田洋碩+魏強(qiáng)+呂永明+田思慶

摘要： 針對(duì)火電廠鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了汽包水位模糊控制系統(tǒng)。同時(shí)制定了鍋爐DCS控制系統(tǒng)配置方案，設(shè)計(jì)了鍋爐水系統(tǒng)DCS組態(tài)圖，并對(duì)本設(shè)計(jì)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(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）34-8324-02

鍋爐系統(tǒng)具有多輸入、多輸出，強(qiáng)耦合，非線性等特點(diǎn)，在控制上有一定的難度，所以人們從未停止對(duì)鍋爐控制的研究。在火電廠鍋爐的蒸汽運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。如果控制出現(xiàn)問題，鍋爐就會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。所以在火電廠鍋爐幾個(gè)重要控制對(duì)象中，汽包水位是一個(gè)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(huì)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(dá)不到預(yù)想的效果，甚至低溫的水會(huì)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(huì)使水冷壁的水循環(huán)無法按照工藝要求進(jìn)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(duì)象后，在鍋爐控制系統(tǒng)中加入了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)鍋爐DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的智能控制。該設(shè)計(jì)減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料的最大利用，解決燃料燃燒造成的大氣污染，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(xué)模型

鍋爐汽包水位運(yùn)行系統(tǒng)，如圖 1 所示。

1.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

Fuzzy-PID控制技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的，人們將操作人員的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為知識(shí)庫存放在計(jì)算機(jī)中，這樣系統(tǒng)就能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來自行調(diào)整PID參數(shù)以滿足現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)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(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快、超調(diào)時(shí)間小的特點(diǎn)，又具備了PID 控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，實(shí)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(shè)計(jì)鍋爐汽包水位的模糊控制器時(shí)，采用了最常使用的二維模糊控制器，設(shè)定兩個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量，其中一個(gè)輸入變量是給定水位和實(shí)際水位的偏差，另一個(gè)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(shí)際水位和給定水位的偏差，[y（k）]代表鍋爐汽包中的實(shí)際水位，而[yb（k）]代表鍋爐汽包的設(shè)定水位。當(dāng)汽包中實(shí)際水位[y（k）]高于工作人員給定的水位[yb（k）]時(shí)，偏差的大小是“正”。在系統(tǒng)中，實(shí)際水位比設(shè)定水位高得越多，則偏差正得越大。反之，鍋爐中實(shí)際水位[y（k）]低于系統(tǒng)事先給定水位[yb（k）]時(shí)，偏差為“負(fù)”。實(shí)際水位比設(shè)定水位低得越多，則偏差就負(fù)得越大。[ec（k）]表示水位偏差的變化的快慢，當(dāng)[k]時(shí)刻的水位偏差高于（[k-1]）時(shí)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(dāng)[k]時(shí)刻的水位偏差低于（[k-1]）時(shí)刻的水位偏差時(shí)，水位偏差變化越來越慢。本設(shè)計(jì)將閥門開度[u（k）]的變化作為模糊控制器的輸出量，它對(duì)鍋爐汽包實(shí)際水位[y（k）]的值影響比較大。輸出控制量對(duì)應(yīng)閥門開度變化量，閥門開大的趨勢(shì)時(shí)，[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(shì)時(shí)，[u（k）]的值為“負(fù)”，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(shè)計(jì)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(shè)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(yuǎn)高于設(shè)定水位，一般高于設(shè)定水位，微高于設(shè)定水位，等于設(shè)定水位，微低于設(shè)定水位，一般低于設(shè)定水位，遠(yuǎn)低于設(shè)定水位。并把輸入偏差對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篍={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6，}。另一個(gè)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(fù)偏差變化過快，負(fù)偏差的變化較快，負(fù)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(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篍C={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}本設(shè)計(jì)將模糊控制系統(tǒng)的輸出量變化用模糊集U來表示，并設(shè)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(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篣={-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(shè)計(jì)的模糊控制器的控制規(guī)則：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng) EC 為正時(shí)，此時(shí)偏差大于上一時(shí)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(shì)，則應(yīng)當(dāng)關(guān)閉水閥以減小入水量，使得水位下降；當(dāng)EC為負(fù)時(shí)，表示此時(shí)偏差小于上一時(shí)間段偏差，如果此時(shí)鍋爐汽包水位高于設(shè)定值，則水位有下降趨勢(shì)，應(yīng)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(duì)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(qiáng)大的功能，它在應(yīng)用中顯現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)將逐漸取代常規(guī)儀表，DCS系統(tǒng)使機(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)送給操作人員，操作人員能通過人機(jī)界面來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行非?？焖俚恼{(diào)整。

如圖3所示為本設(shè)計(jì)方案的 DCS 控制系統(tǒng)配置圖。工程師站、若干臺(tái)操作員站、若干個(gè)控制柜、冗余服務(wù)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(yùn)行數(shù)據(jù)。操作員只有部分權(quán)限，對(duì)各自管理的鍋爐運(yùn)行系統(tǒng)部分進(jìn)行操作 [4]。

2.2 鍋爐DCS水位控制基本功能

本文設(shè)計(jì)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(bào)警及保護(hù)、日志管理服務(wù)及人機(jī)界面功能。

