（电气工程专业论文）电厂热网控制系统研究.pdf

摘要 热网是随着科技进步而不断发展起来的用以解决寒冷地区冬季供热问题的 主要手段，它主要是通过热水或蒸汽作为载体，将热量送给热用户。但由于供热 监测手段达不到要求，供热控制系统自动化水平不高，不能为热网调度和运行工 作人员提供了快捷、准确的参数，使运行中发生异常或事故不能够准确判断，对 安全经济运行、降低成本有着深远的意义。 p l c 是供热系统中应用最多的辅助系统。p l c 系统具有高可靠性，编程方 便，易于使用，环境要求低，与其他装置的配置连接方便的优点，其在供热过控 制程中得到了广泛的应用，从而提高了供热系统的自动化水平；交流变频调速技 术是当今节电、改善工艺流程、推动技术进步的一种主要手段。 本课题对龙凤热电厂热网集中供热系统进行研究的基础上，引入p l c 技术、 p i d 技术和交流变频调速技术，将p l c 作为中央处理单元，采用人机界面作为 人机交互工具，实现了该系统的在线监测、手动和自动控制等功能，设计了龙凤 热电厂线路水泵电机实现变频控制以及水流量自动控制的方案，并结合触摸屏技 术，研究通过触摸屏实现p l c 控制的设计方案。实施以后，提高热网运行的安 全性和可靠性，节能效果显著，具有良好的经济效益和推广价值。 关键词：热网；p l c 控制；变频调速；在线监测 a b s t r a c t a 1 0 n gw i t ht h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s ，d e v e l o p m e n t ，h e a t i n g n e ti s b e c o m i n 2t h em a i nm e a nt op r o v i d eh e a t i n gt ot h ec h i l l yr e g i o n s h o tw a t e r 0 rs t e a m s e r v e sa sc a l l r i e rt oc a r r yh e a tt ot h eu s e r s h o w e v e r , b e c a u s et h em o n i t o r i n gt o o l so f h e a t i n gf a i la n d ，t h ea u t o m a t i o nl e v e lo fh e a t i n gc o n t r o ls y s t e mi sl o w , f a s ta c c u r a t e p a r a m e t e r sc a n ，tb ep r o v i d ef o rr u n n i n g a n ds c h e d u l i n go ft h eh e a ts u p p l ya n d o p e r a t i o no fi r r e g u l a r i t i e s o ri n c i d e n t sc a l ln o tb ea c c u r a t e l yd e t e r m i n e d i th a s f a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c ef o rt h es a f ea n d e c o n o m i co p e r m i o na n dr e d u c i n gc o s t p l cs y s t e m a p p l i e dt op o w e rp l a n th e a tn e ts y s t e m ，i st h em o s ta s s i s t a n ts y s t e m a n dw i d e l ya p p l i e di nt h ep r o c e s sc o n t r 0 1 w i t hh i g hr e l i a b i l i t y , e a s yp r o g r a m m m g ， c o n v e n i e n tu t i l i z a t i o n s ，l o we n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t s ，q u i c k c o n n e c t i o nw i t ho t h e r d e v i c e s ，c o n f i g u r a t i o n ，i ti m p r o v e st h el e v e lo f a u t o m a t i o ni nt h es y s t e m a tp r e s e 此 a cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa l s oap n m a r ym e a n s t o s a v ep o w e r , i m p r o v et h ep r o c e s sa n dp r o m o t et e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s t h i sp a p e r ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eh e a tn e ts y s t e mi nl o n g f e n gt h e m a l p o w e rp l a n t , s h o w st h ep l ct e c h n o l o g ya n da cf r e q u e n c y c o n v e r s i o nv e i o c