西门子模块6ES7214-2AS23-0XB8品质好货
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，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。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，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。图1为常规的PID控制系统。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。由图可见，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。
图1 典型pH值控制系统
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。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300MW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1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。图2给出其控制流程图。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S7-200PLC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，即pH表。
图2 控制流程图
3.1 控制流程
图3给出3#机组的炉水加药控制系统。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。
图3 3#机组炉水加药控制系统
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，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。
图4 控制系统组成
5用modrw指令实现plc对变频器的通讯控制
modrw指令是dvp系列plc提供的modbus数据读写指令，此指令适于dvp全系列plc。可以利用低端的es主机完成与变频器的通讯控制，实现控制系统的佳性价比配合。本通讯实例就以es系列plc控制vfd-m变频器，以实现多段速的调速操作。
modrw指令格式为：modrw s1 s2 s3 sn。s1为联机装置的地址，与变频器通讯时即为参数p88的设置值。s2为通讯功能码，此指令支持三个功能码，即h03(读取多笔命令)、h06(单笔数据写入命令)、h10(多笔数据写入命令)。s3为欲读写的通讯从机的地址。s为欲读写的数据的存储地址。n是欲读写的数据长度，es系列plc当为ascii模式时此值设定范围是k1-k8，当为rtu模式时为k1-k16。
本通讯实例是利用plc对变频器进行多段速调速控制，以实现一个单轴定位操作。其实现过程是这样的，自动动作开始时，plc以通讯的方式让变频器带动电机高速运转，用plc的高速计数器接收机械运转的位置信息，通过对位置信息的判断，实现在接近设定位置时变频器带动电机减速运动，直到后位置到达时停止，以实现定位功能。实现此功能的plc程序主要分三个部分，其一是高速计数程序及比较输出，其二是根据高速计数器的比较输出准备待通讯的数据，其三就是通讯程序。部分不是本文讨论范围，第二部分和第三部分的例子程序见图2、图3。
图2 待通讯数据写入程序
图3 通讯程序
6 用easyplc bbbb功能实现plc与变频器的通讯
台达的plcbbbb功能是以modbus通讯协议为基础来进行数据读写，其特点是进行数据读写时不需要特殊应用指令，只需用mov指令进行数据交换。eh/eh2/svplc作主站时支持m1353=on，可启动32台bbbb功能及超过16笔读写功能；sa/sx/sc主机仅支持16台bbbb功能及16笔读写功能。但能控制16台主机的能力就足以应付大多简单控制系统。用plc实现bbbb功能时同样需要让主从设备的通讯口的通讯格式设置一致，所设置的方法同前文所述。
进行plc bbbb读写从站数据时，作为主站的plc其它需要设置的项目如表5所示。
表5 plc bbbb时需设置的寄存器
知道上述这些需要设置的数据，就可以编写plc与从机间实现bbbb功能的程序了。本例以saplc作主机控制vfd-m变频器实现上例所述之多段速控制功能。例子程序如图4、图5所示，变频器的设置及通讯线的连接和上例相同。图4为待通讯数据的写入，与上例一样，通过对高速计数器接收的位置信息的比较结果，写入相应数据，以调节变频器的输出频率和动作。图5为bbbb相关程序，其中m1351 on是启动bbbb为自动模式，m1350 on为bbbb功能开始。
图4 bbbb时待写入数据准备程序
图5 bbbb通讯程序
7 结束语
从两个通讯实例可以看出，台达的plc和变频器间实现高性能的通讯控制非常简单容易，且性价比极高，值得推广应用。但需要注意的是由于rs485口是半双工工作模式，当程序中有多条通讯程序段时，一定不能出现两个或以上的通讯程序被执行的情况。
4实现plc和变频器通讯时的准备工作
4.1 plc相关通讯口通讯格式的设置方法
台达dvp系列plc的每一个通讯口都对应有相关的特殊寄存器d和特殊继电器m，以进行通讯相关的参数设置和信息的传送。本文中要使用的com2对应的主要特d特m及其意义见表1。
表1 特殊寄存器和特殊继电器的意义
表1中的d1120是16位的寄存器，通过程序设置此寄存器的数值，以便使plc的通讯协议与待通讯的从机协议一致。d1120中各数据位代表的意义如表2所示，使用delta的专用modbus通讯指令时d1120高8位的数据可以不设置，可以看作全为0。比如我们要用的通讯格式为：7位数据长、偶数、1位停止位（亦即常说的协议为：7e1），通讯速率为9600，则通过此图表我们可以知道d1120中的数据为：00000000 1000 0110，即d1120=h86。这样在编通讯程序时把h86写入d1120，set m1120，就设定好了plccom2口的通讯协议。
表2 d1120中各数据位代表
4.2进行通讯时变频器需要设定的相关参数及需要使用的通迅地址
变频器需要设定的参数及说明见图表3。如果进行变频器的通讯控制时必需设定这些参数，并且设定值要和plc的d1120值设置一致。
表3 变频器需设置参数表
当plc对变频器通讯进行数据的写入和读出时，就需要知道变频器所定义的相关功能的地址。依据这些地址进行数据写入和读出，才能实现对变频器的控制和得到变频器的当前信息。vfd-m系列变频器定义的本通讯实例中需用到的字址及其意义如表4所示。根据此表可以知道，当需要变频器以20hz正向运转时，就只需在变频器通讯相关的参数字址2000h写入：00000000 0001 0010，即十六进制的h12或十进制的k18；在2001h中写入k2000。
表4 变频器的通讯参数字址定义
4.3plc和变频器间的通信线的连接
变频器通讯接口各脚分布及定义如图1所示。当与plc进行rs485通讯时，仅需使用编号为3和4的脚，其中3脚和plc的rs485接口的－相连，4脚与rs485口的+相连即可。变频器接口为rj－11接口，和常用的电话机的接口是相同的，而plc端是普通接线端子埠，通讯线的制作非常简单，无需用专用接口焊接通讯线。笔者曾用从电话机上拆下的一段电话线实现了plc与变频器间的通讯。
图1 变频器rs-485接口各脚定义