1 引言
工業蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量使其與蒸發量保持動態平衡，維持汽包水位在工藝允許的範圍內，是保證鍋爐安全生產運行的必要條件，也是鍋爐正常生產運行的主要指標之一。若水位過高,影響汽水分離的效果,使用氣設備發生故障;而水位過低則會破壞汽水循環,嚴重時導致鍋爐爆炸，所以鍋爐汽包水位必須嚴加控制。為了確保鍋爐生產的穩定、可靠和經濟運行，我們設計採用了性能先進的永宏FBs-PLC、變頻調速器、計算機應用等自動化設備組成的鍋爐PID自動控制系統。該控制系統通過檢測水汽壓力、溫度，汽包液位等運行物理量，在運行過程中全自動調節，保證了工業鍋爐的安全穩定高效運行。
2 工業鍋爐相關工藝介紹
蒸汽鍋爐是廠礦重要的動力設備，其任務是供給合格穩定的蒸汽，以滿足負荷的需要。為此，鍋爐生產過程的各個主要參數都必須嚴格控制。而利用餘熱氣體作為熱交換介質的餘熱鍋爐在全國佔有很大的比例，其節能降耗效果尤為明顯。某化工廠硫酸餘熱鍋爐就是利用沸騰爐出來的爐氣(主要是SO2)溫度過高，將其作為熱交換對象，通過餘熱鍋爐副產中壓蒸汽供各生產分廠使用，既保證了生產需要，也達到了節能降耗的目的。鍋爐是一個較為複雜的調節對象，為保證提供合格的蒸汽以適應負荷的需要，與其配套設計的控制系統必須滿足各主要工藝參數的需要。餘熱鍋爐工藝流程如圖1所示。
圖1 餘熱鍋爐工藝流程圖
3 控制難點分析
鍋爐計算機控制是近年來開發的一項新技術。它是微型計算機軟、硬體、自動控制、鍋爐節能等幾項技術緊密結合的產物，作為鍋爐控制裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩定、經濟運行，減輕操作人員的勞動強度。採用微計算機控制，能對鍋爐進行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。它的被調量是汽包水位，而調節量則是給水流量，通過對給水流量的調節，使汽包內部的物料達到動態平衡，變化在允許範圍之內，雖然鍋爐汽包水位對蒸氣流量和給水流量變化的響應呈積極特性，但是在負荷(蒸氣流量)急劇增加時，表現卻類似逆響應特性，即所謂的虛假水位。造成這一原因是由於負荷增加時，導致汽包壓力下降，使汽包內水的沸點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統，實質上是維持鍋爐進出水量平衡的系統。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過調整進水量的多少來達到進出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發效率，保證生產安全。由於鍋爐水位系統是一個設有自平衡能力的被控對象，運行中存在虛假水位現象，實際應用中可根據情況採用水位單衝量、水位蒸汽量雙衝量和水位、蒸汽量、給水量三衝量的控制系統。所謂三衝量調節系統就是把給水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三個變數通過運算后調節給水閥的調節系統。
先通過蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號乘以相應的比例係數，通過比例係數可以調節蒸汽流量或給水流量對調節系統的影響力度。通過差壓變送器取得水位信號作為主調節信號H。如果水位設定值為G，那麼在平衡條件下應有D×Dk-W×Wk+H-G=0的關係式存在。其中Dk為蒸汽流量係數 Wk為給水流量係數。如果再設定時，保證在穩態下D×Dk=W×Wk那麼就可以得到H=G。此時調節器的輸出就與符合對應，給水閥停在某一位置上。若有一個或多個信號發生變化，平衡狀態被破壞，PI調節模塊的輸出必將發生變化。當水位升高了，則調節模塊的輸出信號就減小，使得給水調節閥關小。反之，當水位降低時，調節模塊的輸出值增大，使給水閥開大。實踐證明三衝量給水單極自動調節系統能保持水位穩定，且給水調節閥動作平穩。鍋爐給水系統中還有一個比較重要的控制迴路是給水壓力迴路，因為汽包內壓力較高，要給鍋爐補水必須提供更高的壓力，給水壓力迴路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達到滿負荷時，對給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統中一般採用給水泵一直以工頻方式運轉，用迴流閥降低水壓防止爆管，現在一般採用通過變頻器恆壓供水的方式控制水壓。鍋爐給水量通過汽包液位調節。汽包液位測量選用浮筒液位計。為有效利用轉換廢熱，降低消耗，減低勞動強度，有利於整體工藝穩定，要求汽包液位自動控制，正常生產時波動應小於±5％。PID調節蒸汽出口閥可以很好的控制汽包壓力。開車正常后波動範圍不大，可以不考慮。轉化負荷波動、出預熱器鍋爐給水溫度變化、鍋爐負荷波動、排污量變化這幾個因素對汽包液位的影響必須考慮。以汽包液位為主調參數、以給水流量為副調參數、以蒸汽流量為前饋，但調節效果很差。引起汽包液位的大起大落。考慮到該廢熱鍋爐控制參數耦合小，流程簡單，產汽量也較穩定，我們從操作人員的操作中得到啟發，認為減少給水量的波動從而穩定給水溫度成為該廢熱鍋爐液位控制的要點。因此我們選用“以汽定水＋液位前饋”比值控制方案。
其中係數K為汽水損失率(給水流量與蒸汽流量的比值)，範圍為1.1～1.2。PID參數為P＝300％、I＝0.4、D＝0。這組PID參數可以使閥位波動幅度不大而迴路有較快的跟蹤效果。液位前饋係數與鍋爐額定負荷密切相關，一般是額定負荷越大前饋係數也越大。本項目廢熱鍋爐的額定負荷為35t／h。前饋係數按表一給定，見附表:
附表 前饋係數表