i t y m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y，p i dt e c h n o l o g y i ti n t r o d u c e sp l ca s t h ec e n t r a l p r c i c e s s i n gu n i ta n da d a p t sh u m a nm a c h i n e i n t e r f a c ea sat o o lf o rh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o nt oa c h i e v et h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，m a n u a la n da u t o m a t i cc o n t r o l 如n c t i o n s t h i sp a p e rd e s i g n sas o l u t i o n ，b yw h i c hc i r c u i tw a t e rp u m pm o t o r s o l l o n g f e n gp o w e rp l a n ta c h i e v ec o n t r o lo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dt h e m l c a lw a t e r f l o wo fa u t o m a t i cc o n t r o l ，a n dp tt e c h n o l o g yt ow h i c hp l cs y s t e mh a sa l s o b e e n u s e di n t h i sp r o j e c t a f t e ra p p l i c a t i o n ，t h e r e c o n s t r u c t e dc o n t r o ls y s t e mw 川b e r u n n i n gi nam o r ea c c u r a t ea n ds a v i n g a n dd e s e r v e dt os p r e a d p o w e r l e v e l i th a dag o o de c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：h e a t i n gn e t ；p l cc o n t r o l ；v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d r e g u l a t i o n ； o n 1 i n em o n i t o r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：书咔 签字日期： 删年；月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨空盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤凄盘鲎：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 叶黼l 声 号币签名： 整字譬兢蕾，s 年弓月j 日签字“期：年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及研究的意义 热电联产集中供热作为一种经济的供热方式越来越普遍，并且逐渐取代分散 独立的锅炉房，国家也出台了一些相关政策鼓励集中供热，节约能源。目前，电 厂集中供热应用极为广泛，虽然采用不同的热源，但大多是采用水作为传热介质， 在循环水泵的作用下，将热能传给热用户【l 】。集中供热应用虽然广泛，但却一直 未做到设计、施工与管理的科学化，多数没有考虑节电问题，控制系统多数也较 为简单，在负荷波动时，手动控制系统压力和温度，使其满足热网温度曲线，有 时调整不当，可能造成室内温度的过高或过低1 2 。 龙风热电厂的集中供热系统自8 6 年开始陆续对三台纯凝机组进行改造，实现 低真空循环水供热，取代传统的小锅炉取暖供热。尽管经过了多次改扩建，但控 制系统一直沿用建厂之初的设备，不仅系统的故障率较高，而且不便于系统的控 制和调节，系统维护量大。随着城区的扩大和工农业的发展，供热面积不断增加， 采暖供热量从1 9 9 8 年的4 4 8 万吉焦激增为2 0 0 8 年的1 5 3 万吉焦。热网泵的运行台 数在不断增加，耗电量增加幅度较大。根据当前实际供暖效果来看，现有的设施 和运行方法是达不到实际要求的，主要原因是对热网的压力平衡、水力平衡、能 量平衡的调整不力，对热网的监测( 尤其是实时监测) 手段远达不到要求。在发 生异常或事故前期以及运行工作人员判断失误等情况，调度根本无法知道，就可 能增加事故发生的可能性，甚至延误事故处理的最佳时机，造成事故“越级”等一 些不堪设想的后果。 龙凤热电厂希望通过对原有热网系统的技术改造，提高生产过程的自动化水 平。并配备系统管理软件，改变传统的管理方式。供热热网生产控制系统和监测 系统的设立，为热网调度和运行工作人员提供了快捷、准确的参数，使运行中发 生异常或事故能够准确判断，克服由于采用单纯采用人工手动控制带来的运行人 员的劳动强度大、控制不方便、达到控制热网系统压力( 即热网循环水流量和温 度) ，达到精细调节循环水供水温度的目的。对安全经济运行、提高利用、降低 成本有着深远的意义。该技术在北方，特别是东北地区的供热系统改造、扩建和 新建项目有着广阔的应用前景。