劉 勇，虎恩典，雷 婷

LIU Yong1, HU En-dian1, LEI Ting2

（1.北方民族大學 電氣信息工程學院，銀川 750021；2.寧夏大學 機械工程學院，銀川 750021）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展，對工業(yè)生產(chǎn)的智能化、分布式控制、集中式管理以及可靠性等要求不斷的提高，DSC系統(tǒng)得到了廣泛的應用，尤其是電力、石化、石油等行業(yè)。DCS系統(tǒng)是集散型控制系統(tǒng)，也稱分布式控制系統(tǒng)，它主要以4C技術(shù)為基礎，即計算機-Computer、控制-Control、通信-Communication、CRT顯示技術(shù)。它將現(xiàn)場控制站、控制中心的操作員站及工程師站等通過網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的分散控制和集中操作管理。該系統(tǒng)優(yōu)化了能源利用，提高了自動化程度及安全性與可靠性，提高勞動生產(chǎn)效率。因此，寧夏某4×300MW電廠對#4機組鍋爐控制系統(tǒng)進行升級改造時采用了該系統(tǒng)，選用北京和利時MACS控制系統(tǒng)。

發(fā)電廠主要有三大系統(tǒng)，即燃燒系統(tǒng)、汽水循環(huán)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)[1]。在汽水循環(huán)系統(tǒng)中，過熱器是將飽和蒸汽加熱成具有一定溫度的過熱蒸汽，來提高蒸汽的焓值，以提高電廠熱力循環(huán)效率。過熱蒸汽溫度是整個汽水循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)的最高溫度，若溫度過高，容易燒壞過熱器，也會引起汽輪機高壓部分過熱；而溫度過低，則會影響全廠熱效率（一般溫度降低5℃～10℃，熱效率降低約1%[2]），引起汽輪機末級蒸汽濕度增加，甚至帶水，嚴重影響汽輪機安全運行。因此，在鍋爐運行中，必須嚴格控制過熱蒸汽溫度在給定值（該機組溫度540℃）附近，一般要求溫度的偏差不超過±5℃～±10℃，因此，對過熱蒸汽溫度的控制是非常重要的。

1 MACS控制系統(tǒng)及過熱器結(jié)構(gòu)

1.1 MACS控制系統(tǒng)簡介

和利時MACS控制系統(tǒng)是利用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的控制網(wǎng)絡，將各工程師站、操作員站、現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)服務器連接而成的綜合自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)測控制層和現(xiàn)場控制層組成，監(jiān)測控制層由工程師站、操作員站、通訊控制站、監(jiān)控網(wǎng)絡等組成，該層主要對相關參數(shù)進行監(jiān)測，將操作指令下傳到下層及實現(xiàn)工程設計等功能，現(xiàn)場控制層由主控單元和I/O單元等組成，這一層將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進行運算處理，輸出相應的控制指令到執(zhí)行器，并將需要的數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測控制層，接收上層來的指令。系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，各單元均采用冗余配置。

應用系統(tǒng)的開發(fā)需要通過工程師站組態(tài)軟件產(chǎn)生，該電廠選用和利時最新的開發(fā)應用平臺MACS V6.5.1，工程師組態(tài)軟件包括組態(tài)管理、其他組件和工具三部分，組態(tài)管理是工程師站的主要工具，由工程總控、圖形編輯器和Auto Think三個軟件組成，工程總控用來部署和管理整個系統(tǒng)，它集成了工程管理、數(shù)據(jù)庫編輯、用戶組態(tài)、報表和節(jié)點組態(tài)、編譯下裝等功能，工程管理器是面對域的，即一個工程對應著一個域。圖形編輯器生成在線操作的流程圖和界面模板。Auto Think是控制器算法組態(tài)軟件，它集成控制器算法的編輯、管理、仿真、在線調(diào)試以及硬件配置等功能，該軟件代替了集成的第三方軟件[5]，極大提高了系統(tǒng)軟件間的配合性和穩(wěn)定性。整個工程建立的流程如圖2所示。4#機組共設立1個工程師站，8個操作員站，組建了31個現(xiàn)場控制站，共有18636個點。

圖2 組態(tài)流程

1.2 過熱器結(jié)構(gòu)

