張國(guó)民

摘 要：文章簡(jiǎn)要概述了控制系統(tǒng)組態(tài)及組態(tài)軟件VisualField。在此基礎(chǔ)上，分析了鍋爐汽包水位控制、蒸汽壓力控制、燃燒控制、爐膛負(fù)壓控制等模擬量控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：鍋爐控制系統(tǒng)；中控ECS-700；DCS

1 概述

1.1 控制技術(shù)及DCS技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，在石化、電力、冶金等連續(xù)過程工業(yè)中，自動(dòng)化裝置已成為決定企業(yè)生產(chǎn)效益的核心。過程控制技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。由于工業(yè)過程本身的特點(diǎn)和各類擾動(dòng)導(dǎo)致的不確定性，使得過程控制十分復(fù)雜。同時(shí)由于工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的提高，人們對(duì)工業(yè)過程的要求也隨之提高。

1.2 鍋爐設(shè)備特點(diǎn)及控制發(fā)展歷程

目前在國(guó)內(nèi)主流采用了DCS、FCS等先進(jìn)的控制技術(shù)。日益顯著的能源問題和不斷擴(kuò)大的生產(chǎn)規(guī)模迫使鍋爐控制技術(shù)進(jìn)行變革。工業(yè)鍋爐具備非線性、多輸入輸出、內(nèi)部關(guān)聯(lián)強(qiáng)、隨機(jī)擾動(dòng)頻繁等特征，且具有明顯的時(shí)間滯后特性[1]。20世紀(jì)50年代為鍋爐控制的純手動(dòng)控制階段，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作完全是鍋爐操作人員憑借生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)通過手動(dòng)操作來(lái)完成的。鍋爐控制系統(tǒng)使用經(jīng)典控制理論，研究系統(tǒng)多為單輸入和單輸出的線性定常系統(tǒng)，研究方法主要有傳遞函數(shù)、頻率特性分析、根軌跡法等[2]。60至70年代，工業(yè)控制中開始出現(xiàn)以現(xiàn)場(chǎng)儀表和傳感器等構(gòu)成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)成本低，易維護(hù)，可靠性高，可以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的日益大型化與連續(xù)化需要，在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。但鍋爐控制系統(tǒng)絕大多數(shù)仍被當(dāng)作單輸入單輸出系統(tǒng)，并采用經(jīng)典控制理論的方法進(jìn)行控制。由于單元組合儀表存在低精度和低可靠性的特點(diǎn)，因此只能采用簡(jiǎn)單的控制算法和技術(shù)。70年代后，單片機(jī)、PLC和工控機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以提高控制精度和運(yùn)算速度，并且具有較強(qiáng)的記憶功能，能夠進(jìn)行分時(shí)操作、邏輯判斷[3]?？刂评碚摪l(fā)展為現(xiàn)代控制理論，從線性定常系統(tǒng)擴(kuò)展為非線性時(shí)變系統(tǒng)，現(xiàn)代控制理論可以解決多輸入多輸出（MIMO）問題，為生產(chǎn)實(shí)際中遇到的一些復(fù)雜問題提供了解決方法。21世紀(jì)以來(lái)，為鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的集成化管理、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制的智能控制階段，當(dāng)環(huán)境或過程參數(shù)改變時(shí)，系統(tǒng)可以及時(shí)做出判斷，并且選擇最優(yōu)的控制決策。較好的鍋爐控制理論包括傳統(tǒng)PID控制，智能控制理論 （如模糊控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等），以及與傳統(tǒng)控制方式相結(jié)合的控制策略[4]。智能控制階段，解決了傳統(tǒng)控制算法無(wú)法解決的問題，具有滿意的應(yīng)用效果和廣闊的應(yīng)用前景。

1.3 鍋爐裝置控制目標(biāo)

安全、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)是工業(yè)過程控制追求的目標(biāo)。鍋爐控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是確保產(chǎn)生蒸汽的溫度、壓力等參數(shù)滿足負(fù)荷需求，同時(shí)維持爐膛負(fù)壓和汽包水位的穩(wěn)定性以保證安全運(yùn)行，此外要使燃燒充分，以提高生產(chǎn)率、防止環(huán)境污染。

