锅炉液位PID控制系统的设计思路与实现

孙晓晴

（山西省农业科学院畜牧兽医研究所，山西太原　030032）

锅炉液位PID控制系统的设计思路与实现

孙晓晴

（山西省农业科学院畜牧兽医研究所，山西太原030032）

要想基于理论的指导，准确设计PID调节器，必须针对被控对象构建一个准确模型，对于工业生产而言，这具有非常大的难度系数，加之系统控制参数与结构均不是恒定的，会随着时间的改变而变化。因此，构建所得模型只能被称为近似模型，以近似模型为基础，对控制机进行最优设计，也无法确保其在实际应用中可以实现最优。所以，工程实际应用中，普遍择取工程整定法对PID参数进行有效明确。论文以过程控制平台对锅炉液位控制系统进行在线监控，并利用现场凑试法明确PID参数，不仅阐述了锅炉液位控制系统的具体设计方案以及关键技术，还促使控制系统更具精准性，具有良好的参考价值。

锅炉液位；PID控制系统；设计思路

0　引言

在工业生产过程中，锅炉作为一种动力设备，具有不可或缺性。锅炉的应用不仅可以促使燃料内部所包含的化学能向热能转换，还可以利用相关设备，将热能转化为某种能量形式，从而满足实际生活与生产活动的需求。随着我国工业化建设进程地不断发展，工业生产规模越来越大，生产过程日趋强化，生产设备更是不断创新与发展，锅炉特性也逐渐发展为高效率、高参数以及大容量。锅炉含有多个调节系统，其中作为主要的便是液位控制系统，其实确保锅炉正常运作的基础条件，是其良好安全性的根本保证。因此，对锅炉液位PID控制系统的设计进行研究具有一定的必要性以及重要性。

1　实验平台的重要组分

该系统择取的控制实验装置型号为SAC/JGK/II，主要实验对象为热水锅炉，配套装置有调节装置、执行机构、检测仪表、循环水泵、液位水槽以及高位水箱等。

2　控制系统环节

控制系统共有两个环节，分别为控制环节、执行环节。首先，在控制环节方面，该系统处理器是型号为MICROLOGIX1500、具有编程能效的控制器，主要构成模块有3个，分别为编程设备电源模块、输入输出模块以及CPU模块。其具体作业流程如图1所示。其次，在执行环节方面，该系统在执行机构由传统电动调节阀转变为POWERFLEX40变频器，这在很大程度上提高了执行机构的先进性，不仅可以对水箱流量进行合理有效地调节，还可以提升控制系统的精准性。

图1　MICROLOGIX1500控制器作业流程示意图Fig.1 Schematic diagram of MICROLOGIX1500 controller

3　液位控制系统的具体设计

我国某工业企业利用现场凑试法明确了锅炉液位的PID参数，在很大程度上提高了PID控制系统的精准性，具有良好的参考价值。本文以该企业为例，阐述了锅炉液位控制系统的具体设计方案以及关键技术。

3.1单容单闭环控制

利用调节器促使调节对象的控制参数呈现为恒定状态的工作系统便是单回路调节系统，调节器在此系统内部可以有效接收的测量信号数量为1，因此，在输出过程中，所能有效控制的执行机构数量也是1。基于单容的大环境，单闭环控制系统以下水箱液位为主要控制对象，具体作业流程如图2所示。

图2　下水箱单容控制流程Fig.2 Single capacity control flow of the tank

该工业企业的这种设计的主要目的是利用单闭环控制系统，促使下水箱液位保持给定值不变，从而有效降低系统外部、内部所带来的干扰。具体结构如图3所示。

图3　下水箱单容控制结构Fig.3 single capacity control structure of the tank

控制系统主要负责确保下水箱液位与设定值规定的标高一致。PLC会对比液位变送器2传递的液位标高值与设定标高值，然后利用PID对其进行合理运算，继而将电流控制信号传输给电动调节阀，由此来对阀门开度进行有效控制，管控水管流量，进而对下水箱液位标高进行有效控制。该系统处理器为MICROLOGIX1500控制器，因此，设计程序共有4个组分，分别为PID控制输出、控制算法以及监控组态的软件通讯、系统起停控制。

3.2串接双容单闭环控制

基于串接双容的大环境，下水箱单闭环控制系统属于单回路控制，水箱数量有2个，且呈现为串联状态，具体如图4所示。该控制系统的主要任务是确保下水箱液位标高与给定值预期标高相同，两个串联水箱之间存在一个阀门，通过其可以对水流量进行有效控制。阀门处于闭合状态时，两个水箱无法实现水流互通，此时控制系统仅可以控制一个水箱的水流量；阀门处于打开状态时，两个水箱可以实现水流互通，此时影响水流互通速率的因素有两个，分别为上水箱液位标高、阀门开合程度。系统入水量完全取决于上水箱，出水量则取决于下水箱。系统在运作过程中，会存在积分环节，加之水箱处于串联状态，系统水容量极易出现滞后现象。该工业企业在设计过程中，电动调节阀开度是58%，上水箱入水阀门处于打开状态，液位为40%，出水阀门处于闭合状态；下水箱入水阀门处于闭合状态，液位是32%，出水阀门处于打开状态。经过多次调试，最终所得水箱主调节器PID的控制参数如下：K=7，而副调节器的控制参数为K=11。

图4　水箱双通单闭环控制结构Fig.4 the structure of the double pass single closed loop control structure of the tank

