張濤

(華北科技學院，河北 三河 065201)

0 引言

工業(yè)鍋爐是采暖供熱系統(tǒng)的核心設備，其主要任務是安全可靠、經(jīng)濟有效地把燃料的化學能轉(zhuǎn)化為熱能，生產(chǎn)出滿足需要的蒸汽或熱水。為保證鍋爐的正常運行，需要維持鍋爐水位為正常標準值，鍋爐水位過低，易燒干鍋而發(fā)生嚴重的事故，鍋爐水位過高，則易使鍋爐內(nèi)壓力過大發(fā)生爆炸。鍋爐系統(tǒng)的水位是否穩(wěn)定，直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的安全，生產(chǎn)效率的高低，能源是否能得到合理運用等一系列問題，因此必須通過鍋爐水位實驗系統(tǒng)嚴格控制鍋爐水位的高低，以保證鍋爐正常安全的運行［1］。

鍋爐水位實驗系統(tǒng)是模擬工業(yè)鍋爐運行與控制過程的裝置，是學生認識工業(yè)過程控制和計算機控制的重要教學設備。

1 鍋爐水位實驗系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其不足

實驗室現(xiàn)有一套鍋爐水位實驗系統(tǒng)，鍋爐水位實驗系統(tǒng)的實物裝置如圖1所示。鍋爐水位實驗系統(tǒng)由控制實驗箱、水位傳感器、水量調(diào)節(jié)閥等裝置構(gòu)成。給水流量、排水流量的調(diào)節(jié)機構(gòu)分別為給水調(diào)節(jié)閥、排水調(diào)節(jié)閥，可以通過控制閥門開度來控制水流量的大小。

圖1 鍋爐水位實驗系統(tǒng)的實物裝置

現(xiàn)有的鍋爐水位實驗系統(tǒng)使用生產(chǎn)廠商配套的控制實驗箱作為控制器來完成鍋爐水位控制實驗。在實驗過程中，該鍋爐水位實驗系統(tǒng)僅需設置少數(shù)幾個參數(shù)即可完成實驗，不能真正培養(yǎng)學生的實驗動手能力;特別是該實驗系統(tǒng)不能改變控制算法，不能充分發(fā)揮學生在實驗過程中的主動性和創(chuàng)造性［2-3］。

2 基于PCI總線的鍋爐水位實驗系統(tǒng)的設計

2.1 總體控制方案

為彌補現(xiàn)有鍋爐水位實驗系統(tǒng)的不足，作者提出針對現(xiàn)有鍋爐水位實驗系統(tǒng)的改進控制方案。鍋爐水位實驗系統(tǒng)控制方案的總體思路是:先將原鍋爐水位實驗系統(tǒng)的水位傳感器信號提取出來，通過PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡引入到計算機中;然后，在計算機中使用不同控制算法對鍋爐水位進行控制;最后，利用組態(tài)軟件將控制過程可視化，能夠在計算機上生動直觀地顯示鍋爐水位的控制過程。

圖2為設計完成上述控制方案的鍋爐水位實驗系統(tǒng)組成框圖。鍋爐水位實驗系統(tǒng)主要由計算機(在計算機中運行數(shù)據(jù)采集軟件和控制組態(tài)軟件)、PCI總線數(shù)據(jù)卡(包含PCI總線端子板)、水位檢測電路(水位傳感器、I/V變換、采集隔離)、水位調(diào)節(jié)電路(驅(qū)動隔離、V/I變換、給水電磁閥)等部分組成［4-5］。

2.2 PCI總線數(shù)據(jù)卡

PCI是外部設備互相聯(lián)接(Peripheral Component Interconnect)的簡稱，它是連接電子計算機主板和外部設備的總線標準。

PCI總線數(shù)據(jù)卡是具有PCI總線的數(shù)據(jù)采集控制卡，可以直接安裝在計算機的主板上。PCI總線數(shù)據(jù)卡負責完成數(shù)據(jù)采集任務，并將數(shù)據(jù)采集結(jié)果傳遞給計算機，以便計算機作進一步處理。