选定龙风热电厂热网监控系统作为研究课题，希 望能对这方面的建设提出一点有益的东西。 第一章绪论 1 2 供热监控系统的研究现状 1 2 1 供热监控技术的发展 供热系统监控技术的发展随着国家集中供热的发展而发展，大致分为3 种状 态。 ( 1 ) 手动操作 由于集中供热刚刚开始，属于初创时期，规模不大，管理比较简单，主要是 管理几条供热管线和为数很少的热力站。根据现有资料表明，这一阶段的监测仅 仅是就地测量仪表提供参数，供热管线上的参数是靠巡线人员步行或骑自行车到 就地抄表和记录，只是运行工作人员根据规定参数和工作经验进行手动操作，机 械劳动强度大，已逐步淘汰。 ( 2 ) 继电器触点控制系统 随着我国国民经济和工农业生产的发展及人民生活水平的不断提高，能源的 消耗不断增加，“热”的需求愈来愈大，为弥补热源厂提供的蒸汽不足，各地相继 建起了一些蒸汽厂、热电联产复合型电站、锅炉房等各种各样的热源厂。集中供 热得到了长足的发展。由于集中供热管网和供热机组的加大，管理、控制与监测 的矛盾显现出来。用以保证安全、经济、环保等方面的要求。多数热网只是局部 或区域实现了实时监控。虽然，这方面有所进步，但调度人员，给调度的及时性、 准确性带来很大的困难。这种控制方式与程控方式相比较，存在的主要不足是： 功能差，自动化程度低，运行操作人员劳动强度大；控制设备器件多，接点多， 接线复杂，任何一个故障点都会影响整个系统的正常运行，造成可靠性下降，维 护、维修难度大；在施工和运行期间，由于工艺要求和设备的变化，控制逻辑经 常要进行修改，继电器逻辑电路也要进行修改，周期长，修改难度大。由于继电 器逻辑电路存在众多缺点，所以大多数采用继电器逻辑控制的热电厂辅机系统， 尤其是较为重要的控制系统，往往不能正常运行，或者运行一段时间以后不得不 改为就地操作，给生产和运行带来困难。 ( 3 ) 以计算机为基础的专用工业计算机程序控制 随着市场经济和竞争机制的引进，热电厂开始采用大容量机组，使得供热( 暖) 用户成倍增加。以计算机为基础的专用工业计算机程序控制技术基本上能满足生 产需要，也是当今乃至今后研究发展的方向。现有资料表明，随着先进技术和成 型技术的开发利用，全面实施热网实时监控的有北京热力公司、牡丹江热力公司 等少数几个单位，其经济效益是其它单位所不可比的。北京热力公司1 9 9 8 年，建 成集中监控系统，可以将8 座热电厂、4 7 个热网关键点、5 个热力站的温度、压力、 2 第一章绪论 流量、补水量等参数瞬时传输至中央调度室。供热系统的控制朝着远程控制、无 人值守热力站、实现自动化控制。 总而言之，当前我国集中供熟热网监测系统的有无，对于一个供热单位来说 是有天壤之别的，也只有很好的监测与管理才能最终达到提高经济效益的目的。 1 2 2 国外供热监控技术的现状 目前，国外集中供热发展较快的国家( 如北欧诸国，特别是瑞典、冰岛等国) ， 在实时监测系统的设计、施工、安装以及设备质量、技术含量，还有设备安装环 境等方面都要比我国现有水平高。就瑞典集中供热现状从侧面了解一下先进的实 时监测系统的技术水平。在基础建设时要长远规划：在热源厂选址时，充分考虑 热源在规定范围内的热用户统计及热源分配；在敷设管道时，为通讯、数据采集 线路( 多数为光缆，少数为电话线) 预留通道；在热力站建设时，直接与城市规 划部门、电业、电信、自来水供应等部门取得联系，合理安排管网、预留接口等 工作同时进行；实时监测系统的设备选型、安装在热网投入运行之前应结束工作。 整个热网投入运行之后，应是一个完整的系统，而不搞重复调试，避免人力、财 力的浪费。 资料表明，瑞典集中供热的热损失比我国少4 0 - 6 0 。当然，这中间不排 除设备质量、安装工艺、人员素质等方面的原因。但主要还是热网运行中，热源 分配、参数调整、工况变化、调温曲线控制等方面缺乏控制造成的。如果有了实 时监测系统，就可以把热源厂和热网关键点、热力站的温度、压力、流量、补水 量等参数实时传输至中央调度室，调度人员可随时观察各点参数，了解当前和历 史的参数，实现全网的统一调配，协调工作的状态，及时调整运行工况达到最合 理的水平，这仅仅是第一步。远程控制设备更体现出热网全局控制、调整的优越 性。比如，在用户线上发生问题，中央调度室的调度人员可以通过参数变化，迅 速判断故障点，隔离管线，组织抢修部门迅速抢修，恢复生产。 国外，特别是在北欧国家，从7 0 年代能源危机以来，十分重视建筑节能工作， 并制定了有关政策、法规，以及相配套的技术措施，特别对采暖系统安设自动控 制装置，以使用户能够充分利用自由热，提高舒适度，提出了明确的要求，并且 普遍采用计量热量收费制度，取得了良好的节能效果，计量与温控技术业也已日 臻成熟。 国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统，其调节与控制技术先 进，调控手段完善，设备质量高。通常一次管网所提供的热量在热力站交换成二 次采暖热水和民用生活热水。在热力站的二次水系统中均安装有变频调速的水 泵，差压控制器，电动调节阀，气温补偿器以及回水温度限制器等设备。有了一 第一章绪论 整套成熟的供热系统运行模式。对于多层公寓式居住建筑，其室内采暖系统主要 采用垂直双管或水平双管中央供暖系统以及8 0 年代随着温控技术的发展而采用 中央分散型水平单、双管系统( 即所i 胃c i c 系统) ，不管哪种系统，每个换热器 进水管上均装有散热器恒温阀，用户可按需要，设定室内温度 3 】。通常在双管 系统的每根立管上安装一个压差调节器及自动平衡控制阀。近几年随着东欧国家 供热系统实行计量收费制度，针对单管系统改造开发恒温阀，使水平单管系统得 到迅速发展。 