”的一般性原则，根据所计算出的各个调节器参数值设定相关调节器参数。

（4）施加5%～15%左右的干扰再次进行实验验证，观察实验过程，直到实验曲线符合相关要求为止。

最后，得出满足系统控制品质要求的主、副调节器控制参数。主调节器参数：Kp1=5，Ti1=20；副调节器参数：Kp2=7.5。

5 PLC与上位机通信

选用工业级软件平台组态王KingView6.55为上位机。该软件作为一个开放型的通用工业监控软件，融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，支持与国内外常见的PLC、数据采集卡、智能仪表、变频器等通过常规通信接口进行数据通信[10]。

西门子的V4.0 STEP7 MicroWIN SP4软件是用于S7-200系列PLC的开发工具，它通过一条PC/PPI编程电缆将PC机上的COM口连接到PLC的编程口上，两者通信采用S7-200CPU最基本的通信方式—PPI协议[11]。在组态王软件中完成以下3个步骤即可实现PLC与上位机的通信。

（1）设置串口COM1属性：各参数设置如下：波特率为9600，选择偶校验，通信超时为3000 ms，通信方式为RS232，数据位为8位，停止位为1位，具体如图4所示。

（2）添加PLC设备：通过设备配置向导完成PLC的添加：选择PLC→西门子→S7-200系列→PPI,并设置好设备地址和相关通信参数。

（3）变量的定义：完成锅炉内胆、夹套温度等相关变量的定义，设置好变量的数据类型、寄存器类型、采集频率和线性转换方式等，如锅炉夹套温度测量值在组态王数据词典中的变量名定义为TEM1_PV，变量类型为I/O实数，连接设备为PLC(S7-200CN)，寄存器地址为V30。从而实现将检测设备的数据实时送入数据库中的指定对象中，或把数据对象的值通过指定通道输送到指定设备[12]。

图4 COM1串口属性

6 实验与结论

为了准确、较为全面验证该系统的锅炉夹套温度控制是否稳定可靠、精度是否符合要求，采取对锅炉夹套温度分别设定不同数值进行多次实验的方式，实际测量系统稳定后的夹套温度值，并与设定值进行对比、分析。具体实验过程如下：

（1）分别设定锅炉夹套温度SP1=45.0℃，SP2=50.0℃，SP3=55.0℃，SP4=60.0℃,SP5=65.0℃。

（2）根据上述有关规则及整定所得到的PID参数，下载程序至CPU中，分别将系统投入运行。

（3）从上位机监控软件组态王中分别得到锅炉内胆、夹套温度实时曲线。

（4）使用数字测温仪温度表分别测得5次实验中的夹套温度实际值，具体如表1所示。

其中，当锅炉夹套温度设定值SP=50℃时，系统稳定后副调节器的锅炉内胆温度设定值为SP= 61.46℃（该值由主调节器的输出值确定）。从上位机监控软件组态王得到锅炉内胆、夹套温度实时曲线如图5所示。从实时曲线上可以看出，系统的超调量约15%，稳定时间少于2 min，系统稳定后的温度值与所设定的温度值误差非常小，表明系统的响应速度快、控制精度高。从5次实验数据亦可看出，该系统工作稳定，控制精度高。

表1 锅炉夹套温度实验数据表

图5 锅炉内胆、夹套温度实时曲线

7 结束语

实验证明，该锅炉温度串级控制系统以工业级软件平台--组态王KingView6.5为上位机，S7-200CN系列PLC为调节器，通过PPI通信协议实现PLC与上位机的通信，达到了锅炉温度自动控制的目的。与简单控制系统相比，本串级控制系统只增加了一个调节器和一个测量变送元件，但是系统控制效果却明显提高，具有良好的控制性能，对象的动态特性得到一定的改善，系统的工作频率也得到提高，具有较强的抗干扰能力和一定的自适应能力。在衰减系数相同的情况下，可较大程度缩短系统的调节时间，进而提高系统的响应速度。

［1］邵裕森，戴先中．过程控制工程［M］．北京：机械工业出版社，2000．

［2］帕孜来·马合木提，杨华伟．基于DCS的电锅炉温度控制系统设计［J］．实验技术与管理，2016（3）：82－85．

［3］罗及红．基于PID算法的炉窑温度串级控制系统设计［J］．计算机测量与控制，2012，20（12）：3243－3245．

［4］张子栋，王怀彬，李炳熙．锅炉自动调节［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999．

［5］边立秀．热工控制系统［M］.北京：中国电力出版社，2002．

［6］徐湘元．自适应控制理论与应用［M］．北京：电子工业出版社，2007：254－262．

［7］董晓津．啤酒发酵过程监控系统的研究［D］．西安：西安交通大学，2003．

［8］Astrom K J．Toward intelligent control［J］．IEEE Control Systems Magazine，1989，9（3）：60－64．

［9］何享文，胡晚霞．智能在线自整定PID算法及在电加热炉控制系统中的应用［J］．电子测量与仪器学报，1998，12（1）：65－69．

［10］YU D，XU Z Q．Nonlinear coordinated control of drum boiler power unit based on feedback linearization［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2005，20（1）：204－210．

［11］SIEMENS．SIMATIC S7－200可编程控制器系统手册［M］．SIEMENS，2000．

［12］房方，魏乐，谭文，等．基于动态扩展算法的大型燃煤机组非线性协调控制系统设计［J］．中国电机工程学报，2007，27（26）：102－107．

(责任编辑：朱联九）

The Design and Application of Cascade Control System of Boiler Temperature Based on PLC

XIAO Bao-sen
(Tan Kah Kee College,Xiamen University,Zhangzhou 363105,China)

Since complicate dynamic characteristics of boiler temperature and high technology requirements on the adjustment of temperature,simple single-loop control systems are often unable to meet the demand.To solve the problem, a more advanced and stable cascade control system of boiler temperature is designed by using S7-200CN series PLC,thermal resistance Pt100,temperature transmitters,voltage regulator module,analog expansion modules EM231 and EM232 as well as PC,and so on.By obtaining the value of an intermediate variable-the temperature of boiler tank,a deputy feedback loop is established.By preconditioning the effect of intermediate disturbance variables,the dynamic quality of the cascade control system can then be improved.Experimental results show that the system is reliable and can better improve the dynamic characteristics of the object and the operating frequency of the system.It has a strong anti-jamming ability and adaptive capacity.

cascade control;PLC;boiler;temperature;dynamic characteristics

TK223.7

A

1673-4343（2017）02-0063-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2017．02．011

2016-12-08

福建省大学生创新创业训练计划项目（201413469036）

肖宝森，男，福建晋江人，工程师。主要研究方向：电子信息、自动化仪表及过程控制的实践教学与研究。