（控制理论与控制工程专业论文）工业煤粉锅炉燃烧的智能集成控制系统.pdf

中南戈学硕士学位沧支删自要 摘要 锅炉是最常埘构热i ：波警+ 其要求是供给合格的蒸汽，饺锅炉产汽餐适应负萄的需要。搴文针对 ：“p 鬣城锅监公司热力ri ：监锅炉鹣其体媾撼，研究了 d r = j 内蜜：秘蠲锅炉熬浇特瞧分繇嚣| 热 综合 删试技术蹦锅炉进行数谯分析和计葬：参考操作经验建立锅炉燃烧专家控制器模型；综台常规控制技 术午模糊控制技术形成川k 锅炉燃烧的钾能集成控靛蕴术。 率文越过对i 业煤粉锅炉热平衡计算揽艰的分析，利川在线热平衡计葬，研究r 总输八热、有效 剥涮热鼙、搪烟热损火、化学不完垒燃烧热损失、撬授万完全燃烧热损失、锅炉羧热热损父、热嫂率、 审气过剩系数、| t 遽、风鼙及一次风弼鲻计算以及这些因素对锅炉燃浇效率的黪嫡。 扫得到以线计辩结果以斤，燃烧专家控制器综合在线检测系缆提供的 。艺参数，以及燃烧计算的 绱聚，使h j 存放住掘i 识阼中的诊断和操作对策，得组相鹿的推理输出结果；利朋规则集的相应规 ! l j ，提示操作l 选州台适的控制方法。 燃烧落簿结聚嗣潜也赢 鞋于灞烧拄裁戮潞。瓣浸盏翻飘强在传统的常蕊控甍毳手段上，采 l 模糍 控制和p i d 控制栩结合，置基l “模糊智能控制器，集成基_ 数学横蘩的控制技术莉t 基于经溉知识的控制 技术，咀实现更商绒附控制从而获得过去难以达到的控制效粜。 将本系统投入生产实践中后，锅炉的燃烧效率和稳定运行悄况脊明显提商，有利予锅炉高散稳定 运行，实现增产酶耗的7 - i 标。 关键词：锅炉；_ ；童铡；燃烧效率；专家系统：模耘整铡；智髓壤戏控制 a b s t r a c t b o i l e ri st h eh e a te q u i p m e n ti nc o n l m o nu s eb e s to fa l l ，w h i c hc a ns u p p l yq u a l i f i e ds t e a mf o r t h e r e q u i r e m e n to f s t e a mq u a n t i t ya d a p t h l gt ob u r t h e n a i m i n ga tt h ec o n c r e t ei n d u s t r i a lb o i l e r sc o m p l e x i o no f t h e t h e r m a lp o w e ro fc h i n ag r e a tw a l la l u m i n u mc o r p o r a t i o n ，w es t u d i e ds e v e r a l a s p e c t s a s f o l l o w i n g ： a c c o m p l i s h e dn u m e r i c a lv a l u ea n dc o m p u t a t i o no fb o i l e rb yc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n dt h e m _ 1 a l i n t e g r a t e dt e s tt e c h n i q u e ；c o n s t i t u t e dc o m b u s t i o ne x p e 难c o n t r o l l e rm o d e lo f b o i l e ro nm a n i p u l a t i o ne x p e r i e n c e ； f o r m e di n t e l l i g e n ti n t e g r a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a lb o i l e rc o m b u s t i o nw i t hs y n t h e s i z e dg e n e r a l c o n t r o la n df f t z z yc o n t r o lt e c h n o l o g i e s v i at i ma n a l y s i so fh e a tb a l a n c ec o m p u t a t i o nm o d e la n dt h e c o m p u t a t i o no fo n l i n eh e a tb a l a n c ef o r i n d u s t r i a lc o a lb o i l e r ，t h i sd i s s e r t a t i o nm s e a m h e do