1 引 言
目前，我國對大型鍋爐的給水與蒸汽質量指標要求十分嚴格，因而需要對爐水品質連續監控。測量pH值大多采用傳統的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。因此只能采用很小的比例增益，否則系統不穩定，而比例增益過小，又將使系統的動態特性變壞。對于鍋爐給水加藥測控裝置，已經實現了加藥系統的自動化，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，并導致環境污染。為此，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。通過對帶有時滯的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滯。通過在某電廠的實際應用，已實現了鍋爐給水配藥、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為常規的PID控制系統。其中，r為參考輸入信號；PID為控制器；P為被控對象模型；d為干擾量；e（k）為系統誤差；u（k）為控制量；pH（k）為被控過程輸出量。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，很難適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
將pH值變化按拐點分為：一個高增益區和兩個增益系數不同的低增益區。高增益區控制器采用較低增益;低增益區控制器采用不同的高增益，以滿足系統期望的性能指標。此外為防止積分飽和，采用帶死區和輸出限幅的PID控制算法。
2.3 模糊控制
模糊控制算法概括為：根據本次采樣得到的系統輸出值，計算出輸入變量；將輸入變量的準確量變為模糊量；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臺300MW的發電機組，分為兩個單元，一單元為1#、2#機組，二單元為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凈化后，用于補充火力發電廠的汽水損失）和爐水兩種用水。現以二單元為例，加藥系統采用兩用一備共3臺加藥計量泵，即3#和4#機組各用l臺加藥計量泵，當其中1臺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臺機組的pH值低于9.4時，啟動相應機組的加藥泵。此時，磷酸鹽加藥箱內的磷酸鹽溶液經過管道（管道上的閥門都為手動閥，正常時為打開狀態）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，為3#機組的爐水加藥；4#機組亦然。由于爐水中加入了適當的磷酸鹽及氫氧化鈉，可提高爐水的緩沖性能，并有利于維持爐水pH值的穩定性，從而防止鍋爐水冷壁的結垢和腐蝕。
該系統將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，經過模擬量轉換，再經控制系統PID運算后控制變頻器輸出，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范圍內。圖2給出其控制流程圖。該控制分為調節器、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；被控對象為爐水；變送器采用分析儀表，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信號，根據運行工藝參數和確定的數學模型進行窗口式PID復合運算，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，并與MIS系統等聯網。上位機可對控制器進行組態，組態范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，用于采集相應的水質數據。由于化學加藥系統具有純滯后性質，會導致控制作用不及時，引起系統產生超調或振蕩，而利用計算機可方便實現滯后補償。采用改進的數字PID控制算法和模糊控制算法，使控制器利用輸出控制信號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為遠程和本地兩種，以實現手動/半自動/自動三種功能，后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內連續采樣5個數值，并求出其平均值采集當前值，并求出采集值與平均值的差值△＝Xi－X；若|△|＞0.2，則舍棄Xi，取X＝0.2作為按實際情況設定的信號波動范圍值；若|△|≤0.2，則X1出棧，X2替換X1，X3替換X2，X4替換X3，依次遞推。用當前采樣的X6替換X5，然后用這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為采用濾波程序后，放大了的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，基于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，達到了預期效果，解決了以往手動控制難保證水質指標穩定的問題，減輕了運行人員的工作強度，得到一致好評。