基于MCGS的模拟锅炉温度控制系统的设计

黄俊腾张晓东

（西北电力试验研究院陕西西安710032）

摘要：针对人工控制锅炉温度系统误差大、安全性低以及控制过程繁琐等问题，提出应用计算机与MCGS组态软件自动控制锅炉温度的方法解决了控制精度低与安全性的问题。利用MCGS工程组态软件良好的人机界面、数据采集功能，结合脚本程序编写的便利性，利用MCGS良好的控制界面及模拟运行环境，运用脚本语言编写程序，采取PID算法实现对锅炉内胆水温的精确控制。

关键词：MCGS组态软件，PLC，锅炉内胆水温，PID算法，温度控制系统，上位机

1引言

锅炉在日常生活生产中的影响非常大。在工业锅炉里面燃烧化石燃料（比如说煤、石油、天然气等）产生的热水或水蒸汽的可直接提供工农业生产和生活所需要的热能。以及电热锅炉，将电能转化为热能，把水加热至有压力的热水或蒸汽（饱和蒸汽），不少企业将电热锅炉应用于采暖、中央空调和热水供应。在这种情况下，结合MCGS组态软件设计出一套针对温度的较为理想的控制系统其价值必定会具有非常深远的意义。

2MCGS组态软件

MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。它的特点可以归结成以下几点：

概念简单，易于理解和使用。

利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。

引入“运行策略”的概念。用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程。

MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。

支持OLEAutomation技术。MCGS允许用户在VisualBasic中操作MCGS中的对象，提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。

（6）MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。

（7）设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。

（8）提供对网络的支持。

3硬件设备

3.1THJ-2型高级过程控制系统实验装置

3.1.1被控对象

系统装置采用模拟锅炉内胆为被控对象进行温度实验。锅炉采用不锈钢精制而成，设计巧妙，由二层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度单回路实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都有温度传感器检测其温度，可完成温度的串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等。

3.1.2检测装置

系统装置装置采用六个Pt100温度传感器作为检测装置，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mADC电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

3.1.3执行机构

执行机构是一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。

（1）变频器：系统装置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R))变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，～220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

（2）水泵：系统装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵。一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

（3）可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

4锅炉温度控制系统的工作原理

系统以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻检测到的锅炉内胆温度信号TT1作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，故系统的调节器选择PID控制。设计方案采用锅炉夹套不加冷却水（静态）控制温度。

5锅炉温度控制系统的综合调试

系统调试过程中遇到的问题及解决方案如下：

故障一：测量信号具有较强的干扰，有时测量信号会突降至0℃或突升至100℃，测量值非常不稳定，对系统的稳定性影响很大，锅炉温度出现超调后无法再次回到设定值。

解决方案：

（1）调整模拟量输入模块8017的最小采集周期，由500ms增加至1000ms；

（2）调节PID参数，设定微分时间td=2s，加强抗扰性能；

（3）对8017模块的数据处理进行设置，调整滤波。

（4）更换硬件模拟量输入模块8017。

处理结果：改变8017模块的最小采样周期为1000ms，并将td值设为2s后，测量值依然不稳定，最终检测得知8017硬件模块滤波惯性过低，导致输入信号有较乱的毛刺干扰，调整8017硬件模块滤波惯性时间之后，测量信号虽然还有偶发性的干扰，但滤波特性与稳定性已得到明显改善。

故障二：系统惯性过大，输出温度跟随性不好，温度上升很快，系统输出很长时间内无法跟随输入，导致加热温度过高，降温过长太过缓慢。

解决方案：

调节PID参数，减小比例带常数P，将P值由60减小至35。

处理结果：调节PID参数后，系统运行得到改善，过渡过程相对稳定，输出信号跟随性加快。

6系统运行结果

系统进入模拟运行环境，可以正常显示系统运行界面，显示设定值、测量值与输出值，各按钮功能正常，能够实时切换手动/自动控制，设定系统给定值与输出量，调节PID参数，查看实时数据曲线与历史曲线以及数据记录。

硬件设备运行正常，智能仪表显示测量温度与上位机显示测量值一致，锅炉受上位机输出量控制，锅炉温度控制系统最终运行正常。

参考文献

[1]赵钦新.工业锅炉安全经济运行[M].北京：中国标准出版社，2003.3．

[2]王树青，王新民，田学民.工业过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，2002.6．

[3]陈曾汉．工业PC及测控系统[M].北京：机械工业出版社，2004.3．