熱工模擬量控制培訓仿真平臺研發與應用

【摘 要】本文介紹了一種用于熱工培訓仿真功能的模擬量自動調節系統。針對目前熱工技能水平的現狀，從適用性和經濟性、可靠性考慮，整合現有資源，從一次元件的安裝，電纜的鋪設、輸入端子及模件的配置到程序的設計全盤考慮，本著熱控設計的冗余原則故障影響最小等5大原則進行全回路的考慮，設計了該系統，對熱工技能水平的提升有借鑒意義。

【關鍵詞】水位自動控制；PID參數整定；變送器；調節機構

一、現階段熱工技術與技能水平及問題

隨著火力發電廠單元機組單機容量向著越來越大發展的趨勢，熱工DCS自動化控制程度也越來越普遍，而且向著越來越智能化的方向發展，有些先進的機組甚至可以達到“一鍵啟停”的地步，因此熱控的工作重要性越來越凸顯，但工作量是越來越多，越來越繁雜，需要掌握的知識面越來越廣：需要全面了解熱力系統設備和控制策略設備。

優秀的熱工專業人員除了本專業的技術技能知識，應該對機、爐、電設備及機組的熱力系統機及運行專業都比較了解，才能及時判斷故障原因，因此熱工是一個全面綜合型人才，這就對熱工人員技能技術的提升產生了較高的要求。

一個合格的人員人員最少需要5年的經驗積累和自我提升，才能勝任絕大多數工作的需求。為了盡可能的促進人才的成長，熱工的專業技術技能培訓工作近年來也就越來越受到各電廠的重視。

目前，很多電廠都配備了專業的培訓人員和設備。專業人員一般由技術技能過硬的老師傅擔當；用于培訓的設備有的電廠已經配備用來培訓的平臺或基地，包括各種類型的熱工設備---執行機構、各種不同參數測量的儀表，甚至有同現場控制軟件高度一致的控制軟硬件，可以用來進行DCS/PLC等的組態、維護等一系列的培訓、仿真工作，為熱工人員專業水平的提升起到了重要的作用。

但熱工專業的自動調整控制是熱工的重點更是難點，可以說是熱工專業的精髓之一，特別是PID的參數的整定，關系著系統運行的安全性和經濟性。但該整定工作需要對相關參數有細致清晰的了解才能進行該項工作，否則極易造成事故。作為電廠的熱工維護人員絕大多數對該參數處于一種較模糊的認識，因為該參數通過電子電路實現運算功能，特別是當幾種參數疊加在一起時，所產生的的效果是較抽象復雜的，對于一般員工很難判斷。已投運的系統參數都已由調試單位整定過，只要設備、系統運行狀況不發生較大的改變，參數一般是不用調整的，但也有類似情況發生，當面對該種問題時，很多人感覺縮手無策，不知該如何是好，這就是沒有經驗（現場設備處于安全考慮在運行期間是不允許隨便改變參數的）和相應知識積累的結果。針對這種狀況，利用一套專門的系統設備來進行相關方面的知識經驗培訓積累就顯得很重要了。目前由于市場上已有對類似成品，但價格高昂，故一般電廠基本沒有配備。

為解決該問題，本文提供了一套自主設計制造安裝調試的模擬量控制調整系統平臺，該平臺制作成本相對低廉，且效果較好。

二、模擬量調整控制系統平臺研發背景

我廠于2017年建成并投入使用了一個熱工仿真實訓基地。配置有執行機構、常規的測量元件、線纜以及DCS、PLC等設備。原培訓基地可以進行熱工設備安裝、調試，施工工藝、電纜鋪設、DCS及PLC軟硬件的規范操作等項目的實操培訓，達到夯實基本功，提高熱工人員技能水平的目的。

現階段熱工專業通過相繼進行了各種執行機構的調試維護、儀表校驗維護、控制回路的線路設計搭接、DCS及PLC的組態修改、信號強制、軟硬件維護…等項目的實操，使每個班組成員的相應技能得到了提升，規范了操作。

