0 引言

    我國現(xiàn)擁有的鍋爐設(shè)備四十多萬臺，這些鍋爐是工業(yè)、農(nóng)業(yè)及民用上不可缺少的動力設(shè)備，也是用于各行業(yè)及民用采暖中的重要設(shè)備。鍋爐現(xiàn)代化的管理不但需要安全、自動化的控制方案，還需考慮到高效、節(jié)能、無污染、無噪音等方面的因素。所以，對于鍋爐的研究仍是一個(gè)需要探索、研究和學(xué)習(xí)的領(lǐng)域。

 早期的鍋爐自動化程度不夠高，監(jiān)控系統(tǒng)不夠完善，導(dǎo)致系統(tǒng)故障率高，維修困難；本系統(tǒng)利用工控組態(tài)軟件MCGS設(shè)計(jì)鍋爐的液位和溫度控制系統(tǒng)，通過OLE技術(shù)將控制器嵌入到系統(tǒng)中，可實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)管理監(jiān)控，從而在很大程度上提高系統(tǒng)的自動化程度和控制精度。

1 系統(tǒng)分析

液位的控制是通過控制進(jìn)水或出水閥門的開度，改變水流量來實(shí)現(xiàn)的，而水溫的控制是通過調(diào)節(jié)加熱的功率來實(shí)現(xiàn)的。在控制器設(shè)計(jì)中，采用技術(shù)相對成熟的經(jīng)典PID控制，同時(shí)加死區(qū)、步長控制和輸出限幅控制。在MCGS中設(shè)定水位溫度上下限、死區(qū)、比例帶等參數(shù)，實(shí)際運(yùn)行是通過OLE技術(shù)連接到VB中運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再返回到監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)的顯示與控制

2 PID控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)鍋爐實(shí)際工藝特點(diǎn)和所要達(dá)到的控制效果，下面分析控制器設(shè)計(jì)的具體流程。控制器的設(shè)計(jì)由主程序和幾個(gè)子程序構(gòu)成。

2.1主程序

以鍋爐的液位控制為例來說明主程序的實(shí)現(xiàn)(溫度控制類似)，先采集關(guān)于鍋爐的實(shí)際過程參數(shù)值并設(shè)定算法中的各個(gè)參數(shù)。然后判斷給定水位和測量水位之差（即偏差）與偏差限度之間的大小關(guān)系，如果偏差大于偏差限度，那么采用快速PID參數(shù)調(diào)節(jié)，如果偏差在偏差限度的允許范圍內(nèi)，采用精確的PID參數(shù)的運(yùn)算調(diào)節(jié)，然后要對這個(gè)輸出的閥位進(jìn)行一定的限制與控制，需要限制的是閥的死區(qū)、步長、高低限，經(jīng)過一定的控制之后輸出的才是最后的閥位結(jié)果。主程序流程圖如圖1所示。

圖1  PID控制器主程序框圖

2.2 PID參數(shù)計(jì)算子程序kpkikd

在讀取數(shù)據(jù)之后，計(jì)算PID控制需要的參數(shù)值，首先計(jì)算給定值與測量值之間的差值，即偏差。這里考慮這樣一個(gè)問題，如果偏差比較大的話，要快速跟蹤給定值，稱之為粗調(diào)，如果偏差比較小的話，那么更應(yīng)該注重控制的精度，采用細(xì)調(diào)。這兩個(gè)子程序分別由kpkikd2和kpkikd1實(shí)現(xiàn)。二者的計(jì)算方法基本一致，只是所采用的比例帶，積分時(shí)間和微分時(shí)間不同。

2.3偏差的計(jì)算子程序En_Ln_Mn_Nn

PID的參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的功能是計(jì)算出實(shí)際PID控制器的各個(gè)系數(shù)kp、ki、kd的過程，偏差計(jì)算程序En_Ln_Mn_Nn是利用數(shù)據(jù)采集子程序取得的當(dāng)前過程值計(jì)算出回路中的各種偏差、偏差累計(jì)及偏差變化率ln、en、mn，采用位置算法（數(shù)據(jù)采集子程序略）。