v e r a l li n p u th e a t ，e f f i c i e n tu t i l i z e dq u a n t i t yo fh e a t ，h e a t l o s i n go fd i s c h a r g ef l u eg a s ，h e a tl o s i n go fc h e m i s t r ya n dm e c h a n i s mi n c o m p l e t ec o m b u s t i o n ，h e a tl o s i n go f d i s p e l l i n gh e a to fb o i l e r ，h e a te f f i c i e n c yja l rs u p e r f l u o u sc o e f f i c i e n t ，w i n ds p e e d ，w i n dq u a n t i t y ，c o m p u t a t i o n o f p r i m a r ya i rc i r c l ec u t t i n ga n dw h o s ei n f l u e n c eo ub o i l e rc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y a f t e rg e t t i n go n l i n er e s u l t s ，c o m b u s t i o ne x p e nc o n t r o l l e rg a i n e dr e l e v a n tr a t i o c i n a t eo u t p u tr e s u l t sb y i n t e g r a t i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fo n l i n ei n s p e c t e ds y s t e m ，c o m b u s t i o nc o m p u t e dr e s u l t sa n dd i a g n o s t i ca n d m a n i p u l a t e dc o u n t e r m e a s u r eo fk n o w l e d g eb a s e ，t h e nw h i c hc o u l dp r o p o s eo p e r a t o rf o rc h o o s i n gas u i t a b l e c o n t r o lm e t h o du s i n gc o n c e n t r a t e dc o r r e s p o n d i n gr o l e s c o m b u s t i o nr e s u l t sw o u l db ea l s oa p p l i e dt ot h ec o m b u s t i o nc o n t r o ll o o pt h ec o m b u s t i o nc o n t r o ll o o p a d o p t e df u z z y 十p i dc o n t r o lo nt r a d i t i o n a lg e n e r a lc o n t r o lm e a n s ，e x e r t e df u z z yi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra n d b a s e do nm a t h e m a t i c sm o d e la n de x p e r i e n c ek n o w l e d g ec o n t r o lt e c h n o l o g i e sf o rm o r ea d v a n c e dc o n t r o l r e a l i z a t i o n ，t h e r e b yt h ec o n t r o le f f e c t sa c h i e v e db e u e rt h a nb e f o r e + s i n c e t h i ss y s t e m h a sca r r i e do n t ，t h ec o m b u s t i o ne 髓c i e n t a n ds t a b i l i z a t i o no fb o i l e r w a s b o o s t e d i n e v i d e n c e s ow h i c hh a sr n a k ef