基于和利時(shí)MACS的鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

劉 勇，虎恩典，雷 婷

LIU Yong1, HU En-dian1, LEI Ting2

（1.北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)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(yīng)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(chǔ)，即計(jì)算機(jī)-Computer、控制-Control、通信-Communication、CRT顯示技術(shù)。它將現(xiàn)場(chǎng)控制站、控制中心的操作員站及工程師站等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(dòng)化程度及安全性與可靠性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。因此，寧夏某4×300MW電廠對(duì)#4機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)采用了該系統(tǒng)，選用北京和利時(shí)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(guò)熱器是將飽和蒸汽加熱成具有一定溫度的過(guò)熱蒸汽，來(lái)提高蒸汽的焓值，以提高電廠熱力循環(huán)效率。過(guò)熱蒸汽溫度是整個(gè)汽水循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)的最高溫度，若溫度過(guò)高，容易燒壞過(guò)熱器，也會(huì)引起汽輪機(jī)高壓部分過(guò)熱；而溫度過(guò)低，則會(huì)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(jī)末級(jí)蒸汽濕度增加，甚至帶水，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行。因此，在鍋爐運(yùn)行中，必須嚴(yán)格控制過(guò)熱蒸汽溫度在給定值（該機(jī)組溫度540℃）附近，一般要求溫度的偏差不超過(guò)±5℃～±10℃，因此，對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度的控制是非常重要的。

1 MACS控制系統(tǒng)及過(guò)熱器結(jié)構(gòu)

1.1 MACS控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

和利時(shí)MACS控制系統(tǒng)是利用以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)，將各工程師站、操作員站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)服務(wù)器連接而成的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)測(cè)控制層和現(xiàn)場(chǎng)控制層組成，監(jiān)測(cè)控制層由工程師站、操作員站、通訊控制站、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等組成，該層主要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將操作指令下傳到下層及實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)等功能，現(xiàn)場(chǎng)控制層由主控單元和I/O單元等組成，這一層將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出相應(yīng)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(cè)控制層，接收上層來(lái)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(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需要通過(guò)工程師站組態(tài)軟件產(chǎn)生，該電廠選用和利時(shí)最新的開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)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(gè)軟件組成，工程總控用來(lái)部署和管理整個(gè)系統(tǒng)，它集成了工程管理、數(shù)據(jù)庫(kù)編輯、用戶組態(tài)、報(bào)表和節(jié)點(diǎn)組態(tài)、編譯下裝等功能，工程管理器是面對(duì)域的，即一個(gè)工程對(duì)應(yīng)著一個(gè)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(gè)工程建立的流程如圖2所示。4#機(jī)組共設(shè)立1個(gè)工程師站，8個(gè)操作員站，組建了31個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，共有18636個(gè)點(diǎn)。

圖2 組態(tài)流程

1.2 過(guò)熱器結(jié)構(gòu)

鍋爐的過(guò)熱器一般采用低溫、屛式和高溫過(guò)熱器，或?qū)@三種過(guò)熱器進(jìn)行交替串聯(lián)布置的結(jié)構(gòu)[6]，該300MW機(jī)組采用組合式過(guò)熱器，即低溫、屛式和高溫過(guò)熱器依次排布，屛式和高溫過(guò)熱器均為A、B兩側(cè)對(duì)稱分布，屛式過(guò)熱器位于爐膛頂部，以輻射熱為主，高溫過(guò)熱器位于爐膛出口水平煙道，以對(duì)流換熱為主，隨鍋爐負(fù)荷增加時(shí)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(guò)熱器管道變長(zhǎng)，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(guò)熱器和高溫過(guò)熱器入口分別安裝一、二級(jí)噴水減溫器，通過(guò)兩級(jí)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(jī)組安全可靠的運(yùn)行。一級(jí)減溫控制屛式過(guò)熱器出口溫度，二級(jí)減溫控制高溫過(guò)熱器出口溫度，即主汽溫度。

圖3 過(guò)熱器結(jié)構(gòu)