在之前進行的熱工技能競賽中，充分利用現有的設備設置了自動控制系統的設計、組態邏輯實現、執行機構調試安裝、儀表參數設置、回路相關線纜核對接入等內容，很好的鍛煉了隊伍，但由于無實際可使用的控制對象，對核心控制器的參數無法進行實際意義上的調整，對熱工人員掌握自動調節系統的參數整定等核心知識無法很好的掌握。

三、模擬量調整控制系統平臺設計方案

為了節省經費，綜合考慮場地空間，根據模擬量調節的特點，熱工設備的安裝維護規范，從實用性、經濟性從發，自行設計勾畫出仿真平臺控制對象平臺圖。根據該設計圖紙進行外委加工安裝，其中部分材料及設備可使用現有物件，其它需外購，該仿真平臺整體需外委加工制作并安裝，我方進行驗收。具體設計圖及所需材料設備見附件。

該模擬量調整控制系統平臺采用原熱工仿真實訓基地的DCS或PLC 組態邏輯進行自動控制。該平臺設置有兩個水箱：上部一個小水箱、下部一個大水箱。下部水箱的水先通過一個手動截止門，再通過一臺可以程控進行啟停的水泵打入上部水箱中。上部水箱設置有一臺變送器，實時測量該水箱水位。控制系統根據在人工接口設置的水位設定值和實時水位值的偏差進行PID運算，輸出的開度指令，控制調節型執行機構的開度，從而控制經調門前手動門的上部水箱給水，經水位調節閥調節水量后進入下部水箱，使實際水位最終達到設定值。該系統還設置有水箱的放水門來定期對水箱內的水進行更換，以保障水質。

四、水位控制仿真平臺研制過程中應注意的問題及解決思路

工序流程：設計圖紙方案 外委加工制作一次設備，后期按照自行設計的電氣控制回路進行接線、布線、設備調試、軟硬件組態、系統聯調等一系列的工作，完成了該項內容。

首先在系統流程設計和電氣控制回路設計、系統設備選型方面：平臺總體規劃要根據實際情況，例如安裝場所的空間大小、管路系統的耐壓等級、電源供給情況、線纜敷設走向等提前規劃，工質對設備的腐蝕情況，各設備部件的布局、安裝固定方式等來確定各設備的規格尺寸，材質、形式，為后續的維護和工作做好全方位的考慮。

具體考量包括：水箱開孔便于觀察液位同時保持和大氣連通，液位測量可以不考慮氣壓的影響。

水泵的揚程、功率大小滿足上水的要求。

執行機構和調節機構及其附件選型因素：配合安裝，所有部件的承重支撐、安裝流向、管路各接頭的滲漏問題。

其次在系統加工制作、安裝及過程中的檢查、驗收方面：外委制作過程中給予關注是否按照設計施工，注意溝通環節，出現問題及時更正，到貨設備驗收環節注意生產廠家及性能是否符合要求，電源負荷供給問題（三相四線空開、220VAC空開選型）、控制系統及就地設備的安全接地、信號的屏蔽接地、施工質量及工藝水平符合要求等。

再次軟件組態：實現控制策略—水泵和調門之間的相互聯鎖，回路的跟蹤、無擾切換、積分飽和、參數調整等，人機接口畫面及數據庫組態，調試。

最后系統聯調：設備動作正常，調節靈敏，整體功能及性能測試滿足模擬量調節控制系統的指標要求。

五、水位控制仿真平臺的功能及應用

自動調節是熱工控制的靈魂和核心，為進一步完善仿真平臺的功能，提高專業核心技術水平，擬設計一套水位自動調節的就地設備系統，利用現有DCS/PLC對其進行控制調節，實現熱工自動調節在線仿真。

該平臺建好后，通過真實水位自動擾動試驗培訓，可使 受訓人員掌握自動調節回路中控制器PID的各參數、各環節設備工作性能以及擾動大小、頻率對調節效果的作用及影響，對解決現場自動控制系統中出現的各種不穩定現象的原因有更清新的認識，從而更好更快更穩的解決現場的各類調節問題，能極大提高專業自動技能水平，為熱工自動調節合格率達標，為熱工專項提升助力。

作者簡介：

胡亞利，女，工程師，從事熱工設備檢修管理工作，20年工作經驗。

（作者單位：大唐信陽華豫發電有限責任公司）