用單片機和PLC在工業鍋爐給水模糊控制系統中的應用

1 引言
工業鍋爐是我國一次能源的消費大戶，目前運行的工業鍋爐不僅熱效率很低，而且安全性較差，已極不適應目前能源形勢的狀況。鍋爐汽包水位高度關系著汽水分離的速度和生產蒸汽的質量，也是確保安全生產的重要參數，為克服以上缺點，我們開發了一套適用于中小型工業鍋爐的給水控制系統，該系統按“蒸汽鍋爐安全技術監察規程”可靠供水的有關要求而進行研制，可直接安裝在現行的給水系統上，極大的提高了鍋爐的熱效率和安全穩定性。
2 控制系統總體方案
該系統控制裝置由單片機和PLC組成，執行機構由切向調節閥和電動執行機構兩部分組成。鍋爐蒸汽量頻繁波動時，將引起水位與調節閥開度的不平衡，單片機采集前端水位信號和閥位反饋信號，將數據進行處理后送出到PLC，PLC通過模糊控制算法產生相應的輸出，電動執行機構將根據控制器的輸出調節自動給水執行機構的位置，改變調節閥的流通面積，增減給水流量以達到調節鍋爐水位的工藝目的，使鍋爐水位與閥位達到新的平衡狀態，鍋爐水位在變化工況下始終保持在“規程”規定的正常范圍內，從而實現鍋爐給水量隨蒸發量變化的自動調節。
3 控制系統硬件結構設計
本系統采用單片機與PLC相結合的設計思想，在不改變系統性能的前提下極大的降低了系統成本。硬件結構圖如圖1所示。

先通過單片機對數據進行處理，再把信號以二進制編碼的格式送入PLC，這樣PLC只需要較少的輸入點，就得到了較多的狀態。在系統安全性方面也有周密的考慮，現場水位計來的高低保護信號直接接入PLC，即使單片機受現場干擾造成“死機”，當實際汽包水位威脅到鍋爐運行安全時，可以直接通過PLC去實現停爐操作，保障了設備的安全運行。并采用兩個水位計冗余技術，避免了單片機穩定性差的缺陷。由此可見，整個系統的安全性、經濟性都是較高的。
3.1 前端水位測量原理
水位計測量元件是均勻分布，間距為5mm的干簧管，測量范圍是-100mm～+100mm，磁浮筒對干簧管產生磁場作用，使相應的干簧管吸合，對應生成相應的水位信號，以89C2051為核心的信號采集電路，將這些開關信號采集且轉換成對應的水位值，并通過RS485通訊將水位信號送到控制室。
3.2 控制箱設計
控制箱主要由8031為核心的單片機系統和PLC(CPMIA-30)組成，RS485的通訊過程和信號的輸入、輸出如圖2所示。

8031通過RS485方式與現場兩個水位計通訊，RS485采用平衡驅動，差分接收的方式，抗干擾能力強，最遠傳輸距離為1200m，能驅動32個接收/發送對。數據的讀寫控制由P3.7來完成，當P3.7為高電平時RS485的DE端有效，則允許數據發送，當P3.7為低電平時RS485的有效，則允許數據接收，這樣在半雙工的方式下實現了數據的發送與接收。8031單片機有4個8位雙向并行I/O端口，每個I/O端口除可作為字節的輸入/輸出外，每條I/O線也可以單獨地用作輸入/輸出線，設計中充分利用這一特性，將P0口作為輸入口，接收現場的狀態，P1和P2口作為輸出口，完成報警、水位、閥位信號的輸出。
4 控制系統軟件設計
單片機程序采用模塊化設計的程序設計方法，既方便程序的修改和調試，又能實現軟件的自診斷，提高了軟件的易理解性和易維護性。對PLC采用梯形圖的組態方式，通過CPT編程可實現相應的保護聯鎖功能和控制算法。整套系統組態靈活、修改方便。
4.1 RS485通訊程序設計
通訊程序的設計包括:通訊協議的約定、報文的信息格式、通訊的任務、多機通訊的實現方法、通信的校驗方法、編程方法。
(1) 通訊協議:
本系統采用主從式的通訊方式，主機為8031，從機為兩臺89C2051，地址分別設為00H和01H，數據格式為1位起始位，8位數據位，1位停止位，傳輸速率為:1200bps。多機通訊的實現方法是:8031首先發送地址主動聯絡2051，兩臺2051同時收到地址與本機地址比較，若相同則將本水位計采集的水位值發送出去，若不相同則不反應，主機和從機都采用中斷方式接收，這樣提高了程序的執行效率并避免了通訊錯誤發生時死機。
(2) 報文信息格式:

主機與從機都采用這樣的信息格式發送數據，@字符作為報文起始位，狀態位用來標識單片機的運行狀態，校驗位為前四位異或的結果，回車符作為報文結束標志。
(3) 通訊出錯處理辦法:
RS485通信具有高抗干擾能力，但由于系統所處環境干擾較嚴重，為增強系統通信的可靠性，軟件設計中主、從機間的通信采用關鍵字重發的方法。通訊錯誤主要有兩種:接收不到水位計的數據和接收到錯誤的數據，接收不到數據時，主機將重新發送地址，如果還是收不到返回的水位信息且次數達到3次，則主機認為這臺水位機出現故障;接收的數據如果校驗位不正確，則說明接收的數據錯誤，則主機要求從機重新發送數據，若錯誤次數達到3次則主機認為水位計有故障。
4.2 模糊控制策略的實現
鍋爐是典型的復雜熱工系統。鍋爐建摸與控制問題一直是人們關注的焦點。工業鍋爐汽包水位的主要動態特性包括:非線性、非最小相位特性、不穩定性、時滯和負荷干擾，以及汽水分離器動態的不穩定性等。若采用單一的水位反饋控制或能夠反映動態特性的三沖量給水系統，由于鍋爐水位控制系統的動態特性不斷變化，采用各種自校正措施會使系統結構復雜，整定困難，同時仍然存在誤差，在現場工況變化后難以適應控制要求。本系統基于現場操作經驗，運用模糊控制策略控制復雜的工業鍋爐汽包水位，從而獲得了良好的控制效果。
(1) 模糊推理過程
現場操作人員用以調整汽包水位而觀察的對象過程參數為:(a)汽包水位實際水位值;(b)汽包實際水位與水位設定值偏差;(c)調節閥開度。操作人員基于以上參數觀察一下水位，估計一個入水量與蒸汽流量間的平衡關系，然后操作主控入水閥以決定入水量是否需要增加或減少。調整操作之后。操作人員再進一步觀察運行效果，以決定是否需要進一步調整，模糊控制器的設計正是要體現以上反映人的思維的經驗過程。
(2) 模糊推理規則
本系統中，根據水位變化趨勢和水位測量值來調節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，其控制規則如附表所示。

以水位的上升為例，調節閥與泵的動作過程如下:水位在-20mm到+10mm之間為正常范圍，此時A泵開，B泵關，當水位超過+10mm時開始關閥，若關閥后水位繼續上升，達到+70mm時開始滿水報警，達到+80mm則關掉A泵，若還是上升，達到+95mm則停爐。這一控制規則，充分體現了現場操作人員的經驗，實現起來簡單、方便，在實際應用中控制效果良好。
5 結束語
本文提出了一種利用單片機和PLC組成的鍋爐汽包水位控制系統。本系統采用仿人模糊控制策略，用于中小型工業鍋爐的技術改造，取得了良好的控制效果。本系統既可以大幅度地提高勞動生產率，改善勞動條件，提高熱效率，節約能源，降低成本;又具有結構簡單，價格便宜，使用方便，投資少，效率高的優點。