2 過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)分析

由工藝結(jié)構(gòu)可知，每級(jí)A、B側(cè)都是一個(gè)獨(dú)立的控制單元，第一級(jí)減溫是實(shí)現(xiàn)主蒸汽溫度的粗略控制，二級(jí)減溫實(shí)現(xiàn)主蒸汽溫度的精確控制。每一個(gè)單元采用的控制策略也是相同的，在此主要以二級(jí)減溫A側(cè)進(jìn)行說(shuō)明。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，選擇延遲和慣性都小于過(guò)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(dǎo)前溫度信號(hào)，來(lái)提前反應(yīng)調(diào)節(jié)效果，過(guò)熱器出口溫度T2作為主調(diào)量。先前的系統(tǒng)采用導(dǎo)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(hào)，作為調(diào)節(jié)器的前饋，該信號(hào)與主蒸汽溫度變化趨勢(shì)一致，過(guò)熱器出口溫度作為調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)，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(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)，G2(s)為惰性區(qū)傳遞函數(shù)。

圖4 導(dǎo)前微分控制框圖

實(shí)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(jìn)一步提高。對(duì)圖4進(jìn)行串級(jí)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(dāng)于一個(gè)串級(jí)控制，設(shè)微分器和調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為，，進(jìn)行串級(jí)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(shí)際的串級(jí)控制，為了提高副回路的快速性和加強(qiáng)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(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的跟蹤性和校正作用不強(qiáng)。

圖5 導(dǎo)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(shí)現(xiàn)較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量，因此選擇串級(jí)控制系統(tǒng)，控制目標(biāo)是將溫度控制在±5℃內(nèi)，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)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(guò)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(dāng)于一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)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(dòng)引起減溫器出口溫度波動(dòng)時(shí)，副調(diào)節(jié)器就能及時(shí)動(dòng)作來(lái)調(diào)節(jié)噴水閥，維持過(guò)熱器入口溫度的穩(wěn)定，當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副回路之外，引起過(guò)熱器出口溫度偏離給定值時(shí)，主調(diào)節(jié)器輸出校正信號(hào)，通過(guò)副調(diào)節(jié)器回路去改變減溫水流量，使過(guò)熱蒸汽溫度恢復(fù)到給定值。

圖6 串級(jí)控制框圖

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到相關(guān)對(duì)象的傳遞函數(shù)如下所示：導(dǎo)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(jí)控制，下半部分為導(dǎo)前微分控制。

串級(jí)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(guò)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(dǎo)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(yīng)曲線如圖8所示，其中圖8(a)為在蒸汽流量擾動(dòng)作用下的響應(yīng)曲線，圖8(b)為在煙氣流量擾動(dòng)下的響應(yīng)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(yīng)曲線圖

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

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

二級(jí)減溫A測(cè)溫度控制系統(tǒng)屬于10號(hào)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(duì)AO卡件的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算并將控制量送到DO卡件，并和上位機(jī)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)數(shù)據(jù)交換，支持ProfiBus-DP,通過(guò)64針連接器與基籠底板相連，DP主站采用DSP與高速UART實(shí)現(xiàn)DP通訊，DSP與PC數(shù)據(jù)交換采用雙口RAM。SM203共有三個(gè)10M以太網(wǎng)，一個(gè)用于冗余雙機(jī)交換數(shù)據(jù)，其余兩個(gè)互為冗余用來(lái)與服務(wù)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(cè)得二級(jí)A側(cè)噴水器出口蒸汽溫度（過(guò)熱器入口溫度）T1和過(guò)熱器出口溫度T2，這兩路溫度采用E分度Ⅰ級(jí)熱電偶，將-40℃～800℃溫度轉(zhuǎn)化為-2.25mV～61.0mV的電壓信號(hào)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(guò)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(duì)多種熱電偶毫伏電壓信號(hào)進(jìn)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(hào)進(jìn)行濾波等一系列處理后，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(lái)的被測(cè)量經(jīng)過(guò)運(yùn)算輸出相應(yīng)的控制量到DO卡件，DO卡件選用SM520-8CH八通道輸出模塊，每個(gè)通道都是冗余配置，接收到主控制器輸出的數(shù)字信號(hào)后經(jīng)過(guò)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(hào)，該信號(hào)通過(guò)64針歐式連接器，將電流信號(hào)輸出到現(xiàn)場(chǎng)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(guò)熱蒸汽溫度控制軟件設(shè)計(jì)