1 3 变频调速及p l c 在电力系统的应用 1 3 1 变频调速的技术特点及应用 变频器主要用于交流电动机( 异步电机或同步电机) 转速的调节，它将供交流 电机的工频电源经过二极管整流变成直流，再由i c g t 或g t r 模块等器件逆变成 频率可调的交流电元，以此电源拖动电动机在变速状态下运行，并自动适应变负 荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行 方式。由于变频调速器具有以下优势1 4 j ： 1 ) 调速的机械特性，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑， 可以实现连续平滑的调速。 2 ) 体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而备受人们 的青睐，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案。 3 ) 除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，尤其当他 应用于水泵等大容量负载时，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置， 具有液力耦合器等其他节电装置所无法比拟的优势。 自通用变频器问世以来，变频器【5 j 作为节能应用与速度工艺控制中越来越重 要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。在电力、纺织与化纤、建材、 石油、化工、冶金、市政、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程( 中央空 调、供水、水处理、电梯等) 中，变频器都在发挥着重要作用。尤其是在产能大 户同时也是耗能大户的电力行业，随着国家电改方案对电厂的成本控制提出了更 高的要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器成为电力行业节电措施 的首选，尤其是高压变频器和大功率变频器。中国工控网的市场研究报告显示， 仅电力行业，2 0 0 3 年的变频器市场规模就达到了2 5 亿元。现代变频技术应用于 电力水泵供水系统，较传统的运行方式可节电4 0 - 6 0 ，节水1 5 0 o , - 3 0 。变频 器在为企业创造一定经济效益的同时，以其与现代控制技术的良好兼容性，使得 4 第一章绪论 控制更加方便、快捷，简化操作并容易实现。 1 3 2 可编程控制器的特点及应用 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 即可编程控制器，是指以计算机技术为 基础的新型工业控制装置。在19 8 7 年国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a l c o m m i t t e e ) 颁布的p l c 标准草案中对p l c 做了如下定义： p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它 采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、 计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各 种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系 统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。f 6 】 第一台p l c 是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制的。限于当时的元器 件条件及计算机发展水平，早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电路组 成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。7 0 年代计算机技术已全面引 入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可 靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、p i d ( 比例积分微分，英文全称为p r o p o r t i o n i n t e g r a t i o nd i f f e r e n t i a t i o n ，它是一个数学物理术语) 。功能及极高的性价比奠定了 它在现代工业中的地位。8 0 年代可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、 高性能、产品系列化。可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。 从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞 生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制 场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可 编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。 p l c 是集计算机技术、自动控制技术和通信技术于一身的高新技术产品，因 其具有功能完备、可靠性高、使用方便等优点，已成为工业及各相关领域中发展 最快、应用最广的控制装置【7 】。传统的继电器控制系统将逐渐为p l c 技术所取代。 应用p l c 较好地解决了工业领域中普遍关心的方便、安全、可靠、灵活、抗干扰 能力强等问题。 