田洋碩+魏強+呂永明+田思慶

摘要： 針對火電廠鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的特點，設計了汽包水位模糊控制系統(tǒng)。同時制定了鍋爐DCS控制系統(tǒng)配置方案，設計了鍋爐水系統(tǒng)DCS組態(tài)圖，并對本設計的主要功能做了簡要的闡述。

關(guān)鍵詞：鍋爐汽包水位；模糊控制；DCS

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8324-02

鍋爐系統(tǒng)具有多輸入、多輸出，強耦合，非線性等特點，在控制上有一定的難度，所以人們從未停止對鍋爐控制的研究。在火電廠鍋爐的蒸汽運行中，通過爐膛內(nèi)燃料燃燒，將汽包內(nèi)的水加熱至沸騰并產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過過熱器形成過熱蒸汽，從而推動系統(tǒng)運行。如果控制出現(xiàn)問題，鍋爐就會產(chǎn)生危險。所以在火電廠鍋爐幾個重要控制對象中，汽包水位是一個最為關(guān)鍵的被控變量。汽包水位高過安全允許范圍的最大值，會發(fā)生過熱蒸汽將水帶入到過熱器中的現(xiàn)象，這樣傳熱效果就達不到預想的效果，甚至低溫的水會引發(fā)過熱器炸裂；汽包水位低于安全允許范圍的最小值，會使水冷壁的水循環(huán)無法按照工藝要求進行，從而出現(xiàn)鍋爐局部溫度過高發(fā)生炸裂。

本文在研究鍋爐控制對象后，在鍋爐控制系統(tǒng)中加入了現(xiàn)場總線技術(shù)，構(gòu)建了一個鍋爐DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的智能控制。該設計減少了工作人員的勞動強度，同時也能實現(xiàn)對燃料的最大利用，解決燃料燃燒造成的大氣污染，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展。

1 火電廠鍋爐的模糊PID控制系統(tǒng)

1.1 汽包水位的數(shù)學模型

鍋爐汽包水位運行系統(tǒng)，如圖 1 所示。

1.2 模糊控制器的設計

Fuzzy-PID控制技術(shù)是隨著計算機技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的，人們將操作人員的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為知識庫存放在計算機中，這樣系統(tǒng)就能根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來自行調(diào)整PID參數(shù)以滿足現(xiàn)場系統(tǒng)運行的實際要求。這種控制系統(tǒng)結(jié)合了古典的 PID 控制與新興的模糊控制方式，它具有模糊控制魯棒性強、動態(tài)響應好、上升時間快、超調(diào)時間小的特點，又具備了PID 控制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度高的特點，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。本系統(tǒng)在鍋爐汽包水位的 PID 控制系統(tǒng)引入模糊控制器，于是可以得到 Fuzzy-PID 控制系統(tǒng)[2]。

1） 在設計鍋爐汽包水位的模糊控制器時，采用了最常使用的二維模糊控制器，設定兩個輸入變量和一個輸出變量，其中一個輸入變量是給定水位和實際水位的偏差，另一個輸入變量是偏差的變化率，即：[e（k）=y（k）-yb（k）]， [ec（k）=ec（k）-ec（k-1）]。其中[e（k）]表示實際水位和給定水位的偏差，[y（k）]代表鍋爐汽包中的實際水位，而[yb（k）]代表鍋爐汽包的設定水位。當汽包中實際水位[y（k）]高于工作人員給定的水位[yb（k）]時，偏差的大小是“正”。在系統(tǒng)中，實際水位比設定水位高得越多，則偏差正得越大。反之，鍋爐中實際水位[y（k）]低于系統(tǒng)事先給定水位[yb（k）]時，偏差為“負”。實際水位比設定水位低得越多，則偏差就負得越大。[ec（k）]表示水位偏差的變化的快慢，當[k]時刻的水位偏差高于（[k-1]）時刻的水位偏差，說明水位偏差變化在加快，水位偏差變化越來越快。相反，當[k]時刻的水位偏差低于（[k-1]）時刻的水位偏差時，水位偏差變化越來越慢。本設計將閥門開度[u（k）]的變化作為模糊控制器的輸出量，它對鍋爐汽包實際水位[y（k）]的值影響比較大。輸出控制量對應閥門開度變化量，閥門開大的趨勢時，[u（k）]的值為“正”，表示供水系統(tǒng)向鍋爐汽包中的供水量加大；反之，則閥門開度有減小趨勢時，[u（k）]的值為“負”，表示供水系統(tǒng)向鍋爐汽包水位中注水量減少。

