基于力控软件的锅炉变频补水控制系统

刘素娟

(东北石油大学秦皇岛分校，河北 秦皇岛 066004)

随着工业自动化水平的迅速提高，组态控制技术已经在工业控制领域得到了广泛应用，它以计算机为基本工具，为实施数据采集和过程监控提供了基础平台。其开发环境功能强大，灵活方便，支持复杂的脚本控制，不受行业限制，可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统，在过程监控中发挥了核心作用[1,2]。秦皇岛某高校因为建校较早，冬季采暖由校内独立的锅炉房提供。锅炉在为供暖管网提供热水时，由于各种原因会有一定量的失水造成锅炉水系统的压力不断变化：如果水压低，表明系统缺水，部分楼层高的用户暖气片温度过低；如果水压高，会造成锅炉炉体、阀门及暖气片等原件的损坏，影响锅炉的安全运行。因此及时补水维持供暖管网水压在一个安全范围内是关系到锅炉管网能否正常工作的关键。补水管出口压力的大小会直接影响用户采暖管网的水压，因此控制供暖管网的水压可以等价于控制补水管出口的补水压力。

目前此补水控制系统仍采用传统的平衡阀补水方式。这种方式要求补水泵必须一直工频运转，补水泵耗能大，设备的损耗也很大。平衡阀使用一段时间后反应速度也会变慢。补水压力的高低跟工人的操作水平有很大关系，控制水平不高也浪费了大量的电能。为了节约电能，解决人工控制回流劳动量大、控制水平低的现状，笔者将其改造成基于力控监控软件和变频器的自动补水控制系统。

1 系统的总体设计①

1.1 硬件设计

考虑到若采用常见的单片机或PLC进行控制，硬件成本比较高，兼顾经济性和稳定性设计了“上位机+模拟量模块+变频器”的控制模式。其中模拟量采集模块为教师自制，有8路模拟量输入通道和两路模拟量输出通道，实现了莫迪康系列PLC的采集和控制功能。模块采用Modbus通信协议和上位机进行通信[3]，成本仅200元左右，易于维护。

1.2 软件设计

上位机采用的是目前应用广泛的力控6.0组态软件控制算法采用工业中应用广泛的PID 算法。以往通过变频器面板的按键改变PID参数需要到现场操作，而且无法立刻看到参数改变后的补水压力变化曲线[1]。目前采用在力控人机界面上改变PID参数，只需在控制室的电脑屏幕上操作，输入数据方便快捷，而且参数改变时工程人员不仅可以在人机界面上看到实时的控制曲线，还可以调看历史趋势曲线，方便确定哪组PID参数控制效果更好。但是目前力控软件自带的PID算法在实际应用中存在局限性，达不到满意的控制效果[2]。因此笔者通过力控软件中的脚本编写所需类型PID 程序来实现控制目标。通过适当调整配合PID控制器的比例增益和积分时间两个参数，就可以使系统快速平稳准确地获得满意的控制效果。

定义的变量名称和类型如图1所示。

图1 变量名称和类型

在“特殊功能”→“数据改变”下定义当系统中间变量“S|Second”数值改变时执行的程序如下：

MIAO2=MIAO2+1;

IF MIAO2==2 THEN

ci=ci+1;

IF ci==1 THEN

e1.PV=set.PV- YaLi.PV;

ENDIF

IF ci==2 THEN

e2.PV=set.PV- YaLi.PV;

ENDIF

IF ci>=3 THEN

e1.PV=e2.PV;

e2.PV=set.PV- YaLi.PV;

ci=3;

MIAO2=0;

ENDIF

“特殊功能”→“程序运行周期执行”的程序如下：

dentpid.PV=kp.PV*(e2.PV-e1.PV)+kp.PV*2/ki.PV*e1.PV;

IF qiehuan.PV==0 THEN

pidshuchu.PV=pidshuchu.PV;

ELSE IF qiehuan.PV==1 THEN

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pidshuchu.PV=pidshuchu.PV+dentpid.PV;

IF pidshuchu.PV>50 THEN

pidshuchu.PV=50;

pinlvzhi.PV=pidshuchu.PV;

ELSE IF pidshuchu.PV<0 then

pidshuchu.PV=0;

pinlvzhi.PV=pidshuchu.PV;

ELSE

pinlvzhi.PV=pidshuchu.PV;

ENDIF

ENDIF

ENDIF

ENDIF

1.3 工艺流程

压力变送器采集的补水实际压力通过模拟量模块的输入端传送到上位机并在力控软件的人机界面上显示。实际值和目标值的差值经PID算法运算后由计算机发出控制指令，控制指令经模拟量模块的输出端送到变频器，变频器下接补水泵。变频器的频率在0～50Hz之间变化，可以控制补水泵的转速在0到最大转速之间运行。

2 系统测试与结果分析

力控软件监控系统主界面如图2所示。

图2 力控软件监控系统主界面

点击按钮将变频补水控制系统切换到手动模式，可在人机界面上输入0～50Hz的数值，控制水泵的转速在0到最大值之间变化，从而控制补水压力。将变频补水控制系统切换到自动模式，输入目标压力0.4MPa，可根据经验试凑法实时在线调整比例增益Kp、积分时间Ki，使得实际压力曲线稳、准、快地达到稳定状态，经整定Kp=7、Ki=10时，压力控制效果最好。

3 结束语

基于力控软件的变频补水控制系统投入使用后，自动化程度得到了很大提高，组态软件能够很好地实现现场数据采集、流程动画显示、手/自动模式切换以及实时/历史趋势曲线显示等功能。克服了传统的人工控制水平低导致供暖管网中水压不稳的问题，提高了锅炉的供暖质量和安全性。在自动控制模式下，变频器的频率大致在38Hz左右，极大地节约了电能和水资源，经粗略计算将在一个采暖周期内收回全部成本，设备投资回收期短，产生的经济效益十分明显。另外，还可根据需要随时增加报警及报表等功能。

[1] 姚振静，高琴，陈逊.基于组态软件的水箱液位监控系统设计[J] . 中国科技信息，2013，(10)：159～163.

[2] 文龙，郭福田.基于自制PID控件的水箱液位计算机监控系统[J] . 化工自动化及仪表，2013，40(10)：1241～1244.

[3] 王家国，田芮.基于Modbus总线协议的工业锅炉监控系统设计[J] .化工自动化及仪表，2013，40(1)：70～71，93.