锅炉分布式控制系统设计中的PLC与模糊控制分析

薛 艳

（西安职业技术学院电子工程学院，陕西 西安710077）

目前，在智能控制技术中，模糊控制器是一项十分成熟的技术分项，由于和常规控制集成化运转，所以，具备推理速度快，适应能力良好，系统稳定性与可靠性高，控制精确度突出等优势，可以切实解决多种繁杂的问题，非常适合非专业技术人员进行操作，在操作的时候可以直接省略系统参数调节等过程，所以更加适用于工业生产操作，在转化生产力与加快控制技术应用等方面发挥着不可替代的重要作用。而且在计算机技术、现代化控制技术不断发展的影响下，基于PLC的控制系统，以其自身的独特优势，即稳定性与可靠性良好，容易扩展等，备受锅炉控制系统青睐，在此领域实现了广泛应用[1]。

1 PLC模糊控制算法与系统

1.1 模糊控制系统

PLC模糊控制系统基于输入接口与输出接口相衔接，中间位置主要是检测装置、被控对象与执行结构，模糊控制器则发挥着计算控制变量、模糊化处理等相关作用。模糊控制系统具体结构如图1所示。

图1 模糊控制系统结构图

从图1 可以看出，系统的核心主要是由模糊控制器所构成，只有确保模糊控制器性能良好，才能进一步带动系统的优化运转。就功能角度而言，模糊化接口、模糊推理机制、知识库、去模糊化结构等共同组成模糊控制器。其中，模糊化接口的作用是将精确量转变成模糊量。模糊推理是根据人的思维模式加以设计的。知识库包括应用范围的知识与要求控制目标。清晰化接口承担的是把模糊量转变成清晰量的任务，以此配合系统正常有序运转。就独立输入变量与输出变量个数为依据，把模糊控制系统划分成单变量控制系统与多变量控制系统两种[2]。

1.2 模糊控制系统算法

在模糊控制整个运算中，模糊化、清晰化、模糊推理构成了模糊控制算法。先把输入量转换成模糊控制需求量，将量值传输到系统需求范围中，分系统再对其进行模糊处理，并表示成模糊集合，此运算过程就是所谓的模糊化运算。模糊控制器以自身所规划目标为依据，在知识库中，转换技术，并对相关因子进行模糊划分。模糊推理机制根据人的思维模式进行推理，依据模糊逻辑规则将规则库的IF-THEN转变成映射。经过推理之后，模糊量无法直接控制对象，需要先转变成精确量，对执行器进行控制，此过程就是清晰化[3]。

2 以PLC和模糊控制为基础的锅炉分布式控制系统设计

2.1 硬件设计

采取大中型PLC 进行控制系统设计，但是由于大型系统成本较高，所以选用能够满足系统功能要求的S7-300PLC系统，其CPU具备一定的突出优势，即价格适中、存储空间较大，并且运算速度非常快，还具备两个通道，有利于构建分布式系统，以实现与上位机之间的通信。由于现场实际状况限制，选择远程I/O 单元构建分布式系统，利用接口模块连接主机架与扩展机架。其中，上煤系统是独立的，所以，选择S7-200PLC 系统构建智能化子站体系，并利用EM277通信模块与主站进行通信[4]。分布式网络构架具体如图2所示。

图2 分布式系统网络构架

2.2 软件设计

锅炉分布式控制系统软件设计包括两部分，即上位机PLC程序设计、上位机控制界面设计。在程序设计过程中，不仅要具备基于引风机、鼓风机、炉排机连锁模式的顺序启停，上煤系统各设备基于连锁模式的顺序启停，以及各模拟量采集功能，还需要实现两大主要功能，其一，PLC可以就供热负载与出水、回水温差为依据，以模糊控制理论为载体，对引风机、鼓风机、炉排机的电机工作频率进行自动化调整，从而实现系统模糊控制功能；其二，针对补水泵选用变频控制，并利用PID控制器加以调整，确保循环泵入口位置管网的压力保持平衡稳定的状态，以实现系统平衡稳定控制功能[5]。