可编程控制器p l c 的特点1 8 】： 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技 术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的 可靠性。例如三菱公司生产的f 系列p l c 平均无故障时间高达3 0 万小时。些 使用冗余c p u 的p l c 的平均无故障工作时间则更长。从p l c 的机外电路来说， 第一章绪论 使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关 接点已减少到数百甚至数干分之一，故障也就大大降低。此外，p l c 带有硬件故 障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可 以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除p l c 以外的电路及设备也获得 故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 配套齐全，功能完善，适用性强 p l c 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于 各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代p l c 大多具有完善的 数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来p l c 的功能单元大量涌现， 使p l c 渗透到了位置控制、温度控制、c n c 等各种工业控制中。加上p l c 通信 能力的增强及人机界面技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 ( 3 ) 易学易用，深受工程技术人员欢迎 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程 语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路 图相当接近，只用p l c 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电 路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事 工业控制打开了方便之门。 ( 4 ) 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设 计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经 过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 ( 5 ) 体积小，重量轻，能耗低 以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺寸小于1 0 0 m m ，重量小于1 5 0 9 ，功 耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 p l c 的应用领域 目前国内外已将p l c 广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械 制造、汽车、轻纺等各个行业。由于p l c 强大的功能和优点，使得p l c 在我国 供热系统工业自动化中也得到广泛的应用。p l c 在供热工业自动化中的应用主要 有热网的监控系统、自动控制系统、水泵变频调速、热网的信息管理系统等。其 主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程的控制、信息处理、设备运行状态检 测等。 6 第章绪论 1 4 本文研究内容 本论文研究的主要内容是： ( 1 ) 对电厂供热系统进行研究，通过p l c 技术的应用，以实现对龙凤热电 厂供热系统控制的自动化。 ( 2 ) 通过研究供热系统中水泵的运行工况，针对水泵电机的实际工况，设 计合理的调速方案，实现电机节电，电厂节能。 ( 3 ) 针对龙风热电厂热网运行的实际，根据温度曲线设计温度自动调节控 制装置，实现热网温度自动调节。 ( 4 ) 对热网外网监控系统进行完善，实现外网运行状态参数的集中监控， 指导整个热网的运行调整。 ( 5 ) 开发基于b s 模式热网计量在线监测系统，将热网运行状态信息资源 的最大整合与再利用，加速信息的即时交流和共享，提高管理层对热网运行状况、 实时运行成本的掌控能力。 结合以上各项结果进行优化设计，给出优化设计方案，按优化设计结果对电 厂热网进行智能控制改造，并测试和计算出改造后的经济效益。 第二章常规数字p i d 控制算法研究 第二章常规数字p i d 控制算法研究 经典自动控制技术在工业生产的各个领域中己经获得广泛应用，但由于被控 对象数学模型的不确定性及控制精度要求越来越严格，传统的控制技术难以解决 此问题- t t 9 1 。计算机的发明及应用是科学史上的里程碑，现在计算机己广泛应用 在许多行业中，在自控控制领域中，计算机技术的采用使得自动控制技术发展更 是如虎添翼。由于计算机的强大处理功能和程序调整的灵活性是传统的模拟控制 器所不能比拟的。所以现在应用计算机技术不但推出了许多新型的控制器和控制 设备，而且许许多多的传统控制器纷纷改造成计算机控制器，p i d 控制器是控制 系统中应用最广泛的一种控制器，在工业过程控制中得到了普遍的应用【l o 】。