DCS在鍋爐監(jiān)控中的應(yīng)用

侯 慧， 劉宇航

（內(nèi)蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017314）

引言

集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS）從誕生以來其產(chǎn)品在工業(yè)大生產(chǎn)和民用工程自動(dòng)化應(yīng)用中的主要地位優(yōu)勢(shì)越來越明顯。如今社會(huì)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，各種規(guī)模不同、類型不同的DCS在各個(gè)行業(yè)和各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是自動(dòng)化與信息化不斷融合更加促進(jìn)了集散控制系統(tǒng)的發(fā)展。工業(yè)鍋爐是極為重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，我國的鍋爐生產(chǎn)和使用量在世界上排在首位，通過自動(dòng)控制提高鍋爐效率，并且降低其污染物的排放，減少能源的巨大浪費(fèi)，是我國工業(yè)鍋爐努力追求的目標(biāo)。本文采用Honeywell公司Experion PKS系統(tǒng)對(duì)鍋爐過程進(jìn)行自動(dòng)控制和狀態(tài)監(jiān)視。

1 鍋爐過程工藝

鍋爐的目的是提供蒸汽的裝置，鍋爐設(shè)備主要是由“鍋”和“爐”兩部分組成的。作為汽水系統(tǒng)的“鍋”，其主要任務(wù)是吸收燃料放出的熱量，使水加熱、沸騰并最后變成具有一定參數(shù)的過熱蒸汽。作為燃燒系統(tǒng)的“爐”，主要任務(wù)是使燃料在爐內(nèi)良好地燃燒，釋放熱能。鍋爐過程系統(tǒng)包括燃料燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等，工藝流程如圖1所示。

2 鍋爐過程控制方案

2.1 汽包水位三沖量串級(jí)控制方案

此種控制是由主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器和三個(gè)沖量（給水流量、汽包水位、蒸汽流量）構(gòu)成的。其中，主調(diào)節(jié)器為汽包水位調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器為給水流量調(diào)節(jié)器，蒸汽流量為前饋信號(hào)。實(shí)際上此控制系統(tǒng)應(yīng)該準(zhǔn)確地叫做為三沖量前饋—反饋串級(jí)控制系統(tǒng)。這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)是：倘若蒸汽流量突然變化，控制系統(tǒng)將提前于水位的偏差進(jìn)行前饋控制，并且它能夠通過控制調(diào)節(jié)閥的給水流量來跟蹤蒸汽流量的變化，從而維持進(jìn)出汽包的物料平衡，進(jìn)而抑制水位的動(dòng)態(tài)偏差有效地克服虛假水位對(duì)系統(tǒng)的影響。假如說蒸汽流量不變，則由給水流量作為副被控量構(gòu)成一個(gè)副回路，這樣可及時(shí)消除給水壓力波動(dòng)引起的給水流量的波動(dòng)。汽包水位作為此種控制系統(tǒng)的主被控量，主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。在控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，主調(diào)節(jié)器根據(jù)水位偏差設(shè)定給水流量的值；當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，主調(diào)節(jié)器可使汽包水位等于設(shè)定值，三沖量控制流程圖如圖2所示。

圖1 鍋爐工藝流程圖

圖2 三沖量控制流程圖

2.2 過熱蒸汽溫度控制方案

針對(duì)存在的問題，設(shè)計(jì)簡單控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)工藝的要求。為此，為了保證控制質(zhì)量需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)。一種可行的控制方案就是設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的串級(jí)控制系統(tǒng)。這種類型的控制系統(tǒng)是將減溫器后的蒸汽溫度信號(hào)作為副被控參數(shù)構(gòu)成一個(gè)副控制回路。由于慣性小當(dāng)減溫水自身出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，通過副回路能馬上做出調(diào)節(jié)[1]。當(dāng)主蒸汽溫度因受其他干擾而偏離我們的給定值時(shí)，主回路的溫度傳感器又可以將溫度信號(hào)反饋回控制器，主調(diào)節(jié)器發(fā)出控制指令調(diào)節(jié)副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器動(dòng)作輸出控制信號(hào)控制調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而使主汽溫在允許范圍之內(nèi)波動(dòng)，使控制質(zhì)量得到保證，過熱蒸汽溫度控制流程圖如圖3所示。

圖3 過熱蒸汽溫度控制流程圖

2.3 鍋爐燃燒過程控制方案

燃料供應(yīng)量的波動(dòng)與蒸汽負(fù)荷的變化是影響蒸汽壓力的主要外界因素。較小的燃料波動(dòng)情況或?qū)?jīng)濟(jì)性要求不高的場合可以采用調(diào)節(jié)燃料量以控制蒸汽壓力的簡單控制方案。倘若燃料量波動(dòng)較大、又—比值控制方案。由于這種控制方式的燃料量是伴隨著蒸汽負(fù)荷而變化，應(yīng)把它作為主動(dòng)量，因此送風(fēng)量就為從動(dòng)量。要實(shí)現(xiàn)燃燒的充分性和經(jīng)濟(jì)性的要求，如果蒸汽負(fù)荷突然減小、壓力增大時(shí)，通過低值選擇器LS先減少燃料量，然后再減少空氣量，這樣可以避免燃料的浪費(fèi)。另外倘若蒸汽的負(fù)荷增加、壓力減小的時(shí)候，又可以采用高值選擇器HS先增大空氣供應(yīng)量，再加大燃料量，讓燃燒更為充分[2]。