投運時首先投運給水流量單迴路，調節平穩后，再切換為蒸汽流量比值控制，液位前饋同時起作用。以汽定水＋液位前饋比值控制方案調試投運簡單方便，投運后經負荷擾動(產汽量變化)、液位擾動(排污量變化)實驗，抗擾動性能良好，投運以來運行平穩，達到工藝要求。圖4為2.5h實時液位記錄曲線，其中記錄了負荷擾動情況。液位波動範圍＜±3％。
4 永宏PLC PID控制系統分析
4.1 帶PID控制功能的FATEK可編程控制器
PID控制及其控制器或智能PID控制器(儀錶)已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產品，作為國產PLC企業，永宏電機股份公司一直致力於PLC的研究開發工作，帶PID控制功能的FATEK可編程式控制制器(PLC)就是利用其閉環控制模塊來實現鍋爐汽包液位的PID控制，在異常情況下，如液位偏離正常值較大時，通過PLC控制系統控制，可以快速恢復水位，保證鍋爐的安全穩定運行。當水位控制和主蒸汽溫度控制發生矛盾時，可根據矛盾的主要方面進行兩者的協調控制。它包含給水流量控制迴路和汽包水位控制迴路兩個控制迴路，實質上是蒸汽流量前饋與水位－流量串級系統組成的複合控制系統。當蒸汽流量變化時，鍋爐汽包水位控制系統中的給水流量控制迴路可迅速改變進水量以完成粗調，然後再由汽包水位調節器完成水位的細調。圖5是有永宏PLC組成的控制系統示意圖。
4.2 汽包水位PID控制設計優點
(1) 減少干擾對主迴路的影響，可由副迴路控制器予以校正。
(2) 由於副迴路的存在減少了相位滯后，從而改善了主迴路的響應速度。
(3) 對控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。
(4) 副迴路可以按照主迴路的需求對對象實施精確控制。
實際PLC的控制程序採用主副迴路進行串級控制，即主迴路的輸出做為副迴路的設定值，經副迴路輸出作用於被控對象。也可以不用副迴路只用主迴路形成單迴路調解，或手動操作完成。一般常見的過程式控制制應用， 開環迴路控制就可以滿足大部份的應用要求，但隨著使用時間、組件特性變化或受控負載或外界工作環境的變化，開環迴路控制因為沒有真實將受控程序的實際量反饋到控制器，因此控制結果可能與實際期望的結果會有些落差，閉環迴路PID過程式控制制是用來克服並解決上述缺點的極佳選擇。FBS-PLC提供軟體數字化的PID數學表達式，對於一般反應的閉環迴路過程式控制制就可應付，但對於工業鍋爐這樣的需要有快速反應的閉環迴路控制要使用本功能需要事先評估是否可行。典型的閉環迴路程式控制示意圖如圖6所示。
根據應用要求，用戶將PID 控制器設定成比例+積分+微分控制器，其控制器的數字化數學表達式如下:
Mn:“n”時的控制輸出量
D4005:增益常數，默認值為1000;可設定範圍為1～ 5000
Pb:比例帶(範圍:1～5000，單位為0.1%; Kc(增益)=D4005/Pb)
En:“n”時的誤差=設定值(SP)-“n”時的過程變數值(PVn)
Ki:積分常數( 範圍:0～9999，相當於0.00～99.99 Repeats/Minute)
Td:微積分時間常數(範圍:0～9999，相當於0.00～99.99Minute)
PVn:“n”時的過程變數值
PVn-1:“n”時的上一次過程變數值
Ts:PID運算的間隔時間(範圍:1～3000，單位:0.01S)
Bias:偏置輸出量(範圍:0～16383)
加上微分項的控制器，目的在於消除程式控制系統的過度反應，進而使程式控制系統能夠平穩緩和達到穩定。雖然微分項有上述優點，但因其對輸出量的貢獻相當靈敏，大部分的應用不必使用微分項而將Td設定為0。PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例係數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類:一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易於掌握，在工程實際中被廣泛採用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然後按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論採用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最後調整與完善。現在一般採用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下:
(1) 首先預選擇一個足夠短的採樣周期讓系統工作;
(2) 僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大係數和臨界振蕩周期;
(3) 在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。圖7是永宏可編程序控制器PID部分程序舉例。
除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進行自動化控制系統設計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數應設置常規儀錶及報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發生重大事故。
5 結束語
由於採用了PLC進行控制，系統功能完善，結構先進合理，能耗小，擴展靈活，便於維
護，並且可靠性高，而且還極大地提高了企業的生產效率和經濟效益。該系統自動化程度較高，大大降低了操作者勞動強度，降低了成本，經過近2年的運行，用戶給予了很高評價，認為利用國產永宏PLC開發的控制系統功能完善，綜合性強，人機界面友好，實用性好。隨著國產優秀可編程式控制制器和高速計算元件的快速發展，鍋爐控制系統將會更加完善。