1.3.1 保持汽包水位范圍

水位影響汽水分離的速度及蒸汽質(zhì)量，是鍋爐裝置安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)。水位過高會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，飽和水蒸氣溫度快速下降，使得管壁上的結(jié)垢增加，蒸汽質(zhì)量降低，進(jìn)一步影響鍋爐經(jīng)濟(jì)和安全生產(chǎn)；水位過低會(huì)影響汽水循環(huán)，使汽包內(nèi)的水量減少甚至全部汽化，可能會(huì)引發(fā)水冷壁管的破裂，導(dǎo)致干鍋，損壞汽包，造成重大事故。

1.3.2 維持蒸汽壓力在預(yù)定值

蒸汽壓力是衡量蒸汽生產(chǎn)量與負(fù)荷消耗量平衡的指標(biāo)。蒸汽壓力降低，說明負(fù)荷蒸汽消耗量大于鍋爐的生產(chǎn)量；蒸汽壓力升高，說明負(fù)荷蒸汽消耗量小于鍋爐的生產(chǎn)量。蒸汽壓力過低或過高都不是理想狀態(tài)。壓力過高容易導(dǎo)致鍋爐受損；壓力過低則無(wú)法為負(fù)荷設(shè)備提供合格的蒸汽。

1.3.3 保持爐膛負(fù)壓范圍

爐膛負(fù)壓衡量鍋爐系統(tǒng)引風(fēng)量與送風(fēng)量的關(guān)系。爐膛負(fù)壓太小，會(huì)導(dǎo)致爐膛內(nèi)熱煙氣甚至火焰向外冒出，對(duì)設(shè)備和人員安全構(gòu)成威脅；負(fù)壓太大會(huì)使得爐膛吸入大量冷空氣，增加熱量損失。

1.3.4 維持過熱蒸汽溫度恒定

由于項(xiàng)目中的鍋爐是與汽輪機(jī)配套使用的，過熱蒸汽溫度過高或過低都會(huì)影響汽輪機(jī)正常工作，一般要求過熱蒸汽溫度波動(dòng)保持在±5℃之內(nèi)。

1.3.5 維持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性

空燃比是用于衡量鍋爐熱效率的指標(biāo)?？諝膺^少會(huì)使燃燒不完全，降低燃燒效率；空氣過多，會(huì)導(dǎo)致熱量流失。因此，必須將空氣和燃料比例控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?，在使得燃料煤充分燃燒的基礎(chǔ)上，又不造成過多的熱損失，從而提高鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性。

從上述鍋爐控制需求可以看出，鍋爐控制系統(tǒng)的模擬量控制需包含給水控制系統(tǒng)、鍋爐負(fù)荷控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)、過熱蒸汽控制系統(tǒng)等。同時(shí)，依托于項(xiàng)目實(shí)際需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中還需要考慮氧量控制、磨組控制、過熱器噴水減溫控制等。

根據(jù)鍋爐裝置控制要求與本廠實(shí)際生產(chǎn)需要，鍋爐控制系統(tǒng)需包括人機(jī)接口、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集功能（DAS）、模擬量控制功能（MCS）、順序控制功能（SCS）和鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）等部分。

2 軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目DCS的組態(tài)應(yīng)用VisualField（簡(jiǎn)稱VF）系統(tǒng)軟件，對(duì)汽包水位控制、蒸汽壓力控制、爐膛負(fù)壓控制等模擬量控制系統(tǒng)進(jìn)行了組態(tài)設(shè)計(jì)，在ECS-700系統(tǒng)中完成系統(tǒng)組態(tài)和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。包括組態(tài)邏輯設(shè)計(jì)和人機(jī)畫面設(shè)計(jì)兩部分。

模擬量控制系統(tǒng)是DCS中重要的控制系統(tǒng)，平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)需要控制參數(shù)在合理的數(shù)值范圍內(nèi)；發(fā)生擾動(dòng)時(shí)也不能偏離給定值過大，需能實(shí)現(xiàn)正常的系統(tǒng)功能。模擬量控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中要求實(shí)現(xiàn)控制的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。本項(xiàng)目模擬量控制系統(tǒng)主要包括汽包水位控制、蒸汽壓力控制、經(jīng)濟(jì)燃燒控制、爐膛負(fù)壓控制等。