因?yàn)閷?duì)安全性有要求，所以需要對(duì)鍋爐負(fù)壓進(jìn)行控制。一般采用送風(fēng)量與引風(fēng)量組成的串級(jí)控制系統(tǒng)，不過送風(fēng)量的變化總會(huì)落后于蒸汽壓力的變化，系統(tǒng)延遲較大，調(diào)整控制的方案為采用蒸汽壓力與引風(fēng)量構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，可以很好地消除蒸汽壓力波動(dòng)送風(fēng)量變化引起的爐膛壓力變化。由于在燃燒經(jīng)濟(jì)性控制過程中使用了串級(jí)比值選擇控制方案，若再對(duì)負(fù)壓采用串級(jí)控制由于兩個(gè)控制系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)相互耦合，會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。鑒于這種因素，采用了單閉環(huán)控制方案，通過爐膛壓力檢測(cè)控制引風(fēng)量，從而保證爐、膛負(fù)壓的要求，燃燒過程控制流程見圖4。

3 DCS總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用霍尼韋爾公司的Experion PKS，見系統(tǒng)構(gòu)建圖5，系統(tǒng)組件包括如下內(nèi)容。

圖4 燃燒過程控制流程圖

1）現(xiàn)場控制站。采用PKS系統(tǒng)的C300系列的冗余控制器。負(fù)責(zé)接受變送器信號(hào)和傳輸DCS執(zhí)行信號(hào)給執(zhí)行器。

2）操作站。選用Dell工作站T3600平臺(tái)和霍尼韋爾專用（OEP）操作員鍵盤。主要負(fù)責(zé)監(jiān)控鍋爐控制狀況。

3）FDM服務(wù)器。選用Dell服務(wù)器T320平臺(tái)，采集現(xiàn)場HART智能儀表的配置信息和診斷信息，并統(tǒng)一對(duì)現(xiàn)場表進(jìn)行組態(tài)配置。

4）Experion服務(wù)器。選用Dell服務(wù)器T320平臺(tái)（兼做工程師站）。主要負(fù)責(zé)組態(tài)、編程。

5）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)采用霍尼韋爾專利權(quán)的容錯(cuò)以太網(wǎng)FTE，由兩個(gè)Cisco Catalyst 2960交換機(jī)組網(wǎng)，提供100 Mb傳輸速率。操作員站、工程師站等設(shè)備直接連接到FTE控制網(wǎng)上，DCS控制器通過防火墻連接到FTE控制網(wǎng)上。

4 DCS組態(tài)

4.1 程序組態(tài)

圖5 Experion PKS系統(tǒng)構(gòu)建圖

控制策略的組態(tài)軟件Control Builder是一種圖形化的面向?qū)ο?，基于窗口的工程工具，用于控制處理器的控制?zhí)行環(huán)境和應(yīng)用控制環(huán)境中的控制策略的設(shè)計(jì)、組態(tài)和實(shí)施[3]。用于硬件組態(tài)如網(wǎng)絡(luò)、IO模塊、控制器、現(xiàn)場設(shè)備，以及程序組態(tài)所有連續(xù)的、邏輯的、電機(jī)控制的、順序的、批量的以及先進(jìn)的控制功能。Honeywell提供的各種功能塊，用以實(shí)現(xiàn)不同控制功能。每一個(gè)功能塊帶有一系列的參數(shù)，用于直觀顯示該功能塊所具有的作用。功能塊之間的互聯(lián)，可以通過“軟接線”的方式非常方便地實(shí)現(xiàn)以構(gòu)筑控制策略或應(yīng)用。PID組態(tài)畫面見下頁圖6。

圖6 PID控制回路組態(tài)畫面

4.2 畫面制作

流程圖畫面組態(tài)HMIWeb Display Builder是面向?qū)ο蟮?，全集成化的用戶畫面組態(tài)工具，用于生成用戶專用的顯示圖形畫面。動(dòng)態(tài)顯示可以簡單地通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊組態(tài)迅速生成。系統(tǒng)還提供一個(gè)圖形庫含有如容器、管道、閥門、罐、馬達(dá)等通用的工廠設(shè)備，幫助用戶進(jìn)一步加快圖形設(shè)計(jì)的速度。此外，對(duì)于一些多處用到的相似畫面，可以用模板畫面的功能減少組態(tài)時(shí)間，通過使用腳本程序可以顯著地增強(qiáng)圖形畫面功能。如高速動(dòng)畫、工具提示、控制操作站作用等都可以通過腳本程序完成。鍋爐控制的控制界面見圖7。

圖7 鍋爐控制界面

5 結(jié)語

在鍋爐過程控制中，由于牽涉的控制系統(tǒng)比較龐大，涉及的控制回路，控制方案比較復(fù)雜，在鍋爐汽包水位控制、鍋爐燃燒過程控制、過熱蒸汽溫度控制等方案中涉及的控制通道較多，用簡單的控制器難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制方案，而且在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控比較繁瑣，可靠性低不利于操作。內(nèi)蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司采用了Honeywell公司的DCS進(jìn)行控制使控制過程便于操作監(jiān)控，使控制系統(tǒng)盡量滿足控制要求。采用分散控制、集中管理、系統(tǒng)畫面監(jiān)控報(bào)警功能更是保證生產(chǎn)的安全經(jīng)濟(jì)，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫更便于實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化，提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1]潘永湘，楊延西，趙躍.過程控制與自動(dòng)化儀表：第2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：253-274.

[2]華東六省一市電機(jī)工程（電力）學(xué)會(huì).鍋爐設(shè)備及其系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2006：54-112.

[3]周榮富，陶文英.集散控制系統(tǒng)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011：140-195.