过去 的p i d 控制器通过硬件模拟实现，但随着微型计算机的出现，特别是现代嵌入式 微处理器的大量应用，原先p i d 控制器中由硬件实现的功能都可以用软件来代替 实现，从而形成了数值p i d 算法，实现了由模拟p i d 控制器到数字p i d 控制器的转 变。 将模拟p i d 控制规律进行适当的变换后，用计算机软件实现p i d 控制和校正， 就是数字p i d 控制。常规数字p i d 控制算法通常又分为位置式p i d 控制算法和增量 式p i d 控制算法【l 。其调节过程是：首先采样过程参数，并通过模拟量输入通道 变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果由 模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制，以达到给定值。 数字计算机 图2 - 1 数字p i d 控制系统框图 在计算机控制系统中，由于计算机处理的是数字信号，p i d 控制规律必须用 数值逼近的方法实现。由数值分析理论可知，当计算机的采样周期相当短时，用 求和代替积分，差分代替微分，使p i d 离散化变为差分方程，下面首先介绍p i d 原理，之后介绍两种常用的数字p i d 控制算法：位置式p i d 控制器和增量式p i d 控制器。 第二章常规数字p i d 控制算法研究 2 1p i d 控制原理 2 1 1p i d 控制器的结构及原理 p i d 控制器是一种基于偏差“过去、现在和未来”信息估计的有效而简单的 控制算法。常规p i d 控制系统原理图如图2 2 所示： 图2 - 2p i d 控制系统原理图 整个系统主要由p i d 控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，p i d 控 制器，根据给定值s v 和实际输出值p v 构成控制偏差，即 p g ) = ，- o ) 一y ( t ) ( 2 1 ) 然后对偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行 控制。由图2 2 得到p i d 控制器的理想算法为 俐瑙p + 毒+ 乃掣i ( 2 - 2 ) 或者写成常见传递函数的形式为 厂1、 u g ) 2 巧l1 + 素+ 乃s 眇) ( 2 - 3 ) 其中，k ，、l 、乃分别为p i d 控制器的比例增益、积分时间常数和微分时 间常数。 式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 是在各种文献中最经常看到的p i d 控制器的两种表达形式， 各种控制作用( 即比例作用、积分作用和微分作用) 的实现在表达式中表述的很清 楚，相应的控制器参数包括比例增益k p 、积分时间常数z 和微分时间常数乃。 这三个参数的取值优劣将影响到p i d 控制系统的控制效果好坏，以下将介绍 这三个参数对控制性能的影响。 2 1 2 控制器参数对控制性能的影响 ( 1 ) 比例作用对控制性能的影响 9 第二章常规数字p i d 控制算法研究 比例增益k p 的引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现 了偏差，比例调节作用立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。 当比例增益k p 大的时候，p i d 控制器可以加快调节，但是过大的比例增益会使 调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚 至可能造成系统不稳定。 ( 2 ) 积分作用对控制性能的影响 积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实 现对设定值的无静差跟踪。 假设系统已经处于闭环稳定状态，此时的系统输出和误差量保持为常值砜 和厶则由式( 2 2 ) 可知，只有当且仅当动态误差e ( f ) = o 时，控制器的输出才为常 数。 因此，从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直 至无差，积分作用就停止，此时积分调节输出为一常值。积分作用的强弱取决于 积分时间常数z 的大小，正越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用 的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。实际中，积分作用常与另外两种调 节规律结合，组成p i 控制器或者p 1 d 控制器。 ( 3 ) 微分作用对控制性能的影响 微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用 能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。 直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就已经消除偏差。因此，微分作 用可以改善系统的动态性能。 微分作用的强弱取决于微分时间乃的大小，乃越大，微分作用越强，反之 则越弱。在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。 从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大 作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。所以我们不能过强地增加微 分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。