鍋爐的過熱器一般采用低溫、屛式和高溫過熱器，或?qū)@三種過熱器進行交替串聯(lián)布置的結(jié)構(gòu)[6]，該300MW機組采用組合式過熱器，即低溫、屛式和高溫過熱器依次排布，屛式和高溫過熱器均為A、B兩側(cè)對稱分布，屛式過熱器位于爐膛頂部，以輻射熱為主，高溫過熱器位于爐膛出口水平煙道，以對流換熱為主，隨鍋爐負荷增加時出口蒸汽溫度上升。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)過熱器管道變長，主汽溫度的滯后和慣性大大增加，為了提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，因此采用分段控制[7]，即在屏式過熱器和高溫過熱器入口分別安裝一、二級噴水減溫器，通過兩級噴水減溫調(diào)節(jié)，減小蒸汽溫度的延遲和慣性，防止溫度的急劇變化，確保機組安全可靠的運行。一級減溫控制屛式過熱器出口溫度，二級減溫控制高溫過熱器出口溫度，即主汽溫度。

圖3 過熱器結(jié)構(gòu)

2 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)分析及硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)分析

由工藝結(jié)構(gòu)可知，每級A、B側(cè)都是一個獨立的控制單元，第一級減溫是實現(xiàn)主蒸汽溫度的粗略控制，二級減溫實現(xiàn)主蒸汽溫度的精確控制。每一個單元采用的控制策略也是相同的，在此主要以二級減溫A側(cè)進行說明。在設計控制系統(tǒng)時，選擇延遲和慣性都小于過熱器出口溫度T2的減溫器出口處蒸汽溫度T1作為輔助被調(diào)量，稱為導前溫度信號，來提前反應調(diào)節(jié)效果，過熱器出口溫度T2作為主調(diào)量。先前的系統(tǒng)采用導前微分控制策略[11]，即引入減溫器出口蒸汽溫度的微分信號，作為調(diào)節(jié)器的前饋，該信號與主蒸汽溫度變化趨勢一致，過熱器出口溫度作為調(diào)節(jié)器的反饋信號，其控制框圖如圖4所示。GR(s)為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，GD(s)為微分器傳遞函數(shù)，KZ為執(zhí)行器放大系數(shù)，KZ為噴水閥放大系數(shù)，G1(s)為導前區(qū)傳遞函數(shù)，G2(s)為惰性區(qū)傳遞函數(shù)。

圖4 導前微分控制框圖

實踐表明，該控制策略溫度能夠控制在540℃±10℃范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)的質(zhì)量還有待于進一步提高。對圖4進行串級分析，得到等效的控制框圖[9]如圖5所示，從等效框圖可知，它相當于一個串級控制，設微分器和調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為，，進行串級等效后，主調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：，副調(diào)節(jié)器等效：，由此可知，主副調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)，而實際的串級控制，為了提高副回路的快速性和加強校正作用，副回路采用P調(diào)節(jié)器或PD調(diào)節(jié)器，主回路采用PI調(diào)節(jié)器，所以導前微分控制系統(tǒng)的跟蹤性和校正作用不強。

圖5 導前微分控制等效框圖

系統(tǒng)延遲和慣性較大且外擾頻繁，要求實現(xiàn)較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量，因此選擇串級控制系統(tǒng)，控制目標是將溫度控制在±5℃內(nèi)，串級控制系統(tǒng)有兩個調(diào)節(jié)器，減溫器出口溫度作為副回路的反饋量，主調(diào)節(jié)器的輸出為副調(diào)節(jié)器的給定值，過熱器出口溫度作為主回路的反饋量，控制框圖如圖6所示。副調(diào)節(jié)回路采用P或PD調(diào)節(jié)器，相當于一個隨動系統(tǒng)，當減溫器出口溫度、噴水壓力、蒸汽壓力發(fā)生改變或其它擾動引起減溫器出口溫度波動時，副調(diào)節(jié)器就能及時動作來調(diào)節(jié)噴水閥，維持過熱器入口溫度的穩(wěn)定，當擾動發(fā)生在副回路之外，引起過熱器出口溫度偏離給定值時，主調(diào)節(jié)器輸出校正信號，通過副調(diào)節(jié)器回路去改變減溫水流量，使過熱蒸汽溫度恢復到給定值。

圖6 串級控制框圖

經(jīng)過長時間現(xiàn)場試驗得到相關對象的傳遞函數(shù)如下所示：導前區(qū)傳遞函數(shù)：

惰性區(qū)傳遞函數(shù)：

根據(jù)上述兩種控制策略在MATLAB中建立仿真模型如圖7所示，圖中上半部分為串級控制，下半部分為導前微分控制。

串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器采用PI控制，副調(diào)節(jié)器采用PD控制，經(jīng)過參數(shù)整定，主調(diào)節(jié)器中，KP1=1.5，TI1=0.01，副調(diào)節(jié)器中，KP2=1.2，TI2=2；導前微分系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器KP=2.5，TI=0.2，微分器TD=5，在Simulink中仿真得響應曲線如圖8所示，其中圖8(a)為在蒸汽流量擾動作用下的響應曲線，圖8(b)為在煙氣流量擾動下的響應曲線。

