1、引　言
    隨著我國人口的不斷增加和工農業持續發展全國淡水資源日益緊張。為了節約用水,在我國石油、化工、電力、鋼鐵、冶金等企業正在逐步采用循環水冷卻系統代替了原有的直流冷卻水系統。循環冷卻水在循環的過程中,必然會帶來結垢,金屬腐蝕和微生物滋生等問題,嚴重影響了工業生產的正常運行,同時循環冷卻水的濃縮倍數也呈上升趨勢,監測換熱器很好地模擬了工業現場換熱器的運行,監測腐蝕、結垢狀態,在水質監測領域得到廣泛使用[1,2]。①

2、系統簡介
    系統采用分布式控制系統結構,由上位機和現場設備構成。系統上位機采用W inCC組態軟件開發監控界面,能夠完成實時監測和數據動態顯示、異常報警、報表制作、趨勢分析等管理任務,并配有5.7寸觸摸屏,使監測及控制更便捷。分布于現場的西門子PLC、智能監測儀表及現場傳感器,作為該監測系統的下位機,完成換熱器實時數據采集及對質量指標進行自動控制的功能。

3、系統控制要求
    本系統中的換熱器為雙腔換熱器,分為碳鋼試管和不銹鋼試管,工藝流程圖如圖1所示。本系統的監測點有碳鋼管進口溫度、碳鋼管出口溫度、碳鋼管蒸汽溫度、不銹鋼管進口溫度、不銹鋼管出口溫度、不銹鋼管蒸汽溫度、給水pH、給水電導率、補水電導率、循環水電導率、給水濁度、碳鋼管腐蝕率、不銹鋼管腐蝕率、進水流量、蒸汽壓力、電動閥開度。使用自力式壓力調節閥對蒸氣壓力進行控制。通過一路4~20mA信號,對流量閥進行控制,流量控制有自動和手動兩種模式可供選擇。
                    

4、系統硬件設計
    4.1　硬件配置
    PLC部分包括中央處理器CPU 224 XP,模擬量輸入模塊采用EM231、EM231RTD模塊,模擬量輸出使用CPU 224 XP自帶的一路模擬量輸出。腐蝕監測設備為FSY-3型腐蝕在線檢測儀。采用美國米特羅公司生產的流量計、pH計、電導率檢測儀表。濁度儀為美國哈希濁度儀。
    4.2　系統結構與工作原理
    現場各儀表測量各個檢測、輸出點的信號(4~20mA),送到PLC的模擬量輸入模塊。PLC接受來自儀表的信號并按儀表的量程和儀表的修正系數的不同,經梯形圖程序轉換計算后送到上位機,W inCC軟件顯示與處理,同時可按照操作員設置的控制方式來控制現場的流量泵和電磁閥進行補水、排污等工作。
    通過Modbus協議與W inCC組態軟件進行實時通訊,主要用于監測進口溫度、出口溫度、蒸汽溫度、污垢熱阻、沉積速率、垢層厚度等。監控系統結構圖如圖2所示。
                 
5、系統軟件設計
    5.1　上位機監控軟件開發
    上位機監控軟件(人機界面)的開發基于西門子公司的SIMATICW inCC組態軟件,該軟件功能強大,包括所有SCADA功能在內的客戶機/服務器系統,使用MicrosoftSQL Server 2000作為其組態數據和歸檔數據的存儲數據庫,可以使用ODBC、DAO、OLE-DB、W inCCOLE-DB和ADO方便地訪問歸檔數據,強大的標準接口,如OLE、ActiveX和OPC,可以方便地和其他應用程序交換數據[3]。
    系統監控部分,包括對各系統參數的顯示、污垢熱阻、pH、溫度等的實時曲線和歷史曲線的繪制,主要功能如下:
    (1)彈出式主菜單:包括主界面、參數顯示、流量控制、曲線顯示、設置裝置參數、打印、校時等功能選項。
    (2)流程圖及參數顯示界面:用以實時、動態地反映系統的運行狀況。
    (3)趨勢曲線:對污垢熱阻、pH、溫度等進行實時曲線和歷史曲線的繪制。
    (4)報警功能:對超過安全線的各參數進行報警、提醒故障類型、報告故障位置、進行歷史記錄。
    (5)校時功能:由于系統需不定期的記錄碳鋼試管和不銹鋼試管的污垢熱阻計算時間,實時性較高,為防止可編程控制器的內部時鐘由于誤差,或者掉電造成時間偏差,需要進行校時,按下校時按鈕后會自動將可編程控制器的內部時鐘設置為PC時鐘。
    5.2　主要功能模塊設計
    5.2.1　流量Fuzzy-PID控制器設計
    本系統中有碳鋼試管和不銹鋼試管兩個管路,兩路的流量由系統總流量經過加權分配后得到,為保證兩個管路流量的穩定,需對系統總流量進行控制,對控制精度,實時性要求比較高。由于存在氣泡及控制機構的摩擦、噪聲等干擾因素,在進行了傳統PID流量控制試驗的情況下發現超調及振蕩都較大,效果不理想,控制精度達不到要求而且有明顯滯后現象。采用模糊PID控制器進行改進,設計針對系統總流量的模糊控制器。采用二維模糊控制,流量給定值(設為4 000 L/h)與精確測量值偏差為e,偏差變化率為ec,E和EC分別為e和ec模糊化后的模糊量。控制器結構圖如圖3所示。
                   