2.2.1 以模糊控制理论为载体的燃烧控制系统设计

锅炉燃烧系统属于典型的多变性与时变系统，经常会出现不能构建准确传递函数的现象，但是，模糊控制可以切实解决这一难题，所以，利用二输入三输出控制器。就模糊控制解耦特性，把多输出控制器划分为多项单输出控制器，以此分层设计。模糊控制包含两阶段，即模糊化与解模糊，把所采集热负载、出水与回水温差作为观测量，加以模糊化，依据偏差所在区间，进行规则表查询，获取各输出模糊论领域，再与量化因子相乘，便可以获得变频器实际输出量[6]。

1）模糊化

锅炉分布式系统以热负载、出水、回水温差、温差变化率为观测量，而引风机、鼓风机、炉排机电机频率为输出量，按照模糊PID控制器的设计模式，基于软件仿真、现场调试，进一步确定所输出和输入的隶属度函数。其中，输入方面，热负载模糊论域为F，即NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，分别表征为偏差区间的负向大、中、小、零、正向大、中、小；出水和回水温差模糊论域为T。而输出方面，引风机频率模糊论域为YF；鼓风机频率模糊论域为GF；炉排机频率模糊论域为LP。

2）模糊推理

二输入三输出模糊控制，其中输入论域模糊子集为（F1……Fn；T1……Tn），输出论域模糊子集 为（YF1……YFn；GF1……GFn；LP1……LPn；）。以引风机频率为例，控制策略具体如表1所示。

表1 引风机模块控制规则

3）解模糊

所谓解模糊其主要目的是把模糊推理出来的结果输出，以此作为实际变频器频率进行输入，利用最大化隶属度方法。

2.2.2 循环泵入口位置的管网压力平衡稳定控制

通过合理利用PLC 的D/A 转换模块与PID 控制算法，进一步实现循环泵入口位置的管网压力闭环式严格控制，其中，PLC就管网的压力标准值和实际压力反馈值之间的差异为依据，对所需要的频率值进行计算，并把所计算值直接输入变频器模拟量的输入口，此时变频器应据此适时改变运行频率，对补水泵电机的转速进行适度调节，以此促使循环泵入口位置管网压力始终保持平衡稳定的状态。上位机控制系统的界面上进行了设置PID 整定三项参数的界面设计，以便于进行调试[7]。系统压力控制原理具体如图3所示。

图3 管网压力控制模型图

2.2.3 上位机控制系统界面设计

上位机控制系统界面设计软件选用WinCC V7.0sp3，其具有一定的突出性优势，首先，具备Windows Vista 风格的外观运行界面，视觉效果良好并十分协调。其次，强化了报警与趋势等相关控件功能，就趋势而言，为其增添了数据导出按钮，以便于把数据实时导出成CSV 格式的文件。再次，把SQL Server2005数据库集成到软件中，为用户快速安装与应用提供了很大的便利。最后，此设计软件还可以和Windows防火墙之间有机配合使用，以此使得系统的安全性与稳定性得以显著增强[8]。

控制系统设计思路是，三台锅炉分别设置相应的操作站，在监控室内部安设工程师站。在WinCC 组态的时候，操作员站组态成客户机，而工程师站组态成服务器，这样一来，就在很大程度上缩减了上位机和下位机PLC的通讯量，还有利于进一步实现系统扩展。

其一，先打开WinCC 项目，基于服务器构建多用户类型项目，组态和画面密切相联的数据信息，并通过服务器进行客户机注册；其二，给客户机分配相应的操作权限；其三，导出组态数据包。在WinCC 项目管理器内部，选择服务器数据，并进行创建，再明确数据包属性，然后生成.PCK 类型组态数据包文件；其四，在客户机上进行用户名与密码输入，打开服务器所构建的项目。

另外，在上位机控制系统界面设计过程中，还适当增添了报警与通信测试等相关功能，切实结合SQL Server2005进行了报表功能科学合理设计。

3 结 论

总之，基于S7-300PLC 系统的锅炉分布式控制系统，合理利用了现场总线技术、变频调速技术、计算机技术等等，以保证了锅炉分布式控制系统的自动化水平以及高精确度。此系统具有其自身的独特优势，不仅选用分布式结构，利于系统后续扩展，而且稳定性和安全性较高，各控制子系统的划分科学合理，利于维修养护，另外在燃烧系统控制中融合模糊控制理论，其控制的精确度与自动化水平较高，最重要的是上位机系统监控界面的操作十分简捷便利。经实践证明，基于PLC与模糊控制的锅炉分布式系统投入使用后，其运行的稳定性、安全性、可靠性都非常好。