2） 輸入變量及輸出變量的模糊化：設計模糊控制系統(tǒng)，要把被控系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量轉(zhuǎn)換為模糊語言變量的模糊子集。本系統(tǒng)設輸入偏差和偏差變化率分別使用模糊語言變量的模糊集 E 和EC來表示，并且模糊集E={HB，HM，HS，NO，LS，LM，[HS]LB}。其中，HB，HM，HS，NO，LS，LM，LB分別表示遠高于設定水位，一般高于設定水位，微高于設定水位，等于設定水位，微低于設定水位，一般低于設定水位，遠低于設定水位。并把輸入偏差對應的模糊論域為：E={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6，}。另一個模糊集EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分別表示為負偏差變化過快，負偏差的變化較快，負偏差變化較慢，無偏差變化，正偏差的變化較慢，正偏差變化較快，正偏差變化很快。對應的模糊論域為：EC={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}本設計將模糊控制系統(tǒng)的輸出量變化用模糊集U來表示，并設定U={CF，CM，CS，F(xiàn)R，OS，OM，OF}，模糊集中的CF，CM，CS，F(xiàn)R，OS，OM，OF各自的意義分別為水閥關(guān)閉很快，水閥關(guān)閉較快，水閥關(guān)閉慢，稅法保持常開，水閥打開很慢，水閥打開較快，水閥打開很快。對應的模糊論域為：U={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}[3]。

3） 確定語言值的隸屬度函數(shù)：本系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)均選擇比較常用的三角型函數(shù)，并且輸入模糊變量與輸出模糊變量通過模糊規(guī)則建立關(guān)系。

4） 本系統(tǒng)設計的模糊控制器的控制規(guī)則：根據(jù)現(xiàn)場操作人員的操作經(jīng)驗，當 EC 為正時，此時偏差大于上一時間的偏差，若鍋爐中汽包水位高于給定值，則汽包水位還有繼續(xù)上漲的趨勢，則應當關(guān)閉水閥以減小入水量，使得水位下降；當EC為負時，表示此時偏差小于上一時間段偏差，如果此時鍋爐汽包水位高于設定值，則水位有下降趨勢，應該使閥門處于半開狀態(tài)，這樣既能降低水位，又能使水位不發(fā)生大的躍變。由此，可以得到模糊控制狀態(tài)表1。表1中橫、豎例分別代表E和EC。

2 對鍋爐汽包水位DCS控制功能配置

2.1 鍋爐水位DCS控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)endprint

DCS 具有強大的功能，它在應用中顯現(xiàn)出來的優(yōu)勢將逐漸取代常規(guī)儀表，DCS系統(tǒng)使機組控制性能得到很大程度提高。鍋爐 DCS 系統(tǒng)可以快速的將系統(tǒng)反饋的運行數(shù)據(jù)送給操作人員，操作人員能通過人機界面來對系統(tǒng)進行非?？焖俚恼{(diào)整。

如圖3所示為本設計方案的 DCS 控制系統(tǒng)配置圖。工程師站、若干臺操作員站、若干個控制柜、冗余服務器及工業(yè)以太網(wǎng)共同構(gòu)成了DCS 控制系統(tǒng)。工程師站具有最高權(quán)限，并向全廠發(fā)布鍋爐的運行數(shù)據(jù)。操作員只有部分權(quán)限，對各自管理的鍋爐運行系統(tǒng)部分進行操作 [4]。

2.2 鍋爐DCS水位控制基本功能

本文設計的DCS 系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、鍋爐安全監(jiān)視報警及保護、日志管理服務及人機界面功能。

