用單片機(jī)和PLC在工業(yè)鍋爐給水模糊控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
工業(yè)鍋爐是我國一次能源的消費(fèi)大戶，目前運(yùn)行的工業(yè)鍋爐不僅熱效率很低，而且安全性較差，已極不適應(yīng)目前能源形勢(shì)的狀況。鍋爐汽包水位高度關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量，也是確保安全生產(chǎn)的重要參數(shù)，為克服以上缺點(diǎn)，我們開發(fā)了一套適用于中小型工業(yè)鍋爐的給水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)按“蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”可靠供水的有關(guān)要求而進(jìn)行研制，可直接安裝在現(xiàn)行的給水系統(tǒng)上，極大的提高了鍋爐的熱效率和安全穩(wěn)定性。
2 控制系統(tǒng)總體方案
該系統(tǒng)控制裝置由單片機(jī)和PLC組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由切向調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。鍋爐蒸汽量頻繁波動(dòng)時(shí)，將引起水位與調(diào)節(jié)閥開度的不平衡，單片機(jī)采集前端水位信號(hào)和閥位反饋信號(hào)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送出到PLC，PLC通過模糊控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將根據(jù)控制器的輸出調(diào)節(jié)自動(dòng)給水執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，增減給水流量以達(dá)到調(diào)節(jié)鍋爐水位的工藝目的，使鍋爐水位與閥位達(dá)到新的平衡狀態(tài)，鍋爐水位在變化工況下始終保持在“規(guī)程”規(guī)定的正常范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐給水量隨蒸發(fā)量變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用單片機(jī)與PLC相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，在不改變系統(tǒng)性能的前提下極大的降低了系統(tǒng)成本。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

先通過單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再把信號(hào)以二進(jìn)制編碼的格式送入PLC，這樣PLC只需要較少的輸入點(diǎn)，就得到了較多的狀態(tài)。在系統(tǒng)安全性方面也有周密的考慮，現(xiàn)場(chǎng)水位計(jì)來的高低保護(hù)信號(hào)直接接入PLC，即使單片機(jī)受現(xiàn)場(chǎng)干擾造成“死機(jī)”，當(dāng)實(shí)際汽包水位威脅到鍋爐運(yùn)行安全時(shí)，可以直接通過PLC去實(shí)現(xiàn)停爐操作，保障了設(shè)備的安全運(yùn)行。并采用兩個(gè)水位計(jì)冗余技術(shù)，避免了單片機(jī)穩(wěn)定性差的缺陷。由此可見，整個(gè)系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性都是較高的。
3.1 前端水位測(cè)量原理
水位計(jì)測(cè)量元件是均勻分布，間距為5mm的干簧管，測(cè)量范圍是-100mm～+100mm，磁浮筒對(duì)干簧管產(chǎn)生磁場(chǎng)作用，使相應(yīng)的干簧管吸合，對(duì)應(yīng)生成相應(yīng)的水位信號(hào)，以89C2051為核心的信號(hào)采集電路，將這些開關(guān)信號(hào)采集且轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的水位值，并通過RS485通訊將水位信號(hào)送到控制室。
3.2 控制箱設(shè)計(jì)
控制箱主要由8031為核心的單片機(jī)系統(tǒng)和PLC(CPMIA-30)組成，RS485的通訊過程和信號(hào)的輸入、輸出如圖2所示。

8031通過RS485方式與現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)水位計(jì)通訊，RS485采用平衡驅(qū)動(dòng)，差分接收的方式，抗干擾能力強(qiáng)，最遠(yuǎn)傳輸距離為1200m，能驅(qū)動(dòng)32個(gè)接收/發(fā)送對(duì)。數(shù)據(jù)的讀寫控制由P3.7來完成，當(dāng)P3.7為高電平時(shí)RS485的DE端有效，則允許數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)P3.7為低電平時(shí)RS485的有效，則允許數(shù)據(jù)接收，這樣在半雙工的方式下實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。8031單片機(jī)有4個(gè)8位雙向并行I/O端口，每個(gè)I/O端口除可作為字節(jié)的輸入/輸出外，每條I/O線也可以單獨(dú)地用作輸入/輸出線，設(shè)計(jì)中充分利用這一特性，將P0口作為輸入口，接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)，P1和P2口作為輸出口，完成報(bào)警、水位、閥位信號(hào)的輸出。
4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)程序采用模塊化設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)方法，既方便程序的修改和調(diào)試，又能實(shí)現(xiàn)軟件的自診斷，提高了軟件的易理解性和易維護(hù)性。對(duì)PLC采用梯形圖的組態(tài)方式，通過CPT編程可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)聯(lián)鎖功能和控制算法。整套系統(tǒng)組態(tài)靈活、修改方便。
4.1 RS485通訊程序設(shè)計(jì)
通訊程序的設(shè)計(jì)包括:通訊協(xié)議的約定、報(bào)文的信息格式、通訊的任務(wù)、多機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)方法、通信的校驗(yàn)方法、編程方法。
(1) 通訊協(xié)議:
本系統(tǒng)采用主從式的通訊方式，主機(jī)為8031，從機(jī)為兩臺(tái)89C2051，地址分別設(shè)為00H和01H，數(shù)據(jù)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，傳輸速率為:1200bps。多機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)方法是:8031首先發(fā)送地址主動(dòng)聯(lián)絡(luò)2051，兩臺(tái)2051同時(shí)收到地址與本機(jī)地址比較，若相同則將本水位計(jì)采集的水位值發(fā)送出去，若不相同則不反應(yīng)，主機(jī)和從機(jī)都采用中斷方式接收，這樣提高了程序的執(zhí)行效率并避免了通訊錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)死機(jī)。
(2) 報(bào)文信息格式:

主機(jī)與從機(jī)都采用這樣的信息格式發(fā)送數(shù)據(jù)，@字符作為報(bào)文起始位，狀態(tài)位用來標(biāo)識(shí)單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，校驗(yàn)位為前四位異或的結(jié)果，回車符作為報(bào)文結(jié)束標(biāo)志。
(3) 通訊出錯(cuò)處理辦法:
RS485通信具有高抗干擾能力，但由于系統(tǒng)所處環(huán)境干擾較嚴(yán)重，為增強(qiáng)系統(tǒng)通信的可靠性，軟件設(shè)計(jì)中主、從機(jī)間的通信采用關(guān)鍵字重發(fā)的方法。通訊錯(cuò)誤主要有兩種:接收不到水位計(jì)的數(shù)據(jù)和接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，接收不到數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)將重新發(fā)送地址，如果還是收不到返回的水位信息且次數(shù)達(dá)到3次，則主機(jī)認(rèn)為這臺(tái)水位機(jī)出現(xiàn)故障;接收的數(shù)據(jù)如果校驗(yàn)位不正確，則說明接收的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則主機(jī)要求從機(jī)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若錯(cuò)誤次數(shù)達(dá)到3次則主機(jī)認(rèn)為水位計(jì)有故障。
4.2 模糊控制策略的實(shí)現(xiàn)
鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)。鍋爐建摸與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。工業(yè)鍋爐汽包水位的主要?jiǎng)討B(tài)特性包括:非線性、非最小相位特性、不穩(wěn)定性、時(shí)滯和負(fù)荷干擾，以及汽水分離器動(dòng)態(tài)的不穩(wěn)定性等。若采用單一的水位反饋控制或能夠反映動(dòng)態(tài)特性的三沖量給水系統(tǒng)，由于鍋爐水位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不斷變化，采用各種自校正措施會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整定困難，同時(shí)仍然存在誤差，在現(xiàn)場(chǎng)工況變化后難以適應(yīng)控制要求。本系統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用模糊控制策略控制復(fù)雜的工業(yè)鍋爐汽包水位，從而獲得了良好的控制效果。
(1) 模糊推理過程
現(xiàn)場(chǎng)操作人員用以調(diào)整汽包水位而觀察的對(duì)象過程參數(shù)為:(a)汽包水位實(shí)際水位值;(b)汽包實(shí)際水位與水位設(shè)定值偏差;(c)調(diào)節(jié)閥開度。操作人員基于以上參數(shù)觀察一下水位，估計(jì)一個(gè)入水量與蒸汽流量間的平衡關(guān)系，然后操作主控入水閥以決定入水量是否需要增加或減少。調(diào)整操作之后。操作人員再進(jìn)一步觀察運(yùn)行效果，以決定是否需要進(jìn)一步調(diào)整，模糊控制器的設(shè)計(jì)正是要體現(xiàn)以上反映人的思維的經(jīng)驗(yàn)過程。
(2) 模糊推理規(guī)則
本系統(tǒng)中，根據(jù)水位變化趨勢(shì)和水位測(cè)量值來調(diào)節(jié)主控入水閥開度校正量和泵的起停，“+1”表示水位上升，“-1”表示水位下降，其控制規(guī)則如附表所示。

以水位的上升為例，調(diào)節(jié)閥與泵的動(dòng)作過程如下:水位在-20mm到+10mm之間為正常范圍，此時(shí)A泵開，B泵關(guān)，當(dāng)水位超過+10mm時(shí)開始關(guān)閥，若關(guān)閥后水位繼續(xù)上升，達(dá)到+70mm時(shí)開始滿水報(bào)警，達(dá)到+80mm則關(guān)掉A泵，若還是上升，達(dá)到+95mm則停爐。這一控制規(guī)則，充分體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單、方便，在實(shí)際應(yīng)用中控制效果良好。
5 結(jié)束語
本文提出了一種利用單片機(jī)和PLC組成的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用仿人模糊控制策略，用于中小型工業(yè)鍋爐的技術(shù)改造，取得了良好的控制效果。本系統(tǒng)既可以大幅度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，提高熱效率，節(jié)約能源，降低成本;又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用方便，投資少，效率高的優(yōu)點(diǎn)。