西门子宁波授权总代理商

1 引言

    目前，我国对大型锅炉的给水与蒸汽质量指标要求十分严格，因而需要对炉水品质连续监控。测量pH值大多采用传统的PID控制算法．但在反应过程中，因其中和点附近的高增益使得难以调整传统PID控制器参数。因此只能采用很小的比例增益，否则系统不稳定，而比例增益过小，又将使系统的动态特性变坏。对于锅炉给水加药测控装置，已经实现了加药系统的自动化，但无自动配药设备，仍需根据汽水实验室的化验结果人工配药，这样不仅工作强度大，而且所加的氨、联胺均属有剧毒易挥发物质，会给操作者造成严重危害，并导致环境污染。为此，提出变增益三区段非线性PID和积分模糊控制(IFC)算法的两种新型pH值控制法。通过对带有时滞的pH值中和过程进行数字仿真，结果表明，这两种控制算法均具有鲁棒性强，响应速度快和控制精度高的特点，尤其是IFC算法能克服pH值中和过程中的较大时滞。通过在某电厂的实际应用，已实现了锅炉给水配药、加药系统的全自动控制。

2 pH值控制方法的研究

2．1 常规PID控制

    PID控制是按偏差的比例(P—Proportional)、积分(I—Integral)和微分(D—Derivative)线性组合的控制方式。其中，r为参考输入信号；PID为控制器；P为被控对象模型；d为干扰量；e(k)为系统误差；u(k)为控制量；pH(k)为被控过程输出量。常规PID控制中的比例作用实际上是一种线性放大或缩小作用，很难适应酸碱中和过程中被控对象非线性的特点。

2．2 变增益三区段非线性PID控制

    将pH值变化按拐点分为：一个高增益区和两个增益系数不同的低增益区。高增益区控制器采用较低增益；低增益区控制器采用不同的高增益，以满足系统期望的性能指标。此外为防止积分饱和，采用带死区和输出限幅的PID控制算法。

2. 3 模糊控制

    模糊控制算法概括为：根据本次采样得到的系统输出值，计算出输入变量；将输入变量的jingque量变为模糊量；根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)；由上述得到的控制量(模糊量)计算jingque的控制量。

3 电厂锅炉给水加药控制系统

    某发电厂共有4台300 MW的发电机组，分为两个单元，一单元为1#、2#机组，二单元为3#和4#机组。每个单元加药计量泵包括锅炉补给水(生水经各种水处理方式净化后．用于补充火力发电厂的汽水损失)和炉水两种用水。现以二单元为例，加药系统采用两用一备共3台加药计量泵，即3#和4#机组各用l台加药计量泵，当其中l台出现故障时切换到备用泵。在该系统中通过检测pH值来控制炉水中磷酸盐的加入量，pH值要求控制在914～9．78，当其中1台机组的pH值低于9.4时，启动相应机组的加药泵。此时，磷酸盐加药箱内的磷酸盐溶液经过管道(管道上的阀门都为手动阀，正常时为打开状态)被泵入相应机组的除氧器出水管加药点。若3#机组的加药计量泵出现故障，则打开备用泵与其相连管道上的阀门，备用泵接替3#机组的加药计量泵，为3#机组的炉水加药；4#机组亦然。由于炉水中加入了适当的磷酸盐及氢氧化钠，可提高炉水的缓冲性能，并有利于维持炉水pH值的稳定性，从而防止锅炉水冷壁的结垢和腐蚀。

    该系统将炉水水样经过减温减压装置引入磷酸表及pH表探头进行测量，经过模拟量转换，再经控制系统PID运算后控制变频器输出，控制加药泵转速，从而实时控制炉水的加药量，使炉水的磷酸根浓度与pH较好地保持在合格的范围内。该控制分为调节器、执行器、被控对象及变送器4部分。其中，调节器由S7-200 PLC和相应控制软件组成；执行器由变频器、电机和计量泵组成；被控对象为炉水；变送器采用分析仪表，

3．1 控制流程

该系统从在线分析仪表(磷酸根表、pH表)中提取4~20mA信号，根据运行工艺参数和确定的数学模型进行窗口式PID复合运算，中间结果送变频器，控制加药泵加药量以实现加药的自动闭环调节。

3．2 控制系统组成

    该控制系统选用上位机软件WinCC+西门子PLC的组合方案。PLC系统通过PorfiBus总线方式与上位机WinCC连接。如图4所示。其中上位监控部分由工业计算机(WinCC)来完成。监控工作人员可通过CRT实时监控系统的运行状况．设定或修改系统的运行参数，同时通过CRT远程软件控制系统运行。上位工控机进行数据处理和管理，并与MIS系统等联网。上位机可对控制器进行组态，组态范围包括控制器的网络地址和时间、选择控制算法、设定算法参数、设定控制量的设定点、选择算法中输入量及输出量的通道等。下位控制部分由安装在现场的一套可编程控制器(PLC)来完成。它是自动加药控制系统的核心，用于采集相应的水质数据。由于化学加药系统具有纯滞后性质，会导致控制作用不及时，引起系统产生超调或振荡，而利用计算机可方便实现滞后补偿。采用改进的数字PID控制算法和模糊控制算法，使控制器利用输出控制信号调节现场的交流变频器，进而控制电机的转速，以调节加药泵。电气部分的控制方式设计为远程和本地两种，以实现手动／半自动／自动三种功能，后两种功能由上位机切换。