根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的工作流程，在DCS系統(tǒng)人機界面上繪制相應的流程圖。在工藝流程上對應的數(shù)據(jù)采集點，顯示被測水位，蒸汽溫度等信號。在主界面上添加按鈕來實現(xiàn)對設備的開啟、關(guān)閉等開關(guān)量的操作。對于變頻器、調(diào)節(jié)閥或伺服控制器這類設別，在人機界面中，增加了軟調(diào)節(jié)功能組件。組件關(guān)聯(lián)上與該設備有關(guān)的工藝參數(shù)，通過事先設定好的運算法則來完成自動控制。在緊急情況還可以通過手/自動切換來實現(xiàn)手動調(diào)整。在本系統(tǒng)中，主要的輸出參數(shù)為：供水溫度控制、爐膛引風控制、爐膛壓力控制、燃料供給控制、汽包水位控制等[5]，鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)人機界面如圖4所示。

本系統(tǒng)中所有的測量值和操作記錄都會記錄在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并且專門繪有歷史報表，便于工作人員及時了解鍋爐系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并且該報表可以手動或者定時打印出來，方便工作人員對數(shù)據(jù)進行觀察分析。為了提高鍋爐運行的安全性，鍋爐的各個重要參數(shù)，控制動作都設置安全范圍，如果測量值和控制值超出安全范圍，系統(tǒng)將會產(chǎn)生聲光報警，提醒工作人員前去排查，并產(chǎn)生報警記錄信息。

3 結(jié)束語

本文設計的模糊PID控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。在保證鍋爐安全穩(wěn)定運行的同時，采用 DCS 技術(shù)對鍋爐各項數(shù)據(jù)采集和實時處理，可以減輕工作人員負擔，保證鍋爐燃燒充分，安全有效，減少污染氣體排放。

參考文獻：

[1] 黃章明，李方園.鍋爐汽包水位模糊控制系統(tǒng)的仿真與設計[J].技術(shù)縱橫，2011（9）.

[2] 陳智華.汽化冷卻系統(tǒng)汽包水位的模糊控制[J].自動化與儀器儀表，2011（3）.

[3] 婁偉，劉向東.模糊控制在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的應用[J].鍋爐技術(shù)，2010（1）.

[4] 梁長志.工業(yè)鍋爐DCS控制系統(tǒng)設計研究[J].自動化儀表，2012（1） .

[5] 曹夢婷.循環(huán)流化床鍋爐 DCS 控制方案[J].機械工程與自動化，2011，10（5）.endprint

DCS 具有強大的功能，它在應用中顯現(xiàn)出來的優(yōu)勢將逐漸取代常規(guī)儀表，DCS系統(tǒng)使機組控制性能得到很大程度提高。鍋爐 DCS 系統(tǒng)可以快速的將系統(tǒng)反饋的運行數(shù)據(jù)送給操作人員，操作人員能通過人機界面來對系統(tǒng)進行非?？焖俚恼{(diào)整。

如圖3所示為本設計方案的 DCS 控制系統(tǒng)配置圖。工程師站、若干臺操作員站、若干個控制柜、冗余服務器及工業(yè)以太網(wǎng)共同構(gòu)成了DCS 控制系統(tǒng)。工程師站具有最高權(quán)限，并向全廠發(fā)布鍋爐的運行數(shù)據(jù)。操作員只有部分權(quán)限，對各自管理的鍋爐運行系統(tǒng)部分進行操作 [4]。

2.2 鍋爐DCS水位控制基本功能

本文設計的DCS 系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、鍋爐安全監(jiān)視報警及保護、日志管理服務及人機界面功能。

根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的工作流程，在DCS系統(tǒng)人機界面上繪制相應的流程圖。在工藝流程上對應的數(shù)據(jù)采集點，顯示被測水位，蒸汽溫度等信號。在主界面上添加按鈕來實現(xiàn)對設備的開啟、關(guān)閉等開關(guān)量的操作。對于變頻器、調(diào)節(jié)閥或伺服控制器這類設別，在人機界面中，增加了軟調(diào)節(jié)功能組件。組件關(guān)聯(lián)上與該設備有關(guān)的工藝參數(shù)，通過事先設定好的運算法則來完成自動控制。在緊急情況還可以通過手/自動切換來實現(xiàn)手動調(diào)整。在本系統(tǒng)中，主要的輸出參數(shù)為：供水溫度控制、爐膛引風控制、爐膛壓力控制、燃料供給控制、汽包水位控制等[5]，鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)人機界面如圖4所示。