o re f f e c t i v ea n ds t a b l ec i r c u l a t i o no fb o i l e ra n dt h er e a l i z a t i o no fi n c r e a s i n g p r o d u c t i o na n dd r o p p i n gc o s tg o a l k e y w o d s ：b o i l e r ：c o n t r o l ：c o m b u s t i o ne f f i c i e n c y ：e x p e r tc o n t r o l ：f u z z yc o n t r o l ：i n t e l l i g e n ti n t e g r a t e d 中南大学硕士学位论文第一章概述 1概述 1 1 锅炉计算机自动控制的重要性 任【川与l ：业生产部fj 中，离不开热水、蒸汽和电力。热水通常用丁| 生活和采暖；蒸汽用于 生活、采暖外，还可作为动力源：电力目前7 0 以上是通过火力发电得到的，而发电机的动力源 通常就是蒸汽。 h j 封稍人的热水或蒸汽都是由专川的热力设备一一锅炉集中产生的。锅炉，从其定义上说， 是利川燃割燃烧热将水转化为一定压力、定漏皮的热水或蒸汽的设备。 锅炉是最常刖的热l 没备，全国约有3 0 万台，每年耗煤量3 亿吨，i i 总煤耗的4 0 ”。锅 炉是重要的动力殴备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉产汽量适应负荷的需要。为此生产过程的 再个主要i ：艺参数! 必须严格控制。 常规仪表控制系统，具有可靠性高、成本低，易于维护操作等优点，使用常规仪表来控制j 二业锅 炉的运行已是一项完全成熟的技术，这在国际上是本世纪6 0 年代的水平”1 。但随着生产的发展，它 的局限性越米越明显： 1 ) 在控制性能方面，难以实现复杂的控制规律，如日前最优控制、白适应控制、模糊控制、 专家控制等臼动控制的新成果难以得到利用： 2 ) 在操作监视方面，仪表屏越来越长，难以实现集中监视和控制； 3 ) 在分系统之间不便实现通讯联系，难以实现分级控制系统； 4 ) 难以实现复杂控制方案控制方案的改变困难。 为j 克服这些局限性，出现r 计算机过程控制系统。相对而言，计算机自动控制系统应川予锅炉 控制具有以f 优势： 1 )能直观而集中地显示画面和运行参数，能快速计算出正常运行和启动过程中的有用数据， 便于操作人员观察和比较，直观形象，减少观察的疲劳和失误； 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 计葬机可对锅炉的启停及运行工况进行计算和监控，对主要参数变化趋势进行分析，生成 揲作人员年 ；管理人员需要的生产报表； 能对运行状况进行准确记录，提供事故追忆： 住运行中能随时快速简便地修改各种控制参数； 减少了显示仪表，可利川软件功能代替仪表单元，从而减少了投资也减少了故障率： 可使_ l j 先进控制技术年先进控制软件来实现控制，从而更有效的提高锅炉的热效率，节约 能源： 7 ) 计算机自动控制系统可进一步实现开放平台，与别的生产调度计算机网络形成分级控制系 统，促进管理现代化。 随荇生产力的提高利社会生产+ 的不断发展，能源消耗日益增加，热自2 应用的领域也在不断扩火， 中南大学硕士学位论文第一章腑既述 人类的能 j i i 确而临严重的危机，环境污染日益严重。但是，我国现有1 业锅炉的热效率极低，一般在 7 0 u , r “1 。冈此，对我国现有工业锅炉进行技术改造，实现锅炉自动控制，节约能源。提高锅炉效 率和各i 则支术性能指标是刻不容缓的任务。 1 2 锅炉自动控制的国内外现状及趋势 1 2 1 锅炉自动控i t i 0 的国内外现状 铺炉的门动化控制经历了三、四十年代单参数仪表控制，四、五十年代单元组合仪表、综合 参数仪表控制，d 到人_ 卜年代兴起的计算机过程控制儿个阶段。尤其是近一、二十年来，随着先 进控制理沦和计算机技术的b 速发展，加之计算机再种性能的不断增强价格的人幅度f 降，使 锅炉惠川计算机控制很快得到了普及和应用”“7 “。 住旧外，锅炉的控制已基本实现了计算机自动控制，住控制方法上都采川了现代控制理论中 爵优控制、多变量频域、模糊控制等方法，冈此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少 了对坷：境的污染1 ”。 在国内，山丁经济技术条件的限制，我国中小企业锅炉i 殳备水平一直比较落后，人多数中小 型铡炉水平丛本上停留在手j ，f l l 简单仪表操作的水平。