基于中控ECS—700系統的動力站軟件系統的設計

張國民

摘 要：文章簡要概述了控制系統組態及組態軟件VisualField。在此基礎上，分析了鍋爐汽包水位控制、蒸汽壓力控制、燃燒控制、爐膛負壓控制等模擬量控制系統。

關鍵詞：鍋爐控制系統；中控ECS-700；DCS

1 概述

1.1 控制技術及DCS技術簡介

隨著自動化技術的飛速發展，在石化、電力、冶金等連續過程工業中，自動化裝置已成為決定企業生產效益的核心。過程控制技術已經成為衡量一個國家工業發展水平的重要標志。由于工業過程本身的特點和各類擾動導致的不確定性，使得過程控制十分復雜。同時由于工業技術的發展和生產工藝的提高，人們對工業過程的要求也隨之提高。

1.2 鍋爐設備特點及控制發展歷程

目前在國內主流采用了DCS、FCS等先進的控制技術。日益顯著的能源問題和不斷擴大的生產規模迫使鍋爐控制技術進行變革。工業鍋爐具備非線性、多輸入輸出、內部關聯強、隨機擾動頻繁等特征，且具有明顯的時間滯后特性[1]。20世紀50年代為鍋爐控制的純手動控制階段，整個系統的運作完全是鍋爐操作人員憑借生產實踐經驗通過手動操作來完成的。鍋爐控制系統使用經典控制理論，研究系統多為單輸入和單輸出的線性定常系統，研究方法主要有傳遞函數、頻率特性分析、根軌跡法等[2]。60至70年代，工業控制中開始出現以現場儀表和傳感器等構成的控制系統，該系統成本低，易維護，可靠性高，可以適應工業生產設備的日益大型化與連續化需要，在工業控制中得到了廣泛應用。但鍋爐控制系統絕大多數仍被當作單輸入單輸出系統，并采用經典控制理論的方法進行控制。由于單元組合儀表存在低精度和低可靠性的特點，因此只能采用簡單的控制算法和技術。70年代后，單片機、PLC和工控機在工業生產過程中得到了廣泛應用，計算機控制系統可以提高控制精度和運算速度，并且具有較強的記憶功能，能夠進行分時操作、邏輯判斷[3]。控制理論發展為現代控制理論，從線性定常系統擴展為非線性時變系統，現代控制理論可以解決多輸入多輸出（MIMO）問題，為生產實際中遇到的一些復雜問題提供了解決方法。21世紀以來，為鍋爐自動化控制系統的集成化管理、網絡化監控和遠程控制的智能控制階段，當環境或過程參數改變時，系統可以及時做出判斷，并且選擇最優的控制決策。較好的鍋爐控制理論包括傳統PID控制，智能控制理論 （如模糊控制系統、專家控制系統和神經網絡控制系統等），以及與傳統控制方式相結合的控制策略[4]。智能控制階段，解決了傳統控制算法無法解決的問題，具有滿意的應用效果和廣闊的應用前景。

1.3 鍋爐裝置控制目標

安全、穩定、準確、經濟是工業過程控制追求的目標。鍋爐控制系統的主要目標是確保產生蒸汽的溫度、壓力等參數滿足負荷需求，同時維持爐膛負壓和汽包水位的穩定性以保證安全運行，此外要使燃燒充分，以提高生產率、防止環境污染。

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量，是鍋爐裝置安全生產的重要指標。水位過高會導致產生蒸汽帶液現象，飽和水蒸氣溫度快速下降，使得管壁上的結垢增加，蒸汽質量降低，進一步影響鍋爐經濟和安全生產；水位過低會影響汽水循環，使汽包內的水量減少甚至全部汽化，可能會引發水冷壁管的破裂，導致干鍋，損壞汽包，造成重大事故。

1.3.2 維持蒸汽壓力在預定值

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

1.3.3 保持爐膛負壓范圍

爐膛負壓衡量鍋爐系統引風量與送風量的關系。爐膛負壓太小，會導致爐膛內熱煙氣甚至火焰向外冒出，對設備和人員安全構成威脅；負壓太大會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

由于項目中的鍋爐是與汽輪機配套使用的，過熱蒸汽溫度過高或過低都會影響汽輪機正常工作，一般要求過熱蒸汽溫度波動保持在±5℃之內。

1.3.5 維持鍋爐燃燒的經濟性

空燃比是用于衡量鍋爐熱效率的指標。空氣過少會使燃燒不完全，降低燃燒效率；空氣過多，會導致熱量流失。因此，必須將空氣和燃料比例控制在一個適當的范圍，在使得燃料煤充分燃燒的基礎上，又不造成過多的熱損失，從而提高鍋爐燃燒經濟性。

從上述鍋爐控制需求可以看出，鍋爐控制系統的模擬量控制需包含給水控制系統、鍋爐負荷控制系統、爐膛壓力控制系統、過熱蒸汽控制系統等。同時，依托于項目實際需求，系統設計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。

根據鍋爐裝置控制要求與本廠實際生產需要，鍋爐控制系統需包括人機接口、數據通訊系統、數據采集功能（DAS）、模擬量控制功能（MCS）、順序控制功能（SCS）和鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）等部分。

2 軟件設計

本項目DCS的組態應用VisualField（簡稱VF）系統軟件，對汽包水位控制、蒸汽壓力控制、爐膛負壓控制等模擬量控制系統進行了組態設計，在ECS-700系統中完成系統組態和實時監控等功能。包括組態邏輯設計和人機畫面設計兩部分。