此外，微分作用反映的是变 化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。 对于一个控制系统按其系统形式划分，可分为闭环控制系统和开环控制系 统。如图2 3 所示闭环控制系统，该系统通过测量元件对被控对象的控制参数进 行测量，由变换发送单元将被测参数变换成一定形式的电信号，反馈给控制器。 控制器将反馈回来的信号与给定信号进行比较，如有误差，控制器就产生控制信 号驱动执行机构工作，使被控参数的值与给定值保持一致。 1 0 第二章常规数字p i d 控制算法研究 图2 - 3 闭环控制系统框图 开环控制系统如图2 4 所示，它不需要被控对象的反馈信号，它的控制器直 接根据给定信号去控制被控对象工作。这种系统不能自动消除被控参数偏离给定 值所带来的误差。控制系统中产生的误差全部反映在被控参数上。 2 2 位置式p i d 控制算法 图2 - 4 开环控制系统框图 计算机控制实际上是采样控制，它根据采样时刻的偏差值计算控制量。所以 式( 2 2 ) 中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。其具体做法是： 以? 作为采样周期，k 作为采样序号，则离散化的采样时间k t 对应连续时间t ； 用求和的形式代替积分；用增量的形式代替微分，可做如下的近似变换： t 灯k = 0 , 1 ，2 ) m 丁kp o 丁) ：r kp ， ( 2 - 4 ) 趔! 婴二塾二! 豳盖鱼 d ttt 将式( 2 4 ) 代入式( 2 - 2 ) 中，则得到离散的p i d 控制器表达式为： “。= k p p k + 号砉勺+ 争g k 一一。，i + “。 c 2 - 5 ， 或 式中： ( 2 - 6 ) + 、l ，一k p kd k+ 巳 省脚 k+ p k = k “ 第二章常规数字p l d 控制算法研究 k 采样序列号，k = 0 ，1 ，2 ，； u 茁第k 次采样时刻的计算机输出值； e k第k 次采样时刻的输入偏差值； e 纠第k 1 次采样时刻的输入偏差值； k 。积分系数，k ，= k p 等 k d 微分系数 u 。开始进行p i d 控制时计算机的输出值 由z 变换的性质 z e ( k 一1 ) 】= z - e ( z ) z r 驴k 肛篙，= u、1 - ， 式( 2 6 ) 的z 变换式为 u 足= k p e x + k f 等+ k 脚_ z - l e ( 剀讽 ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 4 ) 可得数字p i d 控制器的结构图 图2 - 5 数字p i d 控制器的结构图 由于计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行机构材( | ) 的值和执行机构的装置是 一一对应的，所以通式( 2 5 ) 或式( 2 6 ) 为位置p i d 控制算法。图2 - 6 给出了 位置式p i d 控制系统的示意图。 图2 - 6 位置式p i d 控制系统 因此，如果采样周期足够小的话，那么由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 得到的近似结果可 获得足够的精确度，此时离散的和连续的p i d 控制过程将十分接近。由于式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 的控制算法是直接按式( 2 2 ) 给出的p i d 控制规律进行计算的，所以它给 第二章常规数字p i d 控制算法研究 出了全部控制量的大小，因此被称为位置式或全量式p i d 控制算法。 由于位置式p i d 控制器每次输出全部控制量，因此它可以直接作用于阀门等 执行机构。但是这样的话，就会产生明显的问题这种算法的缺点是，由于全量输 出，每次输出均与过去的状态有关，计算时要对( j j ) 进行累加，计算机运算工作 量大。而且，因为计算机输出的( 七) 对应的是执行机构的实际位置，如果计算机 出现故障，“( 后) 的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况在 实际的生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产 生了增量式p i d 控制的控制算法。 2 3 增量式p i d 控制算法 增量式p i d 控制器是指控制器每次输出的只是控制量的增量，当执行机构， 例如步进电机，需要的是增量而不是位置量的绝对数值时，就可以使用增量式 p i d 控制器进行控制。由式( 2 6 ) 根据递推原理可得： 甜置- l = 巧一l + 髟e j + 如k l 一- 2 ) + “o ( 2 8 ) ) - - o 用式( 2 3 ) 减去式( 2 5 ) 可得： a u 胃= k 。( e k e x 1 ) + k j e g + k o ( e 足一2 e x l e x 一2 ) = k p a e 置+ k ，e 鼻+ k d 0 k 置一a e 置一1 ) ( 2 - 9 ) 式中：a e k = e t c 一- 1 式( 2 9 ) 称为增量式p i d 控制器算法。图2 7 给出了增量式p i d 控制系统示意 图。 咄) 4 - 图2 - 7 增量式p i d 控制系统 将该式整理、合并得到： a u k = a e r + b e x l + c 一2 式中： ( 2 1 0 ) 第二章常规数字p i d 控制算法研究 4 咆吲，一坼( ，+ 等) ，c = k 尸等 它们都是与采样周期、比例增益、积分时间常数和微分时间常数有关的常系 数。