2.1 系統(tǒng)組態(tài)概述

系統(tǒng)組態(tài)指在工程師站上為控制系統(tǒng)設(shè)定各項(xiàng)軟硬件參數(shù)。DCS具有通用性和復(fù)雜性，因此，系統(tǒng)的許多功能及匹配參數(shù)需據(jù)具體場(chǎng)合而定。圖1為系統(tǒng)組態(tài)流程。

2.2 VisualField系統(tǒng)軟件

本項(xiàng)目DCS的組態(tài)應(yīng)用VisualField系統(tǒng)軟件，針對(duì)系統(tǒng)的工藝要求，循序漸進(jìn)地完成系統(tǒng)組態(tài)。VisualField（簡(jiǎn)稱VF）系統(tǒng)軟件基于Windows操作系統(tǒng)，是一個(gè)自動(dòng)控制應(yīng)用軟件平臺(tái)，在ECS-700系統(tǒng)中完成系統(tǒng)組態(tài)和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上支持控制分域和操作分域，支持多人組態(tài)，支持單域?qū)雽?dǎo)出、單控制站導(dǎo)入導(dǎo)出、單控制站組態(tài)備份、支持在線調(diào)試和在線下載，支持多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。VisualField軟件包具有系統(tǒng)組態(tài)軟件和系統(tǒng)監(jiān)控軟件。系統(tǒng)組態(tài)功能由系統(tǒng)組態(tài)軟件、位號(hào)組態(tài)軟件、組態(tài)管理軟件、控制方案組態(tài)軟件、監(jiān)控組態(tài)軟件共同完成。

2.3 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

由于只有保持鍋爐汽包水位在一定的范圍內(nèi)，鍋爐才能安全運(yùn)行，因此，鍋爐汽包水位是一個(gè)十分重要的被調(diào)量。鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)即通過使給水量和蒸發(fā)量維持一定關(guān)系，從而保證汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。

本項(xiàng)目汽包水位控制采用串級(jí)三沖量控制，即控制汽包水位、給水流量、蒸汽流量三個(gè)量來(lái)達(dá)到控制汽包內(nèi)的水位的目的。工作原理如圖2所示，控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)為前饋-串級(jí)控制，主回路為定位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，副回路為隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器根據(jù)對(duì)象操作條件和負(fù)荷情況的變化隨時(shí)校正副調(diào)節(jié)器的給定值，最終保持主參數(shù)恒定。其中，汽包水位是主變量，給水流量是副變量，蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)。

2.4 鍋爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)

鍋爐汽包蒸汽壓力可以衡量鍋爐中能量的大小，只有當(dāng)鍋爐輸入和輸出的能量平衡時(shí)，壓力才能保持穩(wěn)定。燃料量、引風(fēng)量、送風(fēng)量、給水量、蒸汽流量以及各種使燃燒工況變化等等都會(huì)引起蒸汽壓力變化。主要擾動(dòng)包括燃料量的改變（稱為內(nèi)擾動(dòng)）和蒸汽流量的改變（稱為外擾動(dòng)）。

2.4.1 燃料量改變時(shí)蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性（內(nèi)擾特性）

鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入爐膛的燃料量發(fā)生變化幾乎會(huì)立即引發(fā)爐膛發(fā)熱量改變，近似為比例環(huán)節(jié)。蒸發(fā)部分類似于一個(gè)儲(chǔ)熱容器，汽包壓力P用于衡量?jī)?chǔ)熱量多少。當(dāng)蒸汽流量D所帶走的熱量和爐膛發(fā)熱量Q不等時(shí)，汽包壓力P就會(huì)發(fā)生變化。若用汽量D不變，燃料量改變產(chǎn)生內(nèi)擾，此時(shí)蒸汽壓力成積分規(guī)律變化；若用汽設(shè)備調(diào)節(jié)閥開度不變，則隨著汽壓P升高，蒸汽流量也將增加，此時(shí)蒸汽壓力呈指數(shù)規(guī)律變化，當(dāng)蒸汽流量帶走的熱量等于燃料量增加的熱量時(shí)，蒸汽壓力重新穩(wěn)定于一個(gè)新的數(shù)值，系再次平衡。