本設計的PCI總線數(shù)據(jù)卡擬選用研華公司生產(chǎn)的PCI-1716。PCI-1716是一款功能強大的高分辨率多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡，帶有采樣速率最高達250 k/s的16位A/D轉(zhuǎn)換器。PCI-1716可以提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，也可以組合輸入。PCI-1716還帶有二個16位D/A輸出通道，16位數(shù)字量輸入/輸出通道和一個10 HMs16位計數(shù)器通道。

PCI-1716附有32位DLL驅(qū)動程序，通過這個驅(qū)動程序，編程人員可以使用高級語言編程環(huán)境對PCI-1716的硬件進行編程控制，易于實現(xiàn)計算機控制。

圖2 鍋爐水位實驗系統(tǒng)的組成框圖

2.3 鍋爐水位檢測電路

鍋爐水位檢測電路如圖3所示。水位傳感器將檢測的鍋爐水位值變換為電流輸出信號，再經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換器ISO-A4-P3-O4變換為電壓信號，即完成I/V轉(zhuǎn)換;隔離轉(zhuǎn)換器的電壓信號經(jīng)放大器OP07放大后送至PCI總線數(shù)據(jù)卡PCI-1716的34端口;PCI-1716負責對此模擬輸入信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送給計算機處理。其中，隔離轉(zhuǎn)換器ISO-A4-P3-O4的各位含義是:A4指輸入電流信號的范圍為4 mA～20 mA;P3指供電電壓為5 V;O4指輸出電壓信號的范圍為0 V～5 V。

圖3 鍋爐水位檢測電路

2.4 鍋爐水位調(diào)節(jié)電路

鍋爐水位調(diào)節(jié)電路如圖4所示。計算機將處理后的數(shù)據(jù)送給PCI總線數(shù)據(jù)卡PCI-1716的24端口，PCI-1716負責對此數(shù)字輸入信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換;放大器OP07接收此模擬輸入信號，并將其放大，其信號形式為電壓信號;隔離轉(zhuǎn)換器ISO-U1-P3-O1負責將輸入的電壓信號變換為電流輸出信號，即完成V/I轉(zhuǎn)換;隔離轉(zhuǎn)換器輸出的電流信號可直接作用于電磁閥，通過閥門的開度來調(diào)節(jié)流量，進行調(diào)節(jié)鍋爐的水位。其中，隔離轉(zhuǎn)換器ISO-U1-P3-O1的各位含義是:U1指輸入電壓信號的范圍為0 V～5 V;P3指供電電壓為5 V;O1指輸出電流信號的范圍為4～20 mA。

圖4 鍋爐水位調(diào)節(jié)電路

3 模糊控制

3.1 模糊控制概述

模糊控制(Fuzzy Control)是利用計算機來實現(xiàn)模擬人的思維過程和控制過程，其最大特點是不需要獲得被控對象的數(shù)學模型。

因建立鍋爐水位實驗系統(tǒng)中的精確數(shù)學模型較為困難，因此也可以利用模糊控制算法不需要被控對象數(shù)學模型這一特點，采用模糊控制算法來控制鍋爐水位實驗系統(tǒng)中的水位參數(shù)［6］。

3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

模糊控制器的輸入量可選為鍋爐水位實驗系統(tǒng)中水位實際值與水位給定值之間的誤差e及其變化率c，即

式中y為水位實際值，yd為水位給定值。

模糊控制器的輸出量選為給水電磁閥的輸入控制量u，該給水電磁閥選用比例型電磁閥，通過調(diào)節(jié)比例型電磁閥的閥門開度變化來調(diào)整水的流量。這樣，就為鍋爐水位實驗系統(tǒng)選定了一個雙輸入單輸出的模糊控制器。

3.3 模糊控制規(guī)則

根據(jù)鍋爐水位實驗系統(tǒng)的實際情況，設水位實際值與水位給定值之間的水位誤差e的取值范圍為0 cm～8 cm。將水位誤差e分為五個模糊集:E_Less(誤差小)，E_VeryLess(誤差較小)，E_Medium(誤差適中)，E_VeryMuch(誤差較大)，E_Much(誤差大)。選用三角形隸屬度函數(shù)實現(xiàn)水位誤差的模糊化。