8 0 年代中后1 l j ) ，随着先进的控制技术引入 我吲的锅炉控制以米，锅炉的汁算机控制得到了很人的发展。至9 0 年代，锅炉的自动化控制已 成为一个热门领域，利, l i j 单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的 各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展许多新 的控制方法，诸如最优控制“”、白适应控制“”、模糊控制“4 “”、神经网络控制“、专家控 制“0 动拄制的最新成果也在车呙炉 _ ：l 动控制中得到了尝试和应用。 但由丁控制技术单一或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉燃烧状况，导致在 j 程实践中 并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在f 业锅炉上用计算机进行控制的积极性。另 一方f f f i ，在热能1 i 程学方面，现在采用先进的计算机软件进行热一r 综合测试由此可以对锅炉的运 行状况进行分, l , s t - d i i 诊断。但是，这一结果却很少被自动控制技术加以利用。 1 2 2 锅炉自动控制的趋势 现代过雅l 。业向着人，a 化和连续化f 内方向发展，生产过程也随之v i 趋复杂，对生态环境的影 响也l i 笳尖，这些都划控制提山了越米越高的要求。不仪如此，生产的交全性利可靠性，生产 企业的经济效氚都成为衡量当今白动控制水平的重要指标。田此，仅j = f = i 常规仪表已不能满足现代 化企业的控制要求。由丁计算机具有运算速度快、精度高、存储量人、编程灵活以及有很强的通 信能力等特点己住过稗控制中得到十分广泛的应崩。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控 制水平已随着过样汁算机系统的发展而发展”8 ”2 0 2 ”。 从j 1 前的趋坍霸，栩二人- u 企业中，过f i ! 控制计算机止成为种把控制和管理融为体的综合 中南大学硕士学位论文第一章概述 亡】动化系统。它是在白动化技术，信息技术和各种“”一丁= 业生产技术的基础上，通过计算机系统 将l 厂全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产 环境不确定性利市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为 半前控制领域的一个重要研究方向。在控制技术方面近年来，为了获得更好的控制性能，把基 于数学模型的控制技术和基丁经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了广 泛的研究二31 4 二”。 冈此锅炉的白动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的席蚪j ，管理控制一体化的趋势 发腱1 1 。 1 3 工业煤粉锅炉自动控制目前存在的问题 锚炉按h 途i - j 分为生活锅炉、t 业锅炉、动力( 电站) 锅炉等儿类。其中，由丁生活锅炉产 汽龄小( 小丁3 5 t l h ) ，般不庸州计算机控制。动力锅炉由于所产蒸汽全部瑚丁发l u ，网而当前 流 了1 1 _ 接能i ；：i r - 鬣f i + j 控制锋法”，将锅炉与汽机看作整体进行调：带，可以绕过锅炉包身并环1 y 的动态响打实现能培甲衡，控制简单，效果显著。而工业锅炉由丁产汽 ；= | 途不一，无法实现直 接能罐平衡，只有刘锅炉这一对象进行具体分析，通过改变燃料量的输入，进而实现输入热能与 蒸汽消耗的能鼙平衡。这就使得i 业锅炉相对丁动力锅炉而言，自动控制方面存在一定的难题， 致使当前i 业锅炉的燃烧热效率远远比不r 动力锚炉”。 锅炉按所刚燃料分，义可分为燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉儿种。一f ：业燃煤锅炉与燃油、 燃气锅炉的控制相比，难点之一在于燃煤难以计量。当前，对于中储式煤粉锅炉，可以通过煤粉 浓度训掉模型米计算给粉量，但是，由于计算系数的不确定性，这些数据尚未有直接用于自动控 制的。而对r 直流式煤粉锅炉来说，即使这样不确定的给粉量也是无法获取得，因而，工业煤粉 锅炉的给煤控制由丁反馈的无法获取，控制难以实现。 闪此，如何在此背景h 针对具体的控制对象，探索件j 先进的控制技术控制软件，进行多学科技 术的结合，有效提高i 业煤粉锅炉燃烧热效率，是急需解决的难题。 