蒸汽锅炉温度智能控制系统

王凯

摘要：本文依据蒸汽锅炉冷热水出口温度的控制要求，介绍了PID控制技术在蒸汽锅炉温度智能控制系统中的应用，给出PID控制的的实现过程。该系统具有精度高、稳定性好、安全高效、使用方便等特点。

关键词：电动调节阀;PID控制;蒸汽锅炉

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0022-02

0 引言

传统的锅炉电气系统温度控制方式普遍使用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，精度不够、效率不高且易出现故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统的继电器控制技术必然被基于计算机科学的PLC控制技术所取代。而PLC本身的优异性能使基于PLC控制技术的温度控制系统精度更高、稳定性更强、效率更高、更加节能且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有相当的现实意义。

1 蒸汽锅炉温度智能控制系统设计

在以PLC控制为核心，电动调节阀为基础的蒸汽锅炉温度自动控制系统中，PLC将蒸汽锅炉出口温度设定值与温度变送器反馈回来的温度值之间的偏差经PID控制算法计算后，控制输出电压（1～5V）的大小，从而调节电动调节阀开度的大小，实现电动调节阀开度的无极控制，进而实现对进入蒸汽锅炉本体内部蒸汽量的控制，以达到对蒸汽锅炉热水出口温度实现自动控制的目的。蒸汽锅炉温度智能控制系统结构见图1。

2 系统构成

工控机、可编程控制器（PLC）、传感器、蒸汽控制阀等部分构成蒸汽锅炉温度智能控制系统。PID控制主要是利用PLC实现，利用传感器对被控对象的出口实际温度进行实时检测，并将采集到的温度值传输到输入端与给定值进行比较，得到偏差值输入到PID控制器。偏差值通过PID控制器算法计算后，输出1～5V的电压信号去驱动蒸汽控制阀，蒸汽控制阀根据输入电压的大小改变伺服阀组开度的大小，进而控制进入到蒸汽锅炉内的蒸汽量，从而控制出口温度在控制阀允许的误差范围内在设定值上下做细微波动，以保证热水出口温度基本恒定不变。

2.1 工控机

设计PID控制系统的核心是设计PID控制算法。首先利用工控机编制程序完成PID控制算法，然后将编辑好的程序经过编译、下载到可编程控制器中。工控机通过Ethernet通信将控制量的设定值传输给PLC。

2.2 可编程控制器

干燥塔温度智能控制系统使用可编程控制器作为系统的控制中枢。因为可编程控制器具有控制性能稳定、功能完善、可靠性高、抗干扰能力强、能耗低、系统维护方便、容易扩展升级改造、适用性强等特点。温度采集模块将采集到的实时温度数据传输到可编程控制器中，可编程控制器根据事先编译好的PID控制算法进行计算，得出对应的数字输出值，再经过其内部的D/A数模转换模块将数字量转化为模拟量（电压值）以控制蒸汽控制阀。该智能控制系统使用西门子（中国）有限公司的S7-200型PLC。

2.3 传感器

本智能控制系统主要使用温度传感器。温度传感器用来实时检测智能控制系统的热水出口温度的变化。这些实际数据通过传感器内部的A/D模块转变为数字信号后，传输给可编程控制器。可编程控制器将其与系统给定的输入数据进行比较，二者的差值送给PID控制器进行数学计算处理，可编程控制器的输出量决定执行器蒸汽控制阀的动作。

2.4 电动调节阀

电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要執行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高，正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：电动调节阀节能（只在工作时才消耗电能），环保（无碳排放），安装快捷方便（无需复杂的气动管路和气泵工作站）。阀门按其所配执行机构使用的动力，按其功能和特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。本智能控制系统使用线性的电动调节阀。

3 控制系统实现

由于实际计算机控制系统的采样回路都可能存在高频干扰，因此几乎所有的数字控制回路都设置了一级低通滤波器（一阶滞后环节或一阶惯性环节）来限制高频干扰的影响。

3.1 实际PID控制规律

U（k）=u2（k-1）+K1（1+）[D（k-1）+e（k）-e（k-1）]

3.2 PID控制规律各参数含义

U（k）——输出（至调节阀）;

u2（k-1）——积分作用I上个扫描周期输出;

K1——放大倍数;

T——采样周期;

T1——实际积分时间;

T2——实际微分时间;

γ——微分放大系数;

D（k-1）——微分作用D上个扫描周期输出;

e（k-1）——上个扫描周期偏差;

e（k）——当前扫描周期偏差。

3.3 实际PID控制算法的特点

实际PID数字控制算法的控制品质较好，其原因是微分作用能缓慢地持续多个采样周期，使得一般的工业用执行机构，能够比较好的跟踪微分作用输出。由于实际PID算式中含有一阶惯性环节，具有数字滤波的能力，因此，抗干扰能力也较强。

4 结语

连续系统的设计已经形成了一套系统的、成熟的、实用的设计方法，并在控制领域为人们所熟知的掌握。因此，在设计计算机控制系统时，任然经常使用连续系统的设计方法，首先设计出连续系统的调节器D（s），再将D（s）所描述的连续调节规律，通过某种规则（即数字化方法）变为计算机能够实现的数字调节规律D（z），这种方法称为模拟化设计方法。本系统的数字PID控制算法正是利用上述方法求得的。不过，用计算机实现PID控制，不仅仅是简单地把PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合起来，使PID控制更加灵活多样，更能满足生产过程提出的各式各样的要求。

参考文献

[1] 冯品如，主编.过程控制工程[M].中国轻工业出版社，1995.

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[4] 廖常初，主编.S7-300/400 PLC应用技术[M].机械工业出版社，2007.

Intelligent Control System for Steam Boiler Temperature

WANG Kai

（Yingkou Kaixiang Estate Exploitation Co.，Ltd.Yingkou Liaoning  115113）

Abstract：The text has introduced PID application for Intelligent control system of steam boiler temperature， achieved process of PID control in terms of control requirements regarding cold or hot water outlet temperature of steam boiler. The system has the characters of high accuracy， stabilization， safety， high efficiency， convenience and so on.

Key words：electric regulating valve;PID control;steam boiler