設水位實際值與水位給定值之間的水位誤差變化率c的取值范圍為0 cm～3 cm。將水位誤差變化率c分為四個模糊集:C_Less(誤差變化率小)，C_VeryLess(誤差變化率較小)，C_Very-Much(誤差變化率較大)，C_Much(誤差變化率大)。選用三角形隸屬度函數(shù)實現(xiàn)誤差變化率的模糊化。

在比例型電磁閥銜鐵的有效行程范圍之內(nèi)，比例型電磁鐵的吸力與電磁鐵線圈的電流大小成正比。模糊控制器的輸出量選為比例型電磁閥的輸入控制量u，其取值范圍為0 mA～20 mA，對應的比例型電磁閥的閥門開度范圍為0% ～100%［7］。將給水電磁閥的輸入控制量u分為三個模糊集:U_Less(控制量小)，U_Medium(控制量適中)，U_Much(控制量大)。選用三角形隸屬度函數(shù)實現(xiàn)給水電磁閥輸入控制量的模糊化。

該模糊控制器的模糊控制規(guī)則如表1表示。表中，第一行為水位誤差的模糊語言變量值;第一列為水位誤差變化率的模糊語言變量值;各行和各列的交叉值表示給水電磁閥輸入控制量的模糊語言變量值。

表1 模糊控制規(guī)則表

4 鍋爐水位實驗系統(tǒng)的模糊控制及其組態(tài)仿真

在對鍋爐水位實驗系統(tǒng)進行控制的過程中，為實現(xiàn)編輯畫面、設置參數(shù)、打印曲線、生成報表等交互控制功能，本文設計了鍋爐水位實驗系統(tǒng)的畫面組態(tài)控制系統(tǒng)。

本文使用組態(tài)王編程軟件對鍋爐水位實驗系統(tǒng)的控制過程進行組態(tài)仿真設計。組態(tài)軟件可以提高控制系統(tǒng)的開發(fā)設計工作效率，有助于設計者快速完成控制畫面的編輯工作。

首先建立工程文件，定義各個輸入變量和輸出變量，并將這些變量分別與傳感器和執(zhí)行裝置進行通訊連接。然后建立“主畫面”畫面，在畫面中加入鍋爐水位實驗系統(tǒng)的各種元素，并與前述定義的變量進行連接，然后保存運行?！爸鳟嬅妗钡慕M態(tài)仿真運行效果如圖5所示。

之后再建立“水位控制”畫面，使用模糊控制方案對鍋爐水位進行控制，“水位控制”畫面的組態(tài)仿真運行效果如圖6所示［8-9］。

圖5 “主畫面”的組態(tài)仿真運行效果

圖6 “水位控制”畫面的組態(tài)仿真運行效果

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)有鍋爐水位實驗系統(tǒng)存在控制裝置交互性差、控制算法單一等缺點和不足，提出了針對現(xiàn)有鍋爐水位實驗系統(tǒng)的改進控制方案。其主要結(jié)論如下:

(1)設計了基于PCI總線數(shù)據(jù)卡構(gòu)建鍋爐水位實驗系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)方案，該方案在原系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上只需要增加帶有PCI接口的多功能數(shù)據(jù)卡即可完成實現(xiàn)，成本較低。

(2)完成了鍋爐水位實驗系統(tǒng)的模糊控制算法設計，也可以使用PID控制算法、直接數(shù)字控制算法等其它控制算法對鍋爐水位實驗系統(tǒng)進行控制，可以靈活選擇控制算法。

(3)利用組態(tài)軟件設計了鍋爐水位實驗系統(tǒng)模糊控制的組態(tài)仿真控制畫面，繪制控制過程仿真曲線。

總之，改進設計的鍋爐水位實驗系統(tǒng)具有控制方案易于實現(xiàn)、能夠靈活選擇控制算法、組態(tài)控制畫面交互性強、控制過程生動直觀、易于理解和操作等特點。

［1］張濤，潘玉民.自動控制系統(tǒng)實驗實踐教程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2010.

［2］潘新民，王燕芳.微型計算機控制技術(shù)［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

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