根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的工作流程，在DCS系統(tǒng)人機(jī)界面上繪制相應(yīng)的流程圖。在工藝流程上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，顯示被測(cè)水位，蒸汽溫度等信號(hào)。在主界面上添加按鈕來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開啟、關(guān)閉等開關(guān)量的操作。對(duì)于變頻器、調(diào)節(jié)閥或伺服控制器這類設(shè)別，在人機(jī)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(shè)備有關(guān)的工藝參數(shù)，通過事先設(shè)定好的運(yùn)算法則來完成自動(dòng)控制。在緊急情況還可以通過手/自動(dòng)切換來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)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(fēng)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(jī)界面如圖4所示。

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

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)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(yùn)行的同時(shí)，采用 DCS 技術(shù)對(duì)鍋爐各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理，可以減輕工作人員負(fù)擔(dān)，保證鍋爐燃燒充分，安全有效，減少污染氣體排放。

參考文獻(xiàn)：

[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(shè)計(jì)[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(dòng)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(yīng)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(shè)計(jì)研究[J].自動(dòng)化儀表，2012（1） .

[5] 曹夢(mèng)婷.循環(huán)流化床鍋爐 DCS 控制方案[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，10（5）.endprint

DCS 具有強(qiáng)大的功能，它在應(yīng)用中顯現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)將逐漸取代常規(guī)儀表，DCS系統(tǒng)使機(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)送給操作人員，操作人員能通過人機(jī)界面來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行非?？焖俚恼{(diào)整。

如圖3所示為本設(shè)計(jì)方案的 DCS 控制系統(tǒng)配置圖。工程師站、若干臺(tái)操作員站、若干個(gè)控制柜、冗余服務(wù)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(yùn)行數(shù)據(jù)。操作員只有部分權(quán)限，對(duì)各自管理的鍋爐運(yùn)行系統(tǒng)部分進(jìn)行操作 [4]。

2.2 鍋爐DCS水位控制基本功能

本文設(shè)計(jì)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(bào)警及保護(hù)、日志管理服務(wù)及人機(jī)界面功能。

根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的工作流程，在DCS系統(tǒng)人機(jī)界面上繪制相應(yīng)的流程圖。在工藝流程上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，顯示被測(cè)水位，蒸汽溫度等信號(hào)。在主界面上添加按鈕來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開啟、關(guān)閉等開關(guān)量的操作。對(duì)于變頻器、調(diào)節(jié)閥或伺服控制器這類設(shè)別，在人機(jī)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(shè)備有關(guān)的工藝參數(shù)，通過事先設(shè)定好的運(yùn)算法則來完成自動(dòng)控制。在緊急情況還可以通過手/自動(dòng)切換來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)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(fēng)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(jī)界面如圖4所示。

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

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)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(yùn)行的同時(shí)，采用 DCS 技術(shù)對(duì)鍋爐各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理，可以減輕工作人員負(fù)擔(dān)，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(shè)計(jì)研究[J].自動(dòng)化儀表，2012（1） .

[5] 曹夢(mèng)婷.循環(huán)流化床鍋爐 DCS 控制方案[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，10（5）.endprint

DCS 具有強(qiáng)大的功能，它在應(yīng)用中顯現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)將逐漸取代常規(guī)儀表，DCS系統(tǒng)使機(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)送給操作人員，操作人員能通過人機(jī)界面來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行非?？焖俚恼{(diào)整。

如圖3所示為本設(shè)計(jì)方案的 DCS 控制系統(tǒng)配置圖。工程師站、若干臺(tái)操作員站、若干個(gè)控制柜、冗余服務(wù)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(yùn)行數(shù)據(jù)。操作員只有部分權(quán)限，對(duì)各自管理的鍋爐運(yùn)行系統(tǒng)部分進(jìn)行操作 [4]。

2.2 鍋爐DCS水位控制基本功能

本文設(shè)計(jì)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(bào)警及保護(hù)、日志管理服務(wù)及人機(jī)界面功能。

根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的工作流程，在DCS系統(tǒng)人機(jī)界面上繪制相應(yīng)的流程圖。在工藝流程上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，顯示被測(cè)水位，蒸汽溫度等信號(hào)。在主界面上添加按鈕來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開啟、關(guān)閉等開關(guān)量的操作。對(duì)于變頻器、調(diào)節(jié)閥或伺服控制器這類設(shè)別，在人機(jī)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(shè)備有關(guān)的工藝參數(shù)，通過事先設(shè)定好的運(yùn)算法則來完成自動(dòng)控制。在緊急情況還可以通過手/自動(dòng)切換來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)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(fēng)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(jī)界面如圖4所示。

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

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)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(yùn)行的同時(shí)，采用 DCS 技術(shù)對(duì)鍋爐各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理，可以減輕工作人員負(fù)擔(dān)，保證鍋爐燃燒充分，安全有效，減少污染氣體排放。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 梁長志.工業(yè)鍋爐DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].自動(dòng)化儀表，2012（1） .

[5] 曹夢(mèng)婷.循環(huán)流化床鍋爐 DCS 控制方案[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，10（5）.endprint