1 引 言
目前，我國對大型鍋爐的給水與蒸汽質量指标要求十分嚴格 ，因而需要對爐水品質連續監控 。測量pH值大多採用傳統的PID控制算法，但在反應過程中，因其中和點附近的高增益使得難以調整傳統PID控制器參數 。因此隻能採用很小的比例增益，否則系統不穩定 ，而比例增益過小，又将使系統的動态特性變壞 。對於鍋爐給水加藥測控裝置，已經實現瞭加藥系統的自動化，但無自動配藥設備 ，仍需根據汽水實驗室的化驗結果人工配藥，這樣不僅工作強度大，而且所加的氨、聯胺均屬有劇毒易揮發物質，會給操作者造成嚴重危害，並導緻環境污染 。爲此，提出變增益三區段非線性PID和積分模糊控制（IFC）算法的兩種新型pH值控制法。通過對帶有時滞的pH值中和過程進行數字仿真，結果表明，這兩種控制算法均具有魯棒性強，響應速度快和控制精度高的特點，尤其是IFC算法能克服pH值中和過程中的較大時滞。通過在某電廠的實際應用 ，已實現瞭鍋爐給水配藥、加藥系統的全自動控制。
2 pH值控制方法的研究
2.1 常規PID控制
PID控制是按偏差的比例（P—Proportional）、積分（I—Integral）和微分（D—Derivative）線性組合的控制方式。圖1爲常規的PID控制系統。其中，r爲參考輸入信号；PID爲控制器；P爲被控對象模型；d爲幹擾量；e（k）爲系統誤差；u（k）爲控制量；pH（k）爲被控過程輸出量。由圖可見，常規PID控制中的比例作用實際上是一種線性放大或縮小作用，很難适應酸堿中和過程中被控對象非線性的特點。
圖1 典型pH值控制系統
2.2 變增益三區段非線性PID控制
将pH值變化按拐點分爲：一個高增益區和兩個增益系數不同的低增益區 。高增益區控制器採用較低增益;低增益區控制器採用不同的高增益，以滿足系統期望的性能指标。此外爲防止積分飽和 ，採用帶死區和輸出限幅的PID控制算法。
2.3 模糊控制
模糊控制算法概括爲：根據本次採樣得到的系統輸出值，計算出輸入變量；将輸入變量的準確量變爲模糊量；根據輸入變量（模糊量）及模糊控制規則，按模糊推理合成規則計算控制量（模糊量）；由上述得到的控制量（模糊量）計算準確的控制量 。
3 電廠鍋爐給水加藥控制系統
某發電廠共有4台300MW的發電機組，分爲兩個單元 ，一單元爲1#、2#機組，二單元爲3#和4#機組 。每個單元加藥計量泵包括鍋爐補給水（生水經各種水處理方式淨化後，用於補充火力發電廠的汽水損失）和爐水兩種用水 。現以二單元爲例，加藥系統採用兩用一備共3台加藥計量泵，即3#和4#機組各用l台加藥計量泵 ，當其中1台出現故障時切換到備用泵。在該系統中通過檢測pH值來控制爐水中磷酸鹽的加入量，pH值要求控制在914～9.78，當其中1台機組的pH值低於9.4時，啓動相應機組的加藥泵 。此時，磷酸鹽加藥箱内的磷酸鹽溶液經過管道（管道上的閥門都爲手動閥 ，正常時爲打開狀态）被泵入相應機組的除氧器出水管加藥點。若3#機組的加藥計量泵出現故障 ，則打開備用泵與其相連管道上的閥門，備用泵接替3#機組的加藥計量泵，爲3#機組的爐水加藥；4#機組亦然。由於爐水中加入瞭适當的磷酸鹽及氫氧化鈉，可提高爐水的緩沖性能，並有利於維持爐水pH值的穩定性，從而防止鍋爐水冷壁的結垢和腐蝕 。
該系統将爐水水樣經過減溫減壓裝置引入磷酸表及pH表探頭進行測量，經過模拟量轉換 ，再經控制系統PID運算後控制變頻器輸出，控制加藥泵轉速 ，從而實時控制爐水的加藥量，使爐水的磷酸根濃度與pH較好地保持在合格的範圍内。圖2給出其控制流程圖 。該控制分爲調節器 、執行器 、被控對象及變送器4部分。其中 ，調節器由S7-200PLC和相應控制軟件組成；執行器由變頻器 、電機和計量泵組成；被控對象爲爐水；變送器採用分析儀表，即pH表。
圖2 控制流程圖
3.1 控制流程
圖3給出3#機組的爐水加藥控制系統。該系統從在線分析儀表（磷酸根表、pH表）中提取4～20mA信号 ，根據運行工藝參數和確定的數學模型進行窗口式PID複合運算 ，中間結果送變頻器 ，控制加藥泵加藥量以實現加藥的自動閉環調節 。
圖3 3#機組爐水加藥控制系統
3.2 控制系統組成
該控制系統選用上位機軟件WinCC+西門子PLC的組合方案。PLC系統通過PorfiBus總線方式與上位機WinCC連接 。如圖4所示 。其中上位監控部分由工業計算機（WinCC）來完成。監控工作人員可通過CRT實時監控系統的運行狀況.設定或修改系統的運行參數，同時通過CRT遠程軟件控制系統運行。上位工控機進行數據處理和管理，並與MIS系統等聯網。上位機可對控制器進行組态，組态範圍包括控制器的網絡地址和時間、選擇控制算法、設定算法參數 、設定控制量的設定點、選擇算法中輸入量及輸出量的通道等。下位控制部分由安裝在現場的一套可編程控制器（PLC）來完成。它是自動加藥控制系統的核心 ，用於採集相應的水質數據。由於化學加藥系統具有純滞後性質，會導緻控制作用不及時 ，引起系統産生超調或振蕩，而利用計算機可方便實現滞後補償。採用改進的數字PID控制算法和模糊控制算法，使控制器利用輸出控制信号調節現場的交流變頻器，進而控制電機的轉速，以調節加藥泵。電氣部分的控制方式設計爲遠程和本地兩種，以實現手動/半自動/自動三種功能，後兩種功能由上位機切換。
圖4 控制系統組成
4 IFC算法的濾波處理應用
控制系統中，濾波程序的基本原理是在周期内連續採樣5個數值，並求出其平均值採集當前值，並求出採集值與平均值的差值△＝Xi－X；若|△|＞0.2，則舍棄Xi，取X＝0.2作爲按實際情況設定的信号波動範圍值；若|△|≤0.2，則X1出棧，X2替換X1，X3替換X2，X4替換X3，依次遞推。用當前採樣的X6替換X5，然後用這5個新數值再求X，進行比較，如此循環執行該程序即可實現濾波功能。圖5爲採用濾波程序後，放大瞭的pH值趨勢，由此可見，濾波效果良好。圖6給出控制操作界面圖。
圖5 放大的pH值濾波效果圖
圖6 控制操作界面圖
5 結 語
實踐證明，基於PLC的化學自動加藥控制系統可靈活滿足各類化學加藥系統的在線監控。該系統投運以來，運行穩定、可靠、鍋爐及輔機設備能**實現自動調節，達到瞭預期效果，解決瞭以往手動控制難保證水質指标穩定的問題，減輕瞭運行人員的工作強度，得到一緻好評。