3.3双容串级控制

相较于单回路设计方案而言，串级控制系统的优势十分鲜明，其可以有效消除容量滞后给控制质量造成不良影响。在结构方面，该系统具有两个闭环，分别为副回路闭环、主回路闭环，一个控制器已经无法满足系统的运作需求，因此，该系统择取两个控制器，并对他们进行串级处理，即以主控制器输出系统充当副控制器控制系统。虽然相较于单回路系统，串级系统只是增加了一个调节器与测量变送器，但其控制效果却取得了较大幅度的提升。

（1）电气接线与串级结构。在双容条件下，下水箱液位标高主要取决于上水箱液位标高与阀门开合程度，因此，该系统择取下水箱液位标高充当设计主参数，上水箱液位标高充当设计副参数。该系统在运作过程中，由液位变送器2对下水箱液位标高信号进行采集与传输，主调节器接收信号后，会对比设计标高值与接收信号标高值，对比完成后，由PID进行合理计算，继而将结果数据传输给副调节器，副调节器成功接收后会将其作为系统设定标高值，并与液位变送器1传输的上水箱液位标高值进行对比，再由PID进行合理计算，继而将结果数据传输给POWERFLEX40变频器，该变频器会参考信号数据，对阀门的开合程度进行合理调控，从而管控水箱水流量，实现液位控制。

双容串级条件下，水箱液位的电气接线示意图如图5所示。利用POWERFLEX40变频器取代图中的传统调节阀，将交流电（AC）的电压提升为360V，连接交流电、变频器三相线，并连接路模拟量的输出模块（IOUTO+）、POWERFLEX40变频器以及ANLGCOM端子，便可以促使水箱在双容串级条件下，实现电气接线。

图5　双容串级水箱液位电气接线示意图Fig.5 Schematic diagram of the electrical connection of the liquid level of the double-capacity cascade water tank

（2）设计程序。综上所述，在双容环境下，串级控制系统主要有四个程序，分别为PID控制输出、控制算法以及监控组态的软件通讯、系统起停控制。对比单容环境下的单闭环系统，监控组态的软件通讯、系统起停控制与控制输出并没有太大区别。区别较大的是PID控制算法，该工业企业所采用的PID控制算法如下：

而串级控制系统所具备的调节器有两个，故程序运行过程中，需要接收两条执行信号，该系统的主调节器为PD8:1，副调节器为PD8:2，经由MOV将主调节器的信号传递给PD8:2.SPS，副调节器成功接收后，会将其充当系统设定值。此时控制系统会结合模糊推理，基于POID控制条件，利用修正量整定控制参数，从而促使系统具具稳态性及动态性。模糊PID系统原理如图6所示。

输入为ec及e，输出为△kd、△ki、△kp，其中kp0、ki0以及kd0是PID控制系统的初始值，控制参数kd、ki以及kp公式如下：

图6　模糊PID系统原理示意图Fig.6 Schematic diagram of fuzzy PID system

具体控制算法为：

其中e（k）为第k次检验所产生的液位误差，e（k-1）则表示k上一次的检验误差，kp表示比例系数。

3.4温度单闭环控制

对于工业控制而言，温控系统是主要控制对象。温控系统具有参数不稳定、纯滞后以及惯性较大的特点，很难对其进行有效控制。该系统择取单闭环方案控制下水箱温度。该系统主要负责保证下水箱温度与设定值相符。在系统运作过程中，温度变送器会对水箱温度进行信号采集作业，并利用模数对采集信号进行有效转换，使其呈现出数字。继而利用相关程序计算，并促使结果数据呈现为PLC脉冲信号，对固态继电器的作业状态进行管控，从而控制水箱温度。

4　结束语

本文以过程控制平台对锅炉液位控制系统进行在线监控，并利用现场凑试法明确PID参数，不仅阐述了锅炉液位控制系统的具体设计方案以及关键技术，还还促使控制系统更具精准性，具有良好的参考价值。

［1］王鹏，郑博闻，秦付军，等.电锅炉智能控制系统及其FPGA实现［J］.中国农机化学报，2014，5.

［2］张立众，马永翔.锅炉液位控制系统的监控与PID参数整定［J］.机床与液压，2011，24.

［3］窦艳艳，钱蕾，冯金龙.基于Matlab的模糊PID控制系统设计及仿真［J］.电子科技，2015，2.

Design Idea and Implementation of PID Control System for Boiler Liquid Level

SUN Xiao-Qing
（Institute of Animal Science and Veterinary Medicine，Shanxi Academy of Agricultural Science，Taiyuan Shanxi 030032，China）

In order to construct a model of the controlled object，it is necessary to construct an accurate model of the controlled object，which has a very large difficulty coefficient，and the system control parameters and structure are not constant.Therefore，the construction of the model can only be called approximate model，which is based on the approximate model，and the optimal design of the control system can not be ensured in the practical application.Therefore，in actual engineering application，generally choose engineering tuning method of PID parameters efficiently clear.Engineering setting method covers a wide variety of categories，such as the response of the transition process，the method of field test，etc..In this paper，the process control platform for boiler liquid level control system for online monitoring，and the use of on-site test method PID parameters，not only describes the specific design of the boiler liquid level control system and key technologies，but also to promote the control system more accurate，with a good reference value.

boiler liquid level；PID control system；design idea

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.06.047

1002-6673（2015）06-130-03

2015-09-30

孙晓睛（1962-），女，山西太原人，本科。研究方向：锅炉设计。