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力控pStrategy在锅炉控制系统中的应用

力控pStrategy在锅炉控制系统中的应用

【摘要】主要针对锅炉控制系统的特点、控制策略的特点及使用方法、PID控制回路的整定和无扰动切换等方面介绍了力控pStrategy控制策略在控制系统中的应用。
【关键字】控制策略 实时数据库 算法块 PID 参数整定

一、前言
众所周知,工业过程控制系统的安全性、稳定性、准确性和经济性是企业考虑的重中之重,是衡量系统是否可行的重要指标。随着工业自动化整体技术水平的提高,方案的选择范围增多,但据不同的要求和不同的侧重点,最优方案始终是我们的首选。其中以三维力控自动化监控组态软件为上位机的控制系统中,在保证系统的安全性、准确性和稳定性的同时,也保证了项目投资成本的最小化。

二、系统特点
在锅炉控制系统中,锅炉汽包水位的控制、过热蒸汽的温度控制、燃料量流量的控制和送风流量的控制是控制重点,下面就汽包水位控制过程进行分析,明确控制对象、操作量和被调量等参数,用类似方法可分析其它的控制过程。
锅炉汽包水位控制:汽包水位调节系统的主要任务是使给水量与锅炉蒸发量保持平衡,并维持汽包水位在工艺规定的范围内。由此分析出锅炉的受控变量为汽包水位,操纵变量是给水流量。汽包水位是锅炉运行的主要指标,水位过高或过低都会带来比较严重的后果。所以通常采用三冲量控制方案,即分别对给水流量、蒸汽流量和水位进行控制,控制系统结构如图一示:

图一
图一 汽包三冲量控制图


三冲量控制实际上是前馈蒸汽流量和串级控制组成的复合控制系统,系统如图二所示,
图二
图二 系统图


三、方案设计
明确整个控制流程和控制对像,就可以开始设计方案了。在早的控制系统中多由模拟PID调节器、PLC和智能仪表等完成PID控制;随着工业自动化软件的发展兼各种智能设备、通讯附件功能的完善,充分利用计算机的能力,使本来由硬件完成的功能慢慢转移到计算机处理中,尤其表现在大量数据处理的系统中。目前,多个以力控控制策略为上位机的控制系统已成功运行,系统的结构如图三示:
图三
图三 系统结构图

优越性:在传统的锅炉控制系统的方案设计中,通常采用DCS、PLC或智能仪表内部整合的控制算法完成一系列的PID控制,但是仍有它们的不足之处。首先,这些控制设备内部的控制策略修改起来很不方便,有些控制策略在系统运行期间甚至是不允许修改的。其次,这些控制设备的控制能力与它的成本成正比率关系,低廉的设备只能完成一些简单的常规控制,而且逻辑操作速度不高,控制算法种类也偏少。这些缺陷严重制约着设备性能的发挥。而借助力控控制策略丰富的算法,就可以弥补这些设备在运算、控制能力上的不足。
特点:力控控制策略是应用工程运行中的进程之一,与力控实时数据库、IO采集一起构成了整个控制系统,完成采集数据、处理数据及控制输出。所以在系统的设计中实时数据库和控制策略间是交互的,它们之间存在着如何建立连接的问题,即控制策略算法块需要以实时数据库为输入输出,同时实时数据库也需要取得算法块的参数,方便运行中动态修改,如PID控制回路的整定。这样才能确保系统稳定地运行。

四、软件实现
力控控制策略编辑器采用了算法块图的形式,设计简单、操作方便、无需编写脚本,根据系统控制流程就可快速地完成,下面以一个简单的PID控制回路从建立到运行的操作过程为例,具体步骤如下:
图四
图四 控制策略编辑窗口
说明:
1. 左边是个树型列表
(1)“工具”下是分类的算法块
(2)“策略管理”下是策略窗口
2.右边是当前策略编辑窗口

1.建立数据库变量:运行力控开发系统或者实时数据库开发系统,进入数据库组态环境DbManage.说明:(1).主要功能是将点与设备IO点建立一对一的关系、点参数设置、参数保存方式及其它处理方法;(2).数据库点可分区域、分单元及分组显示,一方面方便自己区分、快速浏览;另一方面方便报警记录查询、总貌浏览和历史曲线查询。

2.建立PID控制回路:进入控制策略编辑窗口,将PID控制器拉至右边策略窗口,或者先点击PID控制器,再点击策略窗口欲绘制算法块的位置。

3.设置PID算法块属性及参数.