模擬量控制系統是DCS中重要的控制系統，平穩運行時需要控制參數在合理的數值范圍內；發生擾動時也不能偏離給定值過大，需能實現正常的系統功能。模擬量控制系統在調節過程中要求實現控制的穩定性、快速性、準確性。本項目模擬量控制系統主要包括汽包水位控制、蒸汽壓力控制、經濟燃燒控制、爐膛負壓控制等。

2.1 系統組態概述

系統組態指在工程師站上為控制系統設定各項軟硬件參數。DCS具有通用性和復雜性，因此，系統的許多功能及匹配參數需據具體場合而定。圖1為系統組態流程。

2.2 VisualField系統軟件

本項目DCS的組態應用VisualField系統軟件，針對系統的工藝要求，循序漸進地完成系統組態。VisualField（簡稱VF）系統軟件基于Windows操作系統，是一個自動控制應用軟件平臺，在ECS-700系統中完成系統組態和實時監控等功能。在系統結構上支持控制分域和操作分域，支持多人組態，支持單域導入導出、單控制站導入導出、單控制站組態備份、支持在線調試和在線下載，支持多個數據庫。VisualField軟件包具有系統組態軟件和系統監控軟件。系統組態功能由系統組態軟件、位號組態軟件、組態管理軟件、控制方案組態軟件、監控組態軟件共同完成。

2.3 鍋爐汽包水位控制系統

由于只有保持鍋爐汽包水位在一定的范圍內，鍋爐才能安全運行，因此，鍋爐汽包水位是一個十分重要的被調量。鍋爐汽包水位調節即通過使給水量和蒸發量維持一定關系，從而保證汽包水位在規定的范圍內變化。

本項目汽包水位控制采用串級三沖量控制，即控制汽包水位、給水流量、蒸汽流量三個量來達到控制汽包內的水位的目的。工作原理如圖2所示，控制系統框圖如圖3所示。該系統為前饋-串級控制，主回路為定位調節系統，副回路為隨動調節系統。主調節器根據對象操作條件和負荷情況的變化隨時校正副調節器的給定值，最終保持主參數恒定。其中，汽包水位是主變量，給水流量是副變量，蒸汽流量信號作為前饋信號。

2.4 鍋爐蒸汽壓力控制系統

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

2.4.1 燃料量改變時蒸汽壓力變化的動態特性（內擾特性）

鍋爐正常運行時，進入爐膛的燃料量發生變化幾乎會立即引發爐膛發熱量改變，近似為比例環節。蒸發部分類似于一個儲熱容器，汽包壓力P用于衡量儲熱量多少。當蒸汽流量D所帶走的熱量和爐膛發熱量Q不等時，汽包壓力P就會發生變化。若用汽量D不變，燃料量改變產生內擾，此時蒸汽壓力成積分規律變化；若用汽設備調節閥開度不變，則隨著汽壓P升高，蒸汽流量也將增加，此時蒸汽壓力呈指數規律變化，當蒸汽流量帶走的熱量等于燃料量增加的熱量時，蒸汽壓力重新穩定于一個新的數值，系再次平衡。

2.4.2 蒸汽流量改變時蒸汽壓力變化的動態特性（外擾特性）

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

蒸汽調節閥開度突然開大，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到原值。即平衡狀態下，燃料量不變時鍋爐供應的蒸汽流量也不變。

若蒸汽流量保持增大后的用量，由于燃料量沒有增加，會導致熱量不平衡，使蒸汽壓力持續下降。此時，只有改變燃料量使產熱和耗熱相平衡，才能恢復保持鍋爐的蒸汽壓力。

爐膛溫度比蒸汽壓力超前很多，且慣性時間常數較小。因此，文章對蒸汽壓力的控制采用串級控制系統，爐膛溫度為副控參數、蒸汽壓力為主控參數。爐膛溫度模型近似為一個慣性環節和滯后環節的串聯，而蒸汽壓力模型近似為一個積分環節和滯后環節的串聯。蒸汽壓力控制系統結構如圖4所示。

2.5 鍋爐經濟燃燒控制系統

鍋爐燃燒控制要實現燃燒經濟性，保證獲得較高的燃燒效率，達到節能降耗的目的。燃燒的效率高低難以直接測量，煙氣成分分析方法滯后時間較長，常用煙氣中的含氧量作為表示指標，滯后時間較短[5]。確保最佳的風煤比是鍋爐系統最重要的技術指標之一，是鍋爐能否最佳燃燒的關鍵保證，風煤比過低會導致燃煤燃燒不完全，造成熱量損失和環境污染；風煤比過高，會造成大量的熱量損失在排放的煙氣中。鍋爐燃燒時的熱量損失與過剩空氣系數密切相關，如圖5所示。為了能夠保證充分燃燒，同時防止風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。雙交叉控制系統如圖6所示。

2.6 鍋爐爐膛負壓控制系統

爐膛負壓通過改變引風量和送風量進行調節，在改變送風調節閥和引風調節閥的開度后，這兩個被控量立即改變，其動態特性可看作是一個慣性環節和一個純滯后時間很小的滯后環節的串聯。爐膛負壓回路的擾動是鼓風的擾動，其結構如圖7所示。

參考文獻

[1]田野.基于西門子S7-200鍋爐燃燒控制系統的設計與開發[D].東北大學，2008.

[2]王善武.中國工業鍋爐行業現狀分析及前景展望[J].工業鍋爐， 2004（1）：1-9.

[3]蔡凌，等.鍋爐控制系統中PLC和單片機通信設計[J].儀器儀表學報，2008（z1）：696-697.

[4]潘祥亮，羅利文.模糊PID控制在工業鍋爐控制系統中的應用[J]. 工業爐，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.