圖7 參數(shù)整定后控制系統(tǒng)仿真模型

圖8 系統(tǒng)響應曲線圖

由響應曲線可知，串級控制系統(tǒng)的超調(diào)量明顯小于導前微分控制，調(diào)整時間明顯比導前微分控制要快，抗擾動性也優(yōu)于導前微分控制。由此而得，采用串級控制策略的控制品質(zhì)要優(yōu)于導前微分。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設計

二級減溫A測溫度控制系統(tǒng)屬于10號控制站，系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示，主控DPU選用SM203（虛線框內(nèi)），主要完成對AO卡件的數(shù)據(jù)采集和運算并將控制量送到DO卡件，并和上位機之間進行實時通信。SM203主要配置為：采用嵌入式32位處理器，主頻400MHz，主、從冗余配置，雙DP通訊收發(fā)器，系統(tǒng)雙網(wǎng)冗余，10M以太網(wǎng)雙機數(shù)據(jù)交換，支持ProfiBus-DP,通過64針連接器與基籠底板相連，DP主站采用DSP與高速UART實現(xiàn)DP通訊，DSP與PC數(shù)據(jù)交換采用雙口RAM。SM203共有三個10M以太網(wǎng)，一個用于冗余雙機交換數(shù)據(jù)，其余兩個互為冗余用來與服務器交換數(shù)據(jù)。

圖9 主控單元原理圖

從以上分析可知，需要測得二級A側(cè)噴水器出口蒸汽溫度（過熱器入口溫度）T1和過熱器出口溫度T2，這兩路溫度采用E分度Ⅰ級熱電偶，將-40℃～800℃溫度轉(zhuǎn)化為-2.25mV～61.0mV的電壓信號送入AI卡件，第一通道采集減溫器出口溫度T1，第二通道采集過熱器出口溫度T2，AI卡件選用八路熱電偶輸入模塊SM472，它可對多種熱電偶毫伏電壓信號進行線性處理，采用冗余雙通訊收發(fā)器。每路通道將采集到的熱電偶信號進行濾波等一系列處理后，進入A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過現(xiàn)場總線ProfiBus-DP上傳至主控端元（SM203），其工作原理如圖10所示，接線圖如圖11所示。

圖10 SM472原理圖

圖11 溫度采集接線圖

主控制器將AI卡件送來的被測量經(jīng)過運算輸出相應的控制量到DO卡件，DO卡件選用SM520-8CH八通道輸出模塊，每個通道都是冗余配置，接收到主控制器輸出的數(shù)字信號后經(jīng)過光電隔離器、D/A轉(zhuǎn)換器、濾波、V-I電壓電流變換器，最后得到4mA～20mA的電流信號，該信號通過64針歐式連接器，將電流信號輸出到現(xiàn)場執(zhí)行器，控制噴水調(diào)節(jié)閥開度，其中一路通道工作原理框圖如圖12所示。

圖12 SM520工作原理圖

3 過熱蒸汽溫度控制軟件設計

目前，在工業(yè)過程控制中，PID算法由于原理簡單、易于實現(xiàn)、魯棒性好、適用范圍廣等優(yōu)點[8]，被廣泛應用，本設計中也采用了PID控制策略，過熱器出口溫度作為主調(diào)的過程值，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，過熱器入口溫度作為副調(diào)節(jié)器的過程值，同時為了防止主調(diào)輸出的大幅度波動，因此對主調(diào)輸出設定了上下線限定，上下線是由輸出指令和過熱器入口溫度決定的，最終輸出的控制量經(jīng)手操器送到噴水執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥，其流程SAMA圖如圖13所示。

主副調(diào)節(jié)器均采用MACS V集成的專用PID模塊，算法采用含有實際微分環(huán)節(jié)增量型算式計算，表達式為[13]：

圖13 控制系統(tǒng)流程圖

主調(diào)節(jié)器輸出的上下線是減溫水調(diào)節(jié)指令經(jīng)過函數(shù)f3(x)、f4(x)運算后加上過熱器入口溫度形成的，其中：

x為減溫水調(diào)節(jié)閥指令。圖13中M/A為手操器，T為手操器手動或自動操作的切換開關，手操器TS為跟蹤開關，TM為強制手操開關，手操器可以實現(xiàn)三種工作方式，即自動方式、跟蹤方式和強制手動方式。