4.PID控制器的信号输入和输出的连接,具体步骤如下:
4.1绘制PID功能模块一样,绘制数据库输入变量和数据库输出变量,也可以绘制“变量”下的其它的变量块,方法类同,这里仅以数据库变量为例,如图五所示:

图五
图五 绘制数据库输入输出块


4.2 正确选择数据库输入输出变量及参数,这些变量都是在数据库中已定义的点,点有很多的参数,变量就是点的某一参数值。

4.3 各算法块的连接方法:将鼠标放在算法块端子处,稍停片刻,若为输入端子,则鼠标变成in,若为输出端子,则鼠标变成out,此时,双击鼠标一次,再将鼠标转致另外算法块的端子,双击鼠标,若成功,则两端子间出现白色虚线,将鼠标移致别处,则算法块间出现一条白色实线。

注意:
连完线后,检查是否有虚接现象


4.4 简单的单PID控制回路已经完成,保存,编译。

5.界面组态

5.1 双击PID点,可以查看PID点参数:

5.2 PID点的参数与PID控制器的属性的对应关系,如表一:

表一
表一 PID点主要参数表



6.编译、运行

7.PID调节
PID调节的最终目标是使系统达到稳定状态,使最大动态偏差尽可能小、调节时间最短、调节过程系统输出的误差积分值最小等等,综合这些首先我们必须明确力控PID算法原理和PID对系统调节的影响趋势。
控制算法公式如下:
比例项 = 比例 *(本次偏差 — 上次偏差)
积分项 = 比例 * 偏差 * 采集周期 / 积分时间常数
微分项 = 比例 *微分时间常数 *(本次偏差 - 2*上次偏差 + 上两次偏差)/采集周期
如果是正动作,则:
输出 = 上次输出 + 比例项+ 积分项 + 微分项
如果是反作用,则:
输出 = 上次输出 — 比例项— 积分项 — 微分项
比例系数KP加大使系统的动作灵敏,速度加快,稳态误差减小,KP偏大,振荡次数加多,调节时间加长。KP太大时,系统会趋于不稳定。KP太小,又会使系统的动作缓慢。KP可以选负数,这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果KP的符号选择不当,对象状态(PV值)就会离控制目标的状态(SP值)越来越远,如果出现这样的情况KP的符号就一定要取反;积分控制KI对系统性能的影响:积分作用使系统的稳定性下降,KI小(积分作用强)会使系统不稳定,但能消除稳态误差,提高系统的控制精度;微分控制KD对系统性能的影响:微分作用可以改善动态特性,KD偏大时,超调量较大,调节时间较短。KD偏小时,超调量也较大,调节时间也较长。只有KD合适,才能使超调量偏小,减短调节时间。

8.单PID控制回路的特点及无扰切换
8.1 PID控制回路的特点:
手动控制方式:PID控制器的输出由手动完成,SPL、SPC、SP、PV具有自动跟踪功能目的是使手动到自动无扰动切换,最终稳定在OP值。
自动控制方式:SPL、SPC和SP由操作员设定,PID回路完成PID算法,OP最终稳定在SP值。
8.2 无扰切换方法:
由手动->自动无扰切换:将PID点参数MODE值由0设为1
由自动->手动无扰切换:将PID点参数MODE值由1设为0
9.串级控制回路的特点及无扰切换
对一个PID控制器来讲,有一个输入端为SPC,悬空时构成为简单的单回路控制,若要完成更复杂的控制,如实现外给定或远程给定等。本文以串级控制回路为例,详细说明力控串级控制系统的特点及各种无扰动切换过程,同时我们将更深入地了解PID控制器的几个参数之间存在的相互制约关系。
首先,再建立一个PID控制回路PID1,将PID1的输出OP连接到PID0的SPC端,设置好PID1控制器的属性,主副回路都默认设置为手动方式和内给定,这样就构成了以PID0为副回路、以PID1为主回路的串级控制系统。
补充说明:
系统中对于数据库输出变量算法块增加了一个输出死区属性,这个功能在一定程度上减缓了数据库的变化频率,减轻了系统的负荷,提高了系统的稳定性。
图六
图六 串级控制回路



控制策略编辑好后,保存并编译。为方便操作PID及无扰动切换,可以在力控开发环境下创建画面窗口,连接主副回路PID点。
9.1 串级控制回路的特点:
副回路没有设置成外给定方式时(副回路PID的CLC值为0),串级回路的特点为:
①主回路只能工作在手动方式:改变副回路的OP值,主回路自动跟踪,使切换到自动为无扰动的,其中主回路的OP值传递给副回路。
②副回路为自动方式时,副回路完成PID算法,主回路的SP值和副回路SPL、SPC和SP一致,处于不变状态。需要一个新的稳定状态时,改变副回路OP值即可。
副回路设置为外给定方式时(副回路PID的CLC值为1),串级回路的特点:
①副回路不能在手动方式下工作
②主回路可以工作在手动、自动控制方式
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