1 前言
目前，人们对环境保护的意识越来越高，改变供暖的燃料品种，燃烧清洁燃料，是降低空气污染的有效措施。近几年来，我国城市燃气结构发生很大变化，陕北天然气已经进入京津，渤海天然气已经上岸，尤其西气东输工程的实施，更为燃气锅炉的应用起到了推动作用。
现在，一般燃气锅炉的设计效率均能达到90%左右，但在实际运行中，由于外界环境温度不断变化，需要的供热量也因而变化，如果不调整燃气量，往往会造成供热量不足或过量，造成能源浪费。在这样一种背景下，有必要对燃气锅炉的燃气供应进行实时调节，提高能源利用率。目前，世界各国都存在能源短缺的问题，我国能源问题更为突出，因此，如何使锅炉高效、安全运行是锅炉控制系统的重点。
2 燃气量控制原理
当需要的热量发生变化时，我们通过改变进入燃烧系统的燃气量来改变进入整个系统的能量。图1是燃气量控制系统图。
图1 燃气控制原理图
其中的关键部件包括稳压阀、比例调节阀和变频器，它们的作用分别是：稳压阀的作用是使燃气进入比例调节阀之前保证压力温定，使其不受燃气供应管道压力变化的影响；比例调节阀采集燃气和空气的压力信号，当空气压力变化时，比例调节阀中的膜片位置将发生变化，从而带动阀门关小或开大，直到达到一定的比例，它的作用是保持空气量和燃气量的比例不受两者压力变化的影响，从而调整空气燃气比，即过剩空气系数，使锅炉一直运行在最适燃烧区；变频器是调节燃气量的主要设备，由它带动风机，进入锅炉系统的空气量与风机的转速成正比，而风机的转速与变频器的输出频率成正比，因此只要改变变频器的输出频率就可以改变进入锅炉系统的空气量，从而使进入锅炉系统的能量发生变化。
3 燃气锅炉控制系统
3.1 燃气锅炉控制系统硬件部分
燃气锅炉控制系统由可编程控制器（PLC）、输入单元、输出单元和人机界面组成，组成框图如图2所示。
图2 现场工作站系统图
PLC负责接收现场数据采集单元传来的数据，控制现场的阀门、变频器、风机和水泵等执行机构。PLC是整个控制系统的核心部件，采用西门子S7-200系列可编程逻辑控制器，CPU226，带PC/PPI电缆，它的运算能力以及通讯能力比其它PLC优越，可方便地进行数据处理和通讯。
输入单元，负责采集现场的压力、温度等各项数据以及各种开关量。现场数据采集系统由温度传感器、压力传感器、煤气报警器、火焰监视器、水位传感器等组成。其中，模拟量输入/输出模块采用西门子的EM235模块，模拟量输入模块采集各种传感器送来的4~20mA信号，模拟量输出模块输出0~10V信号，控制变频器频率。压力传感器、煤气报警器、火焰监视器以及水位传感器是开关量。
执行单元由风机、水泵、变频器和电磁阀等组成。
人机界面采用西门子的TD200，使用十分方便，只要把它通过连接电缆，连接到S7-200上即可。它的用途有：显示信息；设定和修改参数；提供8个自定义功能键；提供密码保护等。
3.2 燃气锅炉控制系统程序设计
PLC程序用梯形图语言编制，这个程序按照模块化设计，包括初始化、点火、数据采集、数据处理、故障报警与故障处理、停机等程序模块，它们各自的功能是：
初始化模块用来设置初始状态参数。
点火模块用来执行锅炉点火这个特殊动作。
数据采集模块采集各个温度参数，以便作出判断。
故障报警与处理模块是比较重要的一部分，它判断系统是否正常工作，并在出现故障时发出声光报警信号并在人机界面TD200上显示。
数据处理程序模块是最主要的部分。它根据采集到的室外温度、回水温度、炉水温度和出水温度，依据一定的控制算法，控制变频器频率。在其控制算法上，我们选择模糊控制算法。
4 模糊控制算法
4.1 模糊控制算法原理
模糊控制是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，根据模糊推理和模糊判决，查询模糊控制表，解模糊，得到精确的控制量。模糊控制器设计为双输入单输出二维模糊控制器。输入量分别是温度的偏差e及偏差变化率ec,输出是变频器频率变化信号u。根据控制系统得输入输出特性，制定控制查询表，如表1：
表1 控制查询表
其简单过程为：对采集来的数据进行计算，求出e和ec，分别利用量化因子Ke和Kec量化为模糊量E和EC，由模糊判决得到模糊控制变化量U，经比例因子Ku反量化后输出精确输出变化量u。
4.2 多级模糊控制
由于偏差e、偏差变化率ec的论域E和EC只有9级，覆盖域有限，控制显得很粗糙，升温速度较慢，需长时间才能进入稳态，且稳态误差大，虽然增加论域中的元素可提高控制精度，但使计算复杂，且控制效果没有明显增强。为了进一步提高控制质量，减少稳态误差，采用了多级模糊控制器，即参数因子自修正的模糊控制。多级模糊控制器是将e和ec的变动范围分为嵌套的多个层次，各层具有不同论域。当系统轨迹进入某一层时，控制器就采用所在层的范围作为新的论域，并修改偏差e、偏差变化率ec和控制变化量u的量化因子Ke、Kec和比例因子Ku。简要控制过程参见图3。
图3 模糊算法简要流程图
当偏差e的论域由大到小变化时，相应增大量化因子，减小比例因子，使其在接近控制目标值时，不断细分，从而提高控制精度。
5 结论
在实际应用中，供暖用热水锅炉采用变频和模糊控制技术的主要优点有：提高能源利用率，保证系统能够高效运行；出水温度稳定，提高舒适度；升温速度快。实践证明该系统运行稳定，安全，可靠，节能。
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