工業鍋爐控制系統的計算機仿真

龔 斌， 孟傳民

（1.上海長江儀器設備成套廠，上海200080；2.上海電氣集團股份有限公司工程公司，上海201100）

計算機仿真是借助高速、大存儲量數字計算機及相關技術，對復雜真實系統的運行過程或狀態進行數字化模擬，在工科院校自動化專業，利用計算機仿真技術對工業鍋爐的控制過程進行仿真，既可以讓操作者有直觀認識，又可以降低控制系統的研制成本，提高實驗、調試及訓練過程中的安全性［1］。工業鍋爐的控制系統，是一個在線的實時過程控制系統，能對鍋爐的給水、引風、送風、爐排、汽壓、氧量、汽溫、減溫減壓、除氧器水位、除氧壓力等進行自動控制，它被廣泛應用于電力、供熱、工廠蒸汽生產等領域。在工科院校自動化專業以及一些職業培訓學校為了給學生有個直觀的了解控制過程和原理，需要進行實際的操作，整套系統如果用實際鍋爐，一方面體積膨大，投入大；另一方面受訓者如果操作不當會帶來危險。我廠為原上海第二工業大學電子電氣工程系設計制作一套利用計算機仿真鍋爐控制系統，很好的解決了操作實踐中存在的問題，能更好的以低成本為受訓者提供實訓的機會。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

以鏈條式鍋爐為仿真對象，由工業控制計算機（Industrial Personal Computer，IPC）、接口板和執行機構等組成鍋爐自動控制計算機仿真硬件系統，并運用計算機控制技術以及組態王軟件編程［2］，實現了以工業鍋爐為被控對象的計算機仿真。主控和被控計算機畫面圖見圖2和圖3。

圖2 主控計算機

1 鍋爐仿真控制系統組成

計算機控制系統通常由控制計算機和被控對控制，由于控制量是控制系統的輸出，被控量的變動著的值又反饋到控制系統的輸入端，與系統的給定值相減，構成了閉環負反饋系統［3］。根據此原理，設計出計算機仿真鍋爐控制系統的基本框圖（見圖4）。

圖3 被控計算機

圖4 控制系統基本框圖

本系統由主控計算機、被控計算機（仿真鍋爐測量與變送元件）及接口板即模擬量數字量轉換（Analog to Digital，A／D）板 、數字量模擬量轉換（Digital to Analog Converter，D／A 轉換）板、執行機構和手動操作部分組成。主控計算機是系統的核心，對鍋爐的信號按工藝要求進行控制；被控計算機用于模擬實際的工業鍋爐產生的液位、流量、壓力和溫度等物理量的信號；手動操作部分是對被控對象進行手動操作，由于受條件的限制，本系統的手動操作部分只是對模擬的爐排轉速、進水流量、進風檔板等進行操作，并對系統內的溫度、液位等進行顯示和超限報警［4］。

系統為直接數字控制（Direct Digital Control，DDC）系統［5］（見圖4）。系統中，計算機首先通過測量單元實時采集數據，然后按照一定的控制規律進行計算，最后發出控制信息，并通過計算機輸出通道直接控制執行機構。在DDC控制系統中，微機不僅完全取代了模擬調節器，實現多回路的比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）調節，不需要改變硬件，只通過改變程序就能有效地實現較復雜的控制。DDC系統屬于計算機閉環控制系統，是計算機在工業生產過程中最普遍的一種應用方式。

2 算法的確定

2.1 鍋爐運行過程控制信號分析

鍋爐自動控制系統主要由汽壓控制、水位控制和爐壓控制3個回路組成。從汽壓控制回路分析，煤量增加可以使爐膛溫度升高，使蒸氣產量增加，從而使蒸汽壓力提高，調節煤量，可起到控制汽壓的作用；同樣，適當調節送風與引風，可使爐膛保持在負壓狀態；而對水位控制回路，調節進水量，可控制水位。

2.2 鍋爐仿真算法

由于是對實際被控對象的仿真，在此根據鍋爐工作過程的特性，對系統作了一些簡化，并假定煤量對應爐膛溫度、爐膛溫度對應產生的蒸汽增量、蒸汽的增量對應蒸汽壓力、蒸汽體積增量對應汽包水位、爐膛風量增量對應爐膛負壓等環節為一階環節，即：