本系統(tǒng)中所有的測量值和操作記錄都會記錄在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并且專門繪有歷史報表，便于工作人員及時了解鍋爐系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并且該報表可以手動或者定時打印出來，方便工作人員對數(shù)據(jù)進行觀察分析。為了提高鍋爐運行的安全性，鍋爐的各個重要參數(shù)，控制動作都設置安全范圍，如果測量值和控制值超出安全范圍，系統(tǒng)將會產(chǎn)生聲光報警，提醒工作人員前去排查，并產(chǎn)生報警記錄信息。

3 結(jié)束語

本文設計的模糊PID控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。在保證鍋爐安全穩(wěn)定運行的同時，采用 DCS 技術(shù)對鍋爐各項數(shù)據(jù)采集和實時處理，可以減輕工作人員負擔，保證鍋爐燃燒充分，安全有效，減少污染氣體排放。

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[4] 梁長志.工業(yè)鍋爐DCS控制系統(tǒng)設計研究[J].自動化儀表，2012（1） .

[5] 曹夢婷.循環(huán)流化床鍋爐 DCS 控制方案[J].機械工程與自動化，2011，10（5）.endprint

DCS 具有強大的功能，它在應用中顯現(xiàn)出來的優(yōu)勢將逐漸取代常規(guī)儀表，DCS系統(tǒng)使機組控制性能得到很大程度提高。鍋爐 DCS 系統(tǒng)可以快速的將系統(tǒng)反饋的運行數(shù)據(jù)送給操作人員，操作人員能通過人機界面來對系統(tǒng)進行非?？焖俚恼{(diào)整。

如圖3所示為本設計方案的 DCS 控制系統(tǒng)配置圖。工程師站、若干臺操作員站、若干個控制柜、冗余服務器及工業(yè)以太網(wǎng)共同構(gòu)成了DCS 控制系統(tǒng)。工程師站具有最高權(quán)限，并向全廠發(fā)布鍋爐的運行數(shù)據(jù)。操作員只有部分權(quán)限，對各自管理的鍋爐運行系統(tǒng)部分進行操作 [4]。

2.2 鍋爐DCS水位控制基本功能

本文設計的DCS 系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、鍋爐安全監(jiān)視報警及保護、日志管理服務及人機界面功能。

根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的工作流程，在DCS系統(tǒng)人機界面上繪制相應的流程圖。在工藝流程上對應的數(shù)據(jù)采集點，顯示被測水位，蒸汽溫度等信號。在主界面上添加按鈕來實現(xiàn)對設備的開啟、關(guān)閉等開關(guān)量的操作。對于變頻器、調(diào)節(jié)閥或伺服控制器這類設別，在人機界面中，增加了軟調(diào)節(jié)功能組件。組件關(guān)聯(lián)上與該設備有關(guān)的工藝參數(shù)，通過事先設定好的運算法則來完成自動控制。在緊急情況還可以通過手/自動切換來實現(xiàn)手動調(diào)整。在本系統(tǒng)中，主要的輸出參數(shù)為：供水溫度控制、爐膛引風控制、爐膛壓力控制、燃料供給控制、汽包水位控制等[5]，鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)人機界面如圖4所示。

本系統(tǒng)中所有的測量值和操作記錄都會記錄在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并且專門繪有歷史報表，便于工作人員及時了解鍋爐系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并且該報表可以手動或者定時打印出來，方便工作人員對數(shù)據(jù)進行觀察分析。為了提高鍋爐運行的安全性，鍋爐的各個重要參數(shù)，控制動作都設置安全范圍，如果測量值和控制值超出安全范圍，系統(tǒng)將會產(chǎn)生聲光報警，提醒工作人員前去排查，并產(chǎn)生報警記錄信息。

3 結(jié)束語

本文設計的模糊PID控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。在保證鍋爐安全穩(wěn)定運行的同時，采用 DCS 技術(shù)對鍋爐各項數(shù)據(jù)采集和實時處理，可以減輕工作人員負擔，保證鍋爐燃燒充分，安全有效，減少污染氣體排放。

參考文獻：

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[5] 曹夢婷.循環(huán)流化床鍋爐 DCS 控制方案[J].機械工程與自動化，2011，10（5）.endprint