    當系統正常運行情況下,總流量設定值SV =4 000L/h,偏差e =SV-PV,PV為流量的實際測量值。設流量的變化e的基本論域為[-60, +60],選定E的離散論域X為{-3, -2, -1,0,1,2,3},e的量化因子Ke=3/60=0.05。
    設流量的變化率ec的基本論域為[-15, +15],選定EC的離散論域Y為{-3, -2,-1,0,1,2,3},ec的量化因子Kec=3/15=0.2。設控制變化u的基本論域為[-10, +10],選定U的離散論域Z為{-4, -3, -2, -1,0,1,2,3,4},則得u的量化因子Ku=10/4=2.5。
    語言變量E、EC、U分別選取七個語言值:NB、NM、NS、O、PS、PM和PB。
    e, ec和u的隸屬函數均取三角形,其中NB、NM、NS、O、PS、PM、PB分別表示很大、較大、偏大、適中、偏小、較小、很小。控制規則選用“ifeandecthenu”[4]的形式,通過對現場控制過程和專家控制經驗得到控制規則表后,根據模糊推理法求出相應的模糊關系R,求出模糊控制查詢表。如表1所示。
    在設計好的模糊PID控制器的基礎上,將模糊PID算法在PLC中實現: (1)量化比例因子的初始值存入PLC的數據存儲區中; (2)通過流量計測量轉換為4~20mA電流信號傳送至EM231模擬量輸入模塊進行采集,同時根據流量量程(本系統中為0~5000L/h)進行量程轉換計算后輸出實際的流量值。計算時e(k) =給定值-測量值,ec(k) =
    其中給定值為4 000 L/h, t為EM231模塊轉換時間,取為0.02 s。計算后將e(k),ec(k)存入PLC存儲區中; (3)模糊化處理即通過量化因子將e(k)、ec(k)從其基本論域轉換到相應的模糊論域中; (4)查詢模糊控制查詢表; (5)精確控制量參數輸出給PLC中常規PID控制指令來對流量進行控制。
    實際效果表明系統響應速度快、超調量和振蕩幅度小、達到穩態所需的時間變短,滯后問題得到了解決。
                 
    5.2.2　模擬量信號的量程轉換
    本系統中的所有模擬量輸入均為4~20mA的標準信號,經過模擬量輸入模塊轉化的數字信號為6 400~32 000[5],轉換公式為:
    [(in1-6 400)×(Limit_h-Limit_l) /25 600]+Limit_l式中: in1———采集信號轉化后的數字信號值;Limit_h、Limit_l———量程校正上、下限值。
    5.2.3　模擬量采集數字濾波處理
    由于現場干擾源比較多,為了盡可能的減少各種噪聲干擾,本系統中的溫度、流量、電導、pH等模擬量輸入信號在由模擬量采集模塊EM231進行采集后,均進行了數字濾波處理。處理流程分兩步:(1)剔除采樣數據中的奇異值。依據誤差理論與數據處理理論,選擇羅布斯準則[6]對奇異值進行剔除,設采樣值為x服從正態分布,則采樣值的數學期望
                 
6、結束語
    利用PLC和W inCC開發的雙腔換熱器監測系統,界面友好,功能全面。根據系統對流量控制的要求,利用模糊PID控制器對流量控制進行改進,控制精度得到提高,滯后問題得到改善。目前該系統已經應用于新疆某石化企業,系統投入運行后穩定可靠,運行良好。