2.4 PID輸出子程序PIDout

在得到PID的比例、積分、微分系數(shù)以及偏差的一階和二階變化之后，即可得到控制輸出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮這樣一個(gè)問題，如果偏差很小，那么對液位進(jìn)行控制的意義不大，所以可以設(shè)定一個(gè)調(diào)節(jié)死區(qū)DB，當(dāng)偏差小于調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)，則不進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，當(dāng)偏差大于調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)，再進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。在進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，考慮到控制的精度問題，將積分系數(shù)分為兩部分，當(dāng)偏差變化率為正時(shí)，采用積分系數(shù)ki1,當(dāng)偏差變化率為負(fù)時(shí)，采用積分系數(shù)ki2。有了PID的系數(shù)和偏差，即可利用（Pid）子程序得到具體的PID調(diào)節(jié)器的輸出：pidY = kp * ln + ki * en + kd * mn 。

2.5死區(qū)、步長、輸出高低限幅的設(shè)定

在實(shí)際系統(tǒng)中，如果頻繁的變動閥門的開度，或者閥門動作過大，都會對閥門造成一定的傷害，降低閥門的使用壽命，所以要限制閥門的頻繁變化以及閥門的最大變化步長，以起到保護(hù)閥門的作用。首先設(shè)置閥門的最大開度與最小開度，當(dāng)閥位計(jì)算值超過最大限度時(shí)應(yīng)使其保持在最大閥位，而當(dāng)閥位計(jì)算的值小于最小閥位時(shí)，則要使閥位保持在最小閥位。步長限幅的原理類似，當(dāng)輸出的開度范圍大于給定的閥位步長VS時(shí)，取VS，其中應(yīng)該考慮到閥位的正負(fù)。死區(qū)設(shè)定根據(jù)工藝要求和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。最后將輸出值保存到閥位的初始值，并取得水位的實(shí)時(shí)變化值。

3 MCGS與OLE技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)自動化開辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，在這方面，MCGS工控組態(tài)軟件提供強(qiáng)有力的軟件支持。本系統(tǒng)采用全中文工控組態(tài)軟件MCGS來實(shí)現(xiàn)。

OLE（Object Linking & Embedded）是指對象的鏈接與嵌入技術(shù)。OLE控件是可以嵌入的組件對象模型（COM），它是作為一個(gè)進(jìn)程中的服務(wù)器的動態(tài)鏈接庫來實(shí)現(xiàn)的。

MCGS把其核心作為一個(gè)對象包裝起來，把MCGS的大多數(shù)功能作為對象的屬性和方法暴露出來，使其它的應(yīng)用程序通過OLE自動化來操作MCGS，在VB中通過OLE來取得MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對象，編程操作MCGS提供的屬性和方法。

4 組態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

鍋爐液位和溫度控制PID程序是通過VB編制的，通過OLE與MCGS連接，首先讀取MCGS中的各個(gè)數(shù)據(jù)和參數(shù)到VB中，經(jīng)過控制運(yùn)算以后再送回到MCGS中去，如圖2所示。

                                                                 圖2 運(yùn)行界面

在MCGS中需要做的工作有幾部分，首先是定義變量，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中定義變量，這些參數(shù)變量分別為實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能服務(wù)。然后在用戶窗口中組態(tài),并將各個(gè)輸入框與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)連接，同時(shí)將實(shí)時(shí)曲線中的顯示曲線的變量和給定值以及測量值連接上。然后在主控窗口中定義其初始設(shè)置等。經(jīng)過檢查無誤后，組態(tài)工作即完成。

然后運(yùn)行系統(tǒng)，結(jié)果輸出就是要得到的閥位的控制量輸出。另外為了觀察到實(shí)際的控制效果，將水位的給定值、實(shí)時(shí)測量值和閥位的變化值同時(shí)送到MCGS中實(shí)時(shí)顯示，通過實(shí)時(shí)曲線可以觀察最終控制效果。

5 結(jié)束語

通過分析鍋爐液位和溫度系統(tǒng)的控制特點(diǎn)及要求，采用VB編制PID控制程序通過OLE與MCGS連接，設(shè)計(jì)出了鍋爐水位和溫度的控制器，實(shí)現(xiàn)了水位和溫度計(jì)算機(jī)自動控制。

參考文獻(xiàn)

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