式中，Yk為蒸汽產出量；Xk為煤的加入量；Yk－1為前一次的蒸汽產出量；α值在0～1之間選擇。α取值大，則Yk上升速率快，反之則慢，具體根據實驗確定。

2.3 控制算法

2.3.1 比例積分調節

比例積分調節器的控制規律為

式中，K為比例系數；e為偏差；Ti為積分時間；U0為初值。PI調節器對于偏差的階躍響應除按比例變化的成分外，還帶有累積的成分。只要偏差e不為零，它將通過積分作用影響控制量U，并減小偏差直至偏差為零，控制作用不再變化，系統才能達到穩態；因此，積分環節的加入將有助于消除系統靜差，增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調，提高穩定性［6］。

2.3.2 數字PI控制算法

由于計算機是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，故采用數值計算的逼近方法。而PI的數字控制算法為

此算法提供了執行機構的位置Ui，所以稱其為位置式PI控制算法［7］。只要采樣周期T取得足夠小，這種逼近可相當準確，能使被控過程與連續控制過程十分接近。

3 系統硬件構成

鏈條式鍋爐的運行是連續式的，因而微機控制系統必定是一個實時控制系統。此仿真控制系統硬件構成如圖5所示。

圖5 硬件構成圖

3.1 微機和控制柜

主控和被控微機均采用PC工控機，控制柜采用KTX系列的斜型操縱臺。

3.2 執行機構

執行機構采用DFD－1000（DDZ－Ⅲ型）電動操作器和FC－Ⅲ型伺服放大器。

3.2.1 DFD－1000型電動操作器功能及特性

應用DFD－1000型電動操作器可實現。

（1）自動系統由“自動→手動”或“手動→自動”工作狀況的無擾動切換，即工作狀況由“手動”切到“自動”，調節系統的執行機構在原有手動操作位置上進行調節；工作狀況由“自動”切到“手動”，手動操作時執行機構在自動調節時的原有位置上進行操作。

（2）配有69C電流表，可以指示閥位電流，其主要特性為：① 電源電壓。220V，50HZ。② 開關觸頭額定容量。主回路500V，15A；信號回路110V，2A。③ 跟蹤電壓。1～5V，DC。

3.2.2 FC－Ⅲ型伺服放大器

（3）此元件是電動執行機構的配套輔件，其主要特性有：① 輸入信號。4～20mA，DC。② 輸入電阻。250Ω。③ 死區可調節范圍。1%～3%。④ 額定負載電流。5A（交流有效值）。⑤ 工作電源。220V，50HZ。

3.3 XMT－1100型智能數顯表

3.3.1 儀表工作原理

儀表由模擬、數字電路組成和鍵盤操作顯示電路。其中，模擬電路由采樣單元、信號轉換單元、A／D轉換單元以及相應控制電路組成。數字電路由專用CPU及各種接口電路組成。鍵盤操作顯示電路由鍵盤、數碼管、發光二極管組成。輸入信號通過掃描，以每點0.5s速度進行采集，根據采集信號放大以后，由積分型模數轉換器轉換成數字信號，經過一系列數字運算處理后，然后將結果送顯示單元，繼電器輸出或聲光報警。

3.3.2 主要特點

（1）多量程輸入

可任意選用20種標準規格的熱電偶、熱電阻或直流信號作為儀表的測量輸入規格，通用性極強。

（2）刻度變換功能

可將直流電壓、電流值，經數學運算處理，按規定刻度（標度）轉換為對應的實際物理量。

（3）多種報警功能

儀表配置2個報警點，報警方式分為上限或下限可供選擇。

（4）記憶功能

應用E2PROM技術，設定數據可保存。

3.3.3 主要技術指標

（1）儀表基本誤差限±0.5%。

（2）輸入信號

熱電偶型：K，E，S，B，J，T，EA，N；

直流電壓：0～20mV，0～100mV，0～500mV，0～5V，1～5V；

直流電流：0～10mA，0～20mA，4～20mA；

熱電阻型：Pt100，Cu100，Cu50。

（3）輸出信號：儀表可附加模擬量輸出（0～10mA，4～20mA，0～5V，1～5V）。

（4）信號線聯接：熱電阻三線制接法，熱電偶以及電壓信號、電流信號二線聯接。

（5）顯示方式：顯示部分4位LED顯示。

（6）顯示內容：顯示被測值帶小數點。

（7）輸入電阻：DC 0～10mA，100Ω；

DC 4～20mA，100Ω。

（8）報警方式：上限、下限任選。

（9）報警輸出：繼電器觸點輸出（負載容量AC220，1A）。

3.4 接口板

采用ADVANTECH 公司PC－LabCard系列產品。其中D／A為PCL－727，A／D為PCL－818L。

3.4.1 PCL－727D／A 輸出板

PCL－727提供12路模擬信號輸出通道，每一通道可以根據輸出信號的范圍單獨配置，對于工作在惡劣環境下，具有多路模擬電壓或電流的輸出通道的工業應用，PCL－727無疑是一個較理想和經濟的解決途徑。其主要特性如下。