4 IFC算法的滤波处理应用

    控制系统中．滤波程序的基本原理是在周期内连续采样5个数值，并求出其平均值出采集值与平均值的差值△=Xi一X；若|△|>0．2，则舍弃Xi，取X=0．2作为按实际情况设定的信号波动范围值；若|△|≤0．2，则Xl出栈，X2替换X1，X3替换X2，X4替换X3，依次递推。用当前采样的X6替换X5，然后用这5个新数值再求X，进行比较，如此循环执行该程序即可实现滤波功能。图5为采用滤波程序后，放大了的pH值趋势，由此可见，滤波效果良好。

5 结语

    实践证明．基于PLC的化学自动加药控制系统可灵活满足各类化学加药系统的在线监控。该系统投运以来，运行稳定、可靠、锅炉及辅机设备能全面实现自动调节，达到了预期效果，解决了以往手动控制难保证水质指标稳定的问题，减轻了运行人员的工作强度，得到。

SIMATIC ET 200S 是多功能、高度模块化的 I/O 系统，具有 IP20 的防护等级，可以针对自动化任务jingque的量身定制。

6ES7153-2AR03-0XB5技术介绍带有集成的 CPU 和 PROFINET/PROFIBUS 连接的接口模块现已推出-有标准设计和安全型设计两种。模块化的 ET 200S 可以提供丰富的模块，包括了电源模块、数字或模拟输入和输出模块、技术模块、一个 IO-Link 主站以及电机起动器、变频器和一个启动接口。由于具有坚固的结构，ET 200S 还可以用在高机械压力的条件下。

在空间紧张条件下，可以扩展一个小巧的块 I/O ET 200S COMPACT。ET 200S 还有 SIPLUS 版本，它具有更大的适用温度范围。

应用领域

丰富的模块使 ET 200S 成为了几乎适用于所有行业的理想 I/O 系统，而且特别适用于需要为模块设计和丰富功能的情况。

ET 200S 具有强大的内部数据传输能力和同步工作模式，还非常适用于时间关键型应用。

优点

集成了 CPU 功能

大大节省了接线

在控制柜中的空间要求少

具有紧凑版

模块化设计

模块系列齐全

面向集成安全性设计

集成了具体通道诊断功能

可用于危险场所（2 类区域）

作为安全设备提供了变频器和电机起动器

选件装卸简化了组态工作

可以在运行中更换模块（热插拔）

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设计和功能

由于机械装置与电子装置隔离

根据接口模块情况，多可以插入 63 个 I/O 模块

根据接口模块情况，ET 200S 的大可能宽度为 2m

通过绝缘部署方式，快速连接甚至为安装电子和电源模块提供了更多的益处。利用这种新方法，可以连接截面积 0.34 mm² 到 1.5 mm² 标准的导线，而无需剥皮或压接。

出色的易用性

一个好的自动化解决方案一定是易于安装和使用的 

SIMATIC ET 200SP在易用性方面达到了一个更高的高度

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组装方便

模块和端子盒可以在运行中更换。模块和相关的基座单元通过机械编码保证用户在组装过程中不会出错，减少了停机时间。

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接线快速

新的设计以及直插式端子，使得电缆的接线与拆线比以前更加容易，接线无需工具，只有拆线才需要螺丝刀。

新的连接方式密封性更好，抗腐蚀。

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高度透明

源于设计精巧的标识系统，SIMATIC ET 200SP将紧凑的外形与清晰的标识结合在一起。彩色端子标签方便接线，并可对I/O模块的电压进行标识；可打印的参考标识牌可以标识每一个系统组件；标识条可以对通道所对应的设备进行标识。

通过扫描组件上的二维矩阵码，可以读出订货号和序列号。使用西门子免费的服务与支持App，技术数据例如手册、固件、FAQ都可以在线获取。

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高效工程开发

SIMATIC ET200SP不仅仅可以通过TIA博途中的STEP 7版进行组态配置，也可以使用经典版的STEP 7 v5.5进行组态。TIA博图将所有的自动化软件集成于统一的工程环境-控制，可视化，故障安全，特殊功能和驱动。所有这些自动化组件所需的网络组态，高速在线功能和自动化系统诊断这些服务都是共享的。为此，TIA博途为所有的自动化任务提供了统一直观的用户接口以及一致的系统特性。

对于工程开发来说，这意味着极大提高工程效率。

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可更换的总线适配器

通过总线适配器（BA）SIMATIC ET 200SP提供了多种PROFINET的连接方式。BA 2xRJ45采用常规的RJ45插口。BA 2xFC（快速连接接头）其PROFINET电缆直接连接在总线适配器中，即使在持续震动的场合，也具有*的可靠性。可更换的总线适配器进一步提高了ET 200SP的易用性。

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诊断可靠

SIMATIC ET 200SP可以不断的给用户提供系统状态的详细信息。通过I/O模块上产生的信号实现通道级的诊断，无需额外编程。因此监控和维护不仅更加简单而且更加可靠。更进一步的诊断信息可以通过工程软件STEP 7 v5.5 或者 STEP 7 V11 (TIA博途)来读取。另外，ET 200SP的接线端子上还有易于使用的自夹紧式测量探针孔，可以同时进行多个探针的测量。