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0 引言

    我国现拥有的锅炉设备四十多万台，这些锅炉是工业、农业及民用上不可缺少的动力设备，也是用于各行业及民用采暖中的重要设备。锅炉现代化的管理不但需要安全、自动化的控制方案，还需考虑到高效、节能、无污染、无噪音等方面的因素。所以，对于锅炉的研究仍是一个需要探索、研究和学习的领域。

 早期的锅炉自动化程度不够高，监控系统不够完善，导致系统故障率高，维修困难；本系统利用工控组态软件MCGS设计锅炉的液位和温度控制系统，通过OLE技术将控制器嵌入到系统中，可实时调整系统参数，实现上位机管理监控，从而在很大程度上提高系统的自动化程度和控制精度。

1 系统分析

液位的控制是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。在控制器设计中，采用技术相对成熟的经典PID控制，同时加死区、步长控制和输出限幅控制。在MCGS中设定水位温度上下限、死区、比例带等参数，实际运行是通过OLE技术连接到VB中运算，运算结果再返回到监控系统中，实时的显示与控制

2 PID控制器的设计

根据锅炉实际工艺特点和所要达到的控制效果，下面分析控制器设计的具体流程。控制器的设计由主程序和几个子程序构成。

2.1主程序

以锅炉的液位控制为例来说明主程序的实现(温度控制类似)，先采集关于锅炉的实际过程参数值并设定算法中的各个参数。然后判断给定水位和测量水位之差（即偏差）与偏差限度之间的大小关系，如果偏差大于偏差限度，那么采用快速PID参数调节，如果偏差在偏差限度的允许范围内，采用精确的PID参数的运算调节，然后要对这个输出的阀位进行一定的限制与控制，需要限制的是阀的死区、步长、高低限，经过一定的控制之后输出的才是最后的阀位结果。主程序流程图如图1所示。

图1  PID控制器主程序框图

2.2 PID参数计算子程序kpkikd

在读取数据之后，计算PID控制需要的参数值，首先计算给定值与测量值之间的差值，即偏差。这里考虑这样一个问题，如果偏差比较大的话，要快速跟踪给定值，称之为粗调，如果偏差比较小的话，那么更应该注重控制的精度，采用细调。这两个子程序分别由kpkikd2和kpkikd1实现。二者的计算方法基本一致，只是所采用的比例带，积分时间和微分时间不同。

2.3偏差的计算子程序En_Ln_Mn_Nn

PID的参数调节实现的功能是计算出实际PID控制器的各个系数kp、ki、kd的过程，偏差计算程序En_Ln_Mn_Nn是利用数据采集子程序取得的当前过程值计算出回路中的各种偏差、偏差累计及偏差变化率ln、en、mn，采用位置算法（数据采集子程序略）。

2.4 PID输出子程序PIDout

在得到PID的比例、积分、微分系数以及偏差的一阶和二阶变化之后，即可得到控制输出，系统设计中考虑这样一个问题，如果偏差很小，那么对液位进行控制的意义不大，所以可以设定一个调节死区DB，当偏差小于调节死区时，则不进行PID调节，当偏差大于调节死区时，再进行PID调节。在进行PID调节时，考虑到控制的精度问题，将积分系数分为两部分，当偏差变化率为正时，采用积分系数ki1,当偏差变化率为负时，采用积分系数ki2。有了PID的系数和偏差，即可利用（Pid）子程序得到具体的PID调节器的输出：pidY = kp * ln + ki * en + kd * mn 。

2.5死区、步长、输出高低限幅的设定

在实际系统中，如果频繁的变动阀门的开度，或者阀门动作过大，都会对阀门造成一定的伤害，降低阀门的使用寿命，所以要限制阀门的频繁变化以及阀门的最大变化步长，以起到保护阀门的作用。首先设置阀门的最大开度与最小开度，当阀位计算值超过最大限度时应使其保持在最大阀位，而当阀位计算的值小于最小阀位时，则要使阀位保持在最小阀位。步长限幅的原理类似，当输出的开度范围大于给定的阀位步长VS时，取VS，其中应该考虑到阀位的正负。死区设定根据工艺要求和现场经验设定。最后将输出值保存到阀位的初始值，并取得水位的实时变化值。

3 MCGS与OLE技术

计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，在这方面，MCGS工控组态软件提供强有力的软件支持。本系统采用全中文工控组态软件MCGS来实现。

OLE（Object Linking & Embedded）是指对象的链接与嵌入技术。OLE控件是可以嵌入的组件对象模型（COM），它是作为一个进程中的服务器的动态链接库来实现的。

MCGS把其核心作为一个对象包装起来，把MCGS的大多数功能作为对象的属性和方法暴露出来，使其它的应用程序通过OLE自动化来操作MCGS，在VB中通过OLE来取得MCGS实时数据库对象，编程操作MCGS提供的属性和方法。

4 组态系统的实现

锅炉液位和温度控制PID程序是通过VB编制的，通过OLE与MCGS连接，首先读取MCGS中的各个数据和参数到VB中，经过控制运算以后再送回到MCGS中去，如图2所示。

                                                                 图2 运行界面

在MCGS中需要做的工作有几部分，首先是定义变量，在实时数据库中定义变量，这些参数变量分别为实现各个功能服务。然后在用户窗口中组态,并将各个输入框与实时数据库中的数据连接，同时将实时曲线中的显示曲线的变量和给定值以及测量值连接上。然后在主控窗口中定义其初始设置等。经过检查无误后，组态工作即完成。

然后运行系统，结果输出就是要得到的阀位的控制量输出。另外为了观察到实际的控制效果，将水位的给定值、实时测量值和阀位的变化值同时送到MCGS中实时显示，通过实时曲线可以观察最终控制效果。

5 结束语

通过分析锅炉液位和温度系统的控制特点及要求，采用VB编制PID控制程序通过OLE与MCGS连接，设计出了锅炉水位和温度的控制器，实现了水位和温度计算机自动控制。

参考文献

[1]   范从振. 锅炉原理. 北京：水利电力出版社，2000

[2]   施仁 等. 自动化仪表与过程控制. 北京：电子工业出版社，2003

[3]  陶永华 等. 新型PID控制及其应用. 北京：机械工业出版社，1999