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0 引言

    我國現擁有的鍋爐設備四十多萬臺，這些鍋爐是工業、農業及民用上不可缺少的動力設備，也是用于各行業及民用采暖中的重要設備。鍋爐現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需要探索、研究和學習的領域。

 早期的鍋爐自動化程度不夠高，監控系統不夠完善，導致系統故障率高，維修困難；本系統利用工控組態軟件MCGS設計鍋爐的液位和溫度控制系統，通過OLE技術將控制器嵌入到系統中，可實時調整系統參數，實現上位機管理監控，從而在很大程度上提高系統的自動化程度和控制精度。

1 系統分析

液位的控制是通過控制進水或出水閥門的開度，改變水流量來實現的，而水溫的控制是通過調節加熱的功率來實現的。在控制器設計中，采用技術相對成熟的經典PID控制，同時加死區、步長控制和輸出限幅控制。在MCGS中設定水位溫度上下限、死區、比例帶等參數，實際運行是通過OLE技術連接到VB中運算，運算結果再返回到監控系統中，實時的顯示與控制

2 PID控制器的設計

根據鍋爐實際工藝特點和所要達到的控制效果，下面分析控制器設計的具體流程。控制器的設計由主程序和幾個子程序構成。

2.1主程序

以鍋爐的液位控制為例來說明主程序的實現(溫度控制類似)，先采集關于鍋爐的實際過程參數值并設定算法中的各個參數。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系，如果偏差大于偏差限度，那么采用快速PID參數調節，如果偏差在偏差限度的允許范圍內，采用精確的PID參數的運算調節，然后要對這個輸出的閥位進行一定的限制與控制，需要限制的是閥的死區、步長、高低限，經過一定的控制之后輸出的才是最后的閥位結果。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參數計算子程序kpkikd

在讀取數據之后，計算PID控制需要的參數值，首先計算給定值與測量值之間的差值，即偏差。這里考慮這樣一個問題，如果偏差比較大的話，要快速跟蹤給定值，稱之為粗調，如果偏差比較小的話，那么更應該注重控制的精度，采用細調。這兩個子程序分別由kpkikd2和kpkikd1實現。二者的計算方法基本一致，只是所采用的比例帶，積分時間和微分時間不同。

2.3偏差的計算子程序En_Ln_Mn_Nn

PID的參數調節實現的功能是計算出實際PID控制器的各個系數kp、ki、kd的過程，偏差計算程序En_Ln_Mn_Nn是利用數據采集子程序取得的當前過程值計算出回路中的各種偏差、偏差累計及偏差變化率ln、en、mn，采用位置算法（數據采集子程序略）。

2.4 PID輸出子程序PIDout

在得到PID的比例、積分、微分系數以及偏差的一階和二階變化之后，即可得到控制輸出，系統設計中考慮這樣一個問題，如果偏差很小，那么對液位進行控制的意義不大，所以可以設定一個調節死區DB，當偏差小于調節死區時，則不進行PID調節，當偏差大于調節死區時，再進行PID調節。在進行PID調節時，考慮到控制的精度問題，將積分系數分為兩部分，當偏差變化率為正時，采用積分系數ki1,當偏差變化率為負時，采用積分系數ki2。有了PID的系數和偏差，即可利用（Pid）子程序得到具體的PID調節器的輸出：pidY = kp * ln + ki * en + kd * mn 。

2.5死區、步長、輸出高低限幅的設定

在實際系統中，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，以起到保護閥門的作用。首先設置閥門的最大開度與最小開度，當閥位計算值超過最大限度時應使其保持在最大閥位，而當閥位計算的值小于最小閥位時，則要使閥位保持在最小閥位。步長限幅的原理類似，當輸出的開度范圍大于給定的閥位步長VS時，取VS，其中應該考慮到閥位的正負。死區設定根據工藝要求和現場經驗設定。最后將輸出值保存到閥位的初始值，并取得水位的實時變化值。

3 MCGS與OLE技術

計算機技術和網絡技術的飛速發展，為工業自動化開辟了廣闊的發展空間，用戶可以方便快捷地組建優質高效的監控系統，在這方面，MCGS工控組態軟件提供強有力的軟件支持。本系統采用全中文工控組態軟件MCGS來實現。

OLE（Object Linking & Embedded）是指對象的鏈接與嵌入技術。OLE控件是可以嵌入的組件對象模型（COM），它是作為一個進程中的服務器的動態鏈接庫來實現的。

MCGS把其核心作為一個對象包裝起來，把MCGS的大多數功能作為對象的屬性和方法暴露出來，使其它的應用程序通過OLE自動化來操作MCGS，在VB中通過OLE來取得MCGS實時數據庫對象，編程操作MCGS提供的屬性和方法。

4 組態系統的實現

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中的各個數據和參數到VB中，經過控制運算以后再送回到MCGS中去，如圖2所示。

                                                                 圖2 運行界面

在MCGS中需要做的工作有幾部分，首先是定義變量，在實時數據庫中定義變量，這些參數變量分別為實現各個功能服務。然后在用戶窗口中組態,并將各個輸入框與實時數據庫中的數據連接，同時將實時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置等。經過檢查無誤后，組態工作即完成。

然后運行系統，結果輸出就是要得到的閥位的控制量輸出。另外為了觀察到實際的控制效果，將水位的給定值、實時測量值和閥位的變化值同時送到MCGS中實時顯示，通過實時曲線可以觀察最終控制效果。

5 結束語

通過分析鍋爐液位和溫度系統的控制特點及要求，采用VB編制PID控制程序通過OLE與MCGS連接，設計出了鍋爐水位和溫度的控制器，實現了水位和溫度計算機自動控制。

參考文獻

[1]   范從振. 鍋爐原理. 北京：水利電力出版社，2000

[2]   施仁 等. 自動化儀表與過程控制. 北京：電子工業出版社，2003

[3]  陶永華 等. 新型PID控制及其應用. 北京：機械工業出版社，1999