目前，在工業(yè)過(guò)程控制中，PID算法由于原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[8]，被廣泛應(yīng)用，本設(shè)計(jì)中也采用了PID控制策略，過(guò)熱器出口溫度作為主調(diào)的過(guò)程值，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，過(guò)熱器入口溫度作為副調(diào)節(jié)器的過(guò)程值，同時(shí)為了防止主調(diào)輸出的大幅度波動(dòng)，因此對(duì)主調(diào)輸出設(shè)定了上下線限定，上下線是由輸出指令和過(guò)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(shí)際微分環(huán)節(jié)增量型算式計(jì)算，表達(dá)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(guò)函數(shù)f3(x)、f4(x)運(yùn)算后加上過(guò)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(dòng)或自動(dòng)操作的切換開關(guān)，手操器TS為跟蹤開關(guān)，TM為強(qiáng)制手操開關(guān)，手操器可以實(shí)現(xiàn)三種工作方式，即自動(dòng)方式、跟蹤方式和強(qiáng)制手動(dòng)方式。

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

2)跟蹤方式，當(dāng)TS=1時(shí)，手操器工作在跟蹤方式，它跟蹤的是TP值，它動(dòng)作的條件是來(lái)自RB指令或是MFT發(fā)報(bào)警信號(hào)，即TS=RB+MFT，手操進(jìn)入跟蹤模式AV=TP=0，快速關(guān)閉噴水調(diào)節(jié)閥。

3)強(qiáng)制手動(dòng)方式，當(dāng)TM=1時(shí)，強(qiáng)制切手動(dòng)方式，噴水閥開度由運(yùn)行人員手動(dòng)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(yùn)行的安全性和可靠性，其條件為設(shè)定值與實(shí)際值偏差過(guò)大、過(guò)熱器入口溫度質(zhì)量壞、主蒸汽流量過(guò)小等，判斷邏輯如圖14所示。

圖14 強(qiáng)制手動(dòng)邏輯條件

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，負(fù)荷變化、蒸汽流量等因素的擾動(dòng)，可能引起系統(tǒng)輸出較大的偏差，經(jīng)過(guò)積分項(xiàng)累積后，可能使控制量 μ（k ）＞μmax或μ（k ）＜μmin，超過(guò)執(zhí)行機(jī)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(huì)增加系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)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(yīng)，即設(shè)置一個(gè)誤差門限值ε，當(dāng)偏差大于該門限值時(shí)，積分項(xiàng)不起作用，只有誤差小于門限值時(shí)，才引入積分作用，消除靜差。

本公司對(duì)4號(hào)機(jī)組改造完成后，啟機(jī)并網(wǎng)，幾個(gè)月來(lái)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，過(guò)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(yīng)，節(jié)約能源。圖15為隨機(jī)截取的A側(cè)過(guò)熱蒸汽溫度運(yùn)行趨勢(shì)圖，從圖A可知，過(guò)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(guò)熱器出口溫度最小值為538.882℃，最大值為542.309℃，對(duì)所有趨勢(shì)圖進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)平均溫度基本都在539℃±4℃范圍之內(nèi)，運(yùn)行非常平穩(wěn)。

圖15 過(guò)熱蒸汽溫度運(yùn)行趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)4#機(jī)組主蒸汽溫度控制系統(tǒng)控制策略的改造，并網(wǎng)運(yùn)行六個(gè)多月，從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行趨勢(shì)及數(shù)據(jù)的分析來(lái)看，一方面實(shí)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(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為其他3臺(tái)機(jī)組的改造工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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