1)自動方式，當TS=0且TM=0時，手操器工作在自動方式，主副調(diào)節(jié)器正常投入。

2)跟蹤方式，當TS=1時，手操器工作在跟蹤方式，它跟蹤的是TP值，它動作的條件是來自RB指令或是MFT發(fā)報警信號，即TS=RB+MFT，手操進入跟蹤模式AV=TP=0，快速關閉噴水調(diào)節(jié)閥。

3)強制手動方式，當TM=1時，強制切手動方式，噴水閥開度由運行人員手動調(diào)節(jié)，f2(x)為溫度品質(zhì)判斷函數(shù)，f1(x)為主汽溫度誤差限副函數(shù)，該模式提高了系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，其條件為設定值與實際值偏差過大、過熱器入口溫度質(zhì)量壞、主蒸汽流量過小等，判斷邏輯如圖14所示。

圖14 強制手動邏輯條件

在實際控制系統(tǒng)中，負荷變化、蒸汽流量等因素的擾動，可能引起系統(tǒng)輸出較大的偏差，經(jīng)過積分項累積后，可能使控制量 μ（k ）＞μmax或μ（k ）＜μmin，超過執(zhí)行機構(gòu)所能決定的極限，出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會增加系統(tǒng)的調(diào)整時間和超調(diào)量，控制品質(zhì)變差，為了防止這種情況的產(chǎn)生，采用積分分離[12]的方法消除飽和效應，即設置一個誤差門限值ε，當偏差大于該門限值時，積分項不起作用，只有誤差小于門限值時，才引入積分作用，消除靜差。

本公司對4號機組改造完成后，啟機并網(wǎng)，幾個月來系統(tǒng)運行穩(wěn)定，過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)精度也得到了根本性的改善，溫度能控制在540℃±5℃范圍之內(nèi)，提高工質(zhì)的熱效應，節(jié)約能源。圖15為隨機截取的A側(cè)過熱蒸汽溫度運行趨勢圖，從圖A可知，過熱器出口溫度最小值535.358℃，最大值為542.697℃，平均值為538.364℃，由圖B可知，過熱器出口溫度最小值為538.882℃，最大值為542.309℃，對所有趨勢圖進行長時間監(jiān)測發(fā)現(xiàn)平均溫度基本都在539℃±4℃范圍之內(nèi)，運行非常平穩(wěn)。

圖15 過熱蒸汽溫度運行趨勢圖

4 結(jié)論

通過對4#機組主蒸汽溫度控制系統(tǒng)控制策略的改造，并網(wǎng)運行六個多月，從現(xiàn)場運行趨勢及數(shù)據(jù)的分析來看，一方面實現(xiàn)了溫度精確的控制，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，穩(wěn)定性與可靠性均有明顯的提高，系統(tǒng)整體的控制品質(zhì)得到了改善，另一方面提高了工質(zhì)的熱效率，提高了產(chǎn)能，降低了運行人員的勞動強度，為其他3臺機組的改造工程提供了寶貴的經(jīng)驗。

[1]馮俊凱,沈幼庭.鍋爐原理及計算（第二版）[M].北京:科學出版社,1992,53-98.

[2]王建國,孫靈芳,等.電廠熱工過程自動控制[M].北京:中國電力出版社,2009,96-128.

[3]Tommy Moelbak.Advanced control of superheater steam temperature-an evaluation based on practical application Control Engineering Practice,1999,1(1):1-10.

[4]潘笑,潘維加.熱工自動控制系統(tǒng)[B].北京:中國電力出版社,2011,158-165.

[5]和利時MACS V6.5.1軟件使用手冊[Z].5-15.

[6]葉江明.電廠鍋爐原理及設備[M].北京:中國電力出版社,2010,146-173.

[7]李旭.過熱汽溫的動態(tài)特性與控制[J].動力工程,2007,27(2):200-202.

[8]王國玉,韓璞,王東風,等.PFC-PID串級控制在主汽溫度控制系統(tǒng)中的應用研究[J].中國電機工程學報,2002,22(12):50-55.

[9]李遵基.熱工自動控制系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,1997.

[10]Wieslaw Zima,Numerical modeling of dynamics of steamsuperheaters.Energy,2001,26:1175-1184.

[11]華電教材.第三分冊熱工自動調(diào)節(jié)理論[M].2002,201-245.

[12]賴壽宏.微型計算機控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000,95-103.

[13]羅萬金.電廠熱工過程自動調(diào)節(jié)[M].北京:中國電力出版社,2007,168-177.

[14]M.E.Flynn,M.J.O.Malley.A drum boiler model for long term power system dynamic simulation.IEEE Transactions on Power Systems,1999,14(1):209-217.

[15]和利時MACSV功能塊說明手冊[Z].10-25.