（1）12路D／A輸出通道；

（2）12位D／A轉換精度；

（3）多重輸出范圍：0～10V，0～5V，±5V，4～20mA；

（4）線性度：±1LSB；

（5）16路數字輸出和16路輸入通道（TTL）。

3.4.2 PCL－818LA／D 輸出板

PCL－818L是一塊具有高性能的多功能數據采集卡，能與各類計算機和工控機相兼容。它提供5種測量和控制功能，即12位A／D轉換和D／A轉換，數字輸入／輸出以及定時器／計數器。其基本特性如下。

（1）16路并端或8路差分方式模擬輸入；

（2）12位 A／D轉換，最大至40KHz的采樣率；

（3）觸發方式：軟件觸發、可編程調速觸、外部脈沖觸發；

（4）輸入范圍（雙極性，直流電壓）：±0.625，±1.25，±2.5，±5或±1.25，±2.5，±5，±10；

（5）精度：±1bit；

（6）線性度：±1bit。

3.4.3 跳線設置

3.4.3.1 PCL－727板

其中，“○”為off＝1，“●”為on＝0；

（2）輸出范圍的方式：0～5V信號輸出；

（3）輸出電源選擇：±15V／3mA。

3.4.3.2 PCL－818板

其中，“○”為off＝1，“●”為on＝0。

（2）DMA通道：通道3。

（3）通道配置：16路單端輸入。

（4）輸入電壓范圍：±5V。

3.4.3.3 端口板接線

PCL－727和PCL－818L都配有一塊端口板，用于輸入、輸出信號與外部的連接。其中PCL－727端口板為PCLD－880，PCL－818L為PCLD－8115。在控制計算機與被控計算機上都配置了這2塊板，其端口板信號線連接見圖6和圖7。

4 軟件開發

以Microsoft公司的Windows為系統操作平臺，采用北京亞控科技發展公司的組態王軟件開發應用程序。

組態王可與現場的I／O設備直接進行通訊。連接方法見圖8。

I／O設備的輸入提供現場的信息，例如產品的位置、機器的轉速、爐溫等。I／O設備的輸出通常用于對現場的控制，例如啟動電動機、改變轉速、控制閥門和指示燈等。有些I／O設備（例如PLC），其本身的程序完成對現場的控制，程序根據輸入決定各輸出的值。

程序設計力求界面友好，直觀、逼真地體現仿真效果，操作方便。在主控計算機上，通過系統軟手操及系統控制狀態切換，能分別對被控參數進行實時控制。

圖6 主控計算機端口板接線

圖7 被控計算機端口板接線

4.1 界面及動畫效果設計

4.1.1 界面設計

圖8 I／O設備通訊圖

本仿真系統在被控計算機上設計了一個工業鍋爐的模型，在模型中對工業鍋爐的一些主要的參數和部件進行了顯示。而在主控計算機上簡潔地顯示了一些主要的控制參數和幾個參數實時曲線，使整個控制顯得直觀明了（見圖3）。

4.1.2 動畫效果

包括爐排運動、排渣、爐火、煤閘、送風門、引風門、進水、蒸汽、汽包液面、數顯表、水位等。

5 結 語

鍋爐作為傳統能源轉換的一個裝置，如何對它進行有效的控制，提高它的安全操作性，降低它的能耗，是專業人員一直研究的課題，自從本系統安裝調試完成后，通過原上海第二工業大學電子電氣工程系幾屆學生操作實訓，特別是自控專業的學生，取得了比較明顯的效果。通過仿真系統操作，他們對閉環控制的理論和PID調節器有了比較深刻的理解，對鍋爐的控制過程也有了直觀的感性認識，為他們從事此類工作奠定了一定的理論基礎。但由于學校實驗室場地等條件的限制，只能做這些最基本的仿真和模擬操作。隨著學校條件的改善，在整個仿真系統中還可以增加諸如煙氣、除塵等參數的仿真控制，使整套系統更逼真，更貼近實際，從而更能縮短理論與實際之間的差距。

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