增量式p i d 控制与位置式p i d 控制器实质上是一样的，但是增量式p i d 控 制器比位置式p i d 控制器有许多优越之处： ( a ) 血k 只与k ，k 1 ，k 2 时刻的偏差有关，故节省内存和运算时间。 ( b ) 每次只做血r 计算，则计算误差影响小。 ( c ) 由于每次只输出增量幽r ，因此误差小，并便于实现无扰动切换。 数字式p i d 控制的算法实现应用中，位置式p i d 控制器和增量式p i d 控制 器的算法实现分别如图2 - 8 和图2 - 9 所示： 开始 i 设置初始参数 k p ，t i ，t d ，t l 采入r ( k ) ，y ( k ) l 计算偏差e ( k ) l 砩e a i k j z e 0 ) + a a l k d ( e ( k ) - e ( k - 1 ) 卜a i i e ( k ) e ( k 1 ) l 输出a ，即u ( k ) i i 返回i 图2 - 8 位置式p i d 控制算法程序框图图2 - 9 增量式p i d 控制算法程序框图 1 4 第三章电厂供热系统的p l c 设计 第三章电厂供热系统的p l c 设计 3 1 可编程控制器概述 3 1 1 可编程控制器的现状 可编程序控制器【1 2 】是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化控制技 术而开发的新一代工业控制器产品，广泛应用于各种生产机械的过程控制中，被 认为是构成机电一体化产品的重要装置。p l c 是从早期的继电器控制逻辑技术结 合计算机控制技术发展出来的产品。因此，初期的p l c 产品基本上只是替代控制 装置中的中间逻辑继电器及一些定时器、计数器的功能。表现在p l c 的编程语言 上，对每一个控制点则称之为继电器，并用工程技术人员所熟悉的梯形图作为首 选语言来描述控制逻辑。近年来，随着计算机技术的迅速发展，用户对p l c 的控 制功能要求不断提高，p l c 也得到了很快的发展。特别是进入9 0 年代以来，p l c 机的性能价格比大幅度地提高，尤其是p l c 机较过去的继电器回路，其硬件配置 灵活，组态方便，控制系统简单明了，接线简单、可靠，便于查找故障点，所以 p l c 机已经成为新一代工业控制机的首选装型乃j 。 近十几年来，国外p l c 技术取得了飞跃，其容量成倍扩大、体积不断缩小、 功能不断增强，不但具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，还具有p i d 等特 殊控制功能，可直接进行a d 、d a 转换，还开发管控一体化。使操作、使用和 项目开发变得简单、方便。 3 1 2 可编程控制器的基本结构及工作原理 可编程控制器的基本结构 目前国际上生产可编程控制器的厂家很多主要有美国欧洲和日本三个派别 虽然各自的产品，并不能相互兼容，但他们采用的技术总体而言都是大同小异， 它一般只要由中央处理单元c p u ，存储器，输入输出接口，电源，i o 扩展接口， 外部设备接口，编程器等部分构成。如果把p l c 本身看作一个系统外部的各种开 关信号，模拟信号，传感器信号均作为p l c 的输入变量，它们经p l c 的输入接口 输入到内部数据寄存器上，然后在p l c 内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出 变量的形式送到输出接口，从而驱动输出设备进行各种控制【l 引。 第三章e g f - 供热系统的p l c 设计 手动开关 l 受俊开关 光电侍鹰 接近开关 绸i i j a 毒 觳字井关 电源 输 入 接 口 及 模 块 电羽e 输 出 接 口 及 懔 块 电器、罄 嚣 磁朗 频嚣输入端 码显示蠢 示灯 鸣器 电源i - - - 铺盒打 e p l c g h 圜 p l c 程式 印 写 形戒 毒磁机 入 监 上 带 墨 控位 机 系计 统算 机 图3 1p l c 的基本结构 可编程控制器的这些特点决定了它比较容易与工业控制系统组成一个整体， 在工业生产中可以应付大部分意外情况的发生。机型系列化的特点使得用户可以 根据自己的需要进行选择，而且对可编程控制器功能的扩充也非常容易方便。因 而，可编程控制器在工控领域得到了极为广泛的应用。 p l c 的工作原理 图3 - 2p l c 扫描程序图 1 6 第三章电厂供热系统的p l c 设计 p l c 有两种工作状态，即运行( r u n ) 状态和停止( s t o p ) 状态。 在运行状态，p l c 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了 使p l c 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次， 而是反复不断地重复执行【1 5 】，直至i j p l c 停机或切换到s t o p 工作状态。 除了执行用户程序外，每次循环过程中，p l c 还要完成内部处理、通信处理 等工作，一次循环可分为6 个阶段，如图3 - 2 所示。 3 2 电厂热网控制对象分析 3 2 1 供热系统组成 龙风热电厂热网集中供热系统主要担负着大庆市龙凤地区居民采暖供热任 务，由5 台套管加热器( 根据室外温度和采暖面积，确定投入台数，近几年最多 运行3 台) ，热网系统配备了6 台热网线路水泵，两台热网补水泵，整个系统主 网由两条供热母管和两条回水母管( 直径分别是：0 8 2 0 m m 和0 1 0 2 0 m m ) 以及1 8 个供回水分配联箱构成，设计供热能力3 5 0 万平方米，现实际供热面积1 4 2 万平 米左右。 3 2 2 龙凤热电厂供热系统流程 图3 3 供热系统流程简图 1 7 水 第三章电厂供热系统的p l c 设计