2.4.2 蒸汽流量改變時(shí)蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性（外擾特性）

蒸汽流量改變對(duì)蒸汽壓力造成的擾動(dòng)稱為外擾，可以分兩種情況，一是負(fù)荷設(shè)備的蒸汽閥門開度改變，二是負(fù)荷設(shè)備用汽量的突增或突減。

蒸汽調(diào)節(jié)閥開度突然開大，則蒸汽流量隨之立即增加。但由于燃料量沒有增加，因此蒸汽壓力逐漸下降，從汽包中流出的蒸汽量也隨之逐漸減少，最后蒸汽流量趨于恢復(fù)到原值。即平衡狀態(tài)下，燃料量不變時(shí)鍋爐供應(yīng)的蒸汽流量也不變。

若蒸汽流量保持增大后的用量，由于燃料量沒有增加，會(huì)導(dǎo)致熱量不平衡，使蒸汽壓力持續(xù)下降。此時(shí)，只有改變?nèi)剂狭渴巩a(chǎn)熱和耗熱相平衡，才能恢復(fù)保持鍋爐的蒸汽壓力。

爐膛溫度比蒸汽壓力超前很多，且慣性時(shí)間常數(shù)較小。因此，文章對(duì)蒸汽壓力的控制采用串級(jí)控制系統(tǒng)，爐膛溫度為副控參數(shù)、蒸汽壓力為主控參數(shù)。爐膛溫度模型近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，而蒸汽壓力模型近似為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)。蒸汽壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.5 鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒控制系統(tǒng)

鍋爐燃燒控制要實(shí)現(xiàn)燃燒經(jīng)濟(jì)性，保證獲得較高的燃燒效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。燃燒的效率高低難以直接測(cè)量，煙氣成分分析方法滯后時(shí)間較長(zhǎng)，常用煙氣中的含氧量作為表示指標(biāo)，滯后時(shí)間較短[5]。確保最佳的風(fēng)煤比是鍋爐系統(tǒng)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，是鍋爐能否最佳燃燒的關(guān)鍵保證，風(fēng)煤比過低會(huì)導(dǎo)致燃煤燃燒不完全，造成熱量損失和環(huán)境污染；風(fēng)煤比過高，會(huì)造成大量的熱量損失在排放的煙氣中。鍋爐燃燒時(shí)的熱量損失與過?？諝庀禂?shù)密切相關(guān)，如圖5所示。為了能夠保證充分燃燒，同時(shí)防止風(fēng)量過大引起的熱損失，采用雙交叉限幅，使鍋爐符合一定的升溫曲線。雙交叉控制系統(tǒng)如圖6所示。

2.6 鍋爐爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)

爐膛負(fù)壓通過改變引風(fēng)量和送風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在改變送風(fēng)調(diào)節(jié)閥和引風(fēng)調(diào)節(jié)閥的開度后，這兩個(gè)被控量立即改變，其動(dòng)態(tài)特性可看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)純滯后時(shí)間很小的滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)。爐膛負(fù)壓回路的擾動(dòng)是鼓風(fēng)的擾動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

參考文獻(xiàn)

[1]田野.基于西門子S7-200鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].東北大學(xué)，2008.

[2]王善武.中國(guó)工業(yè)鍋爐行業(yè)現(xiàn)狀分析及前景展望[J].工業(yè)鍋爐， 2004（1）：1-9.

[3]蔡凌，等.鍋爐控制系統(tǒng)中PLC和單片機(jī)通信設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008（z1）：696-697.

[4]潘祥亮，羅利文.模糊PID控制在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)爐，2004，26（3）：38-40.

[5]Mahony B， Millerchip C， Hayes I. A boiler control system： Overview of a case-study in timed refinement[C]. Software Safety： Everybody's Business| Proc. 1993 International Workshop on Design and Review of Software Controlled Safety-Related Systems，1994：189-208.