1 4 课题来源与研究内容 1 4 1 课题来源及研究意义 中i z , i 艮l 】i 锅业公r d 是我国特人型铝蛾合企业，年产氧化铝1 2 0 万n 屯电解铝5 万吨，其工艺采用 联合法，流程k ，连续性强，相互制约，对蒸汽供应要求严格。作为在氧化铝生产环竹中地位极为重 要的k 城铝业公司主要生产厂热力厂，共有八台锅炉年耗煤8 9 万吨，重油7 3 5 0 吨，主要任务是供 给氧化钒厂的彳牛道j 。序定湍度和乐力的蒸汽，同时+ 部分蒸汽供七台发电机州于发电。锅炉运行的 女，、l ! 影响氧化铒；的生。由丁t 7 4 p 现有的襟作控制系统均为常规仪表控制，锅炉热效率普遍偏低。 1 中南走学硕士学位论文第一章概述 操仵人员完全根据经验进行手动操作，造成生产运行不稳，波动大，设备利用率低且能耗大，不能 与特人型锅联台企业的生产要求相适应，从某种程度上制约了工厂生产的发展。 为逃到提高锅炉运行效率和燃烧效率，常约能源，提高锅炉运行的稳定性，降低工人的劳动强度 改善劳动条件，使氧化铝稳产、高产的目的，采用先进的自动化系统集成技术和计算机技术，开发热 力厂锚炉集中监控系统，实时提供备台锅炉的运行参数和运行状态及相应控制，是锅炉安全、可靠运 盯。确保i 。安全生产所必需的，而且可为今后的生产管理和技术改造创造条件。为此，中国k 城锅 业公i 日科技部提山“热力厂锅炉集中监控系统”项目，经项目招标，由中国k 城铝业公司总计控室与 l ，南人j 信息利。学与i 。# 学院仂作完成。 本研究课题“1 业煤粉锅炉燃烧的智能集成控制”是“热力厂锅炉集中监控系统”项目的子项， 是住上述背撩i - ，针对jl 体f _ | 勺控制对象，探索川新的智能集成控制的思想，解决i 。业煤粉锅炉燃烧控 制f j 难题。 川k 锅炉的主要动态特性包括非线性、非最小相位特征、不稳定性、时滞和负荷干扰，网而采川 传统的控制方法难以文施有效的控制，智能集成控制技术是通过集成基丁数学模型的控制技术利基于 经验知阻的控制技术，以实现更高级的控制，从而获得过去难以达到的控制效果。工业煤粉锅炉常规 。义表的控制思想，是作为经典控制的p i d 控制，在锅炉负荷波动较少，生产平稳的状况下，这一控制 方法是可行的：但是，对丁母管制的工业煤粉锅炉，负荷波动过人是不可避免的现象。为此，在常规 托制技术”为基础的b 日提h ，参考优秀司炉一的操作经验，建立锅炉燃烧专家控制器模型并综台热 能1 程学科知识，使这儿种控制技术有效地集成起来，形成丁业锅炉燃烧的智能集成控制技术。该智 能集成控制技术综合了基于经验知识的专家控制器技术和先进p i d 控制技术、热能工程学技术，期望 通过后种技术真实反映锅炉燃烧的状况，由此基于经验知识形成燃烧专家控制器，将智能控制和常规 控制思想结合起来，实现有效控制。 1 4 2 本论文的研究内容 本研究课题主要包括以下儿个方面的内容： f 1 、j ：业煤粉锅炉燃烧特性分析： ( 2 ) i 。业煤粉锅炉热上综合测试技术研究： ( 3 ) 基j ：经验的专家控制器技术研究； ( 4 1 集成控制技术研究： ( 5 1l 业煤粉锅炉燃烧的智能集成控制技术的实际应j 。 1 4 3 研究方法 根据奉课题的土要内存，本课题主要从以f 两个方面开展i ：作： ( 1 ) 理论研究 理论研究是本课题的基础利关键所在。 ( a 1 通过1 业煤粉锅炉燃烧特性分析，确定智能集成控制技术的必要性、可行性以及研究 意义： 中南大学硕士学位论文第一章概述 ( b ) 研究基1 一经验的专家控制器建立的理论知识： ( c ) 研究锅炉热工综合测试技术知识： ( d ) j 业煤粉锚炉燃烧的智能集成控制系统的建立与实现。 f 2 11 业应刚 住理论研究的基础上，针对具体工业煤粉锅炉，通过燃烧分析及现场凋研，学习熟练司炉 i 。看火操作的实际经验并加以总结归纳；分析研究锅炉热t 综合测试和计算机热1 - 仿真报告， 探索其中川j i 口动控制的依据，建立在线燃烧计算模型：利用理论研究得到的知识和司炉工 的足体经验结合住线燃烧计算结果，确立煤粉锅炉燃烧专家控制器模裂和燃烧控制同路模 刑，从而设计i ? 业煤粉锅炉燃烧的智能集成控制系统。 根槲所政计的控制系统，确定所需的测点，确立控制系统所需的软、倾什设备，i 殳计控 制系统施1 i 幽纸，并依据幽纸进行施 。 _ = j = 此，在本跑文的筇二章，我们给出了控制系统的总体结构、设计原! ! | j 以及软硬什实现 方法利平台等，说明了作为一个具体的工程实践，系统的总体框架。 在第二章，我们阐述了单台锅炉的燃烧控制方案，指出构成燃烧控制的控制策略和主要 组成剖分，升对各部分功能年相互关系进行了综合描述。 论文的第四章，阐述 r 锅炉燃烧计算的原理和实现方法，对锅炉热平衡、风速和风量等 计算原理与方法进干推导，井给出了详细的计算流程和系统实现情况。 论文的第五章，阐述了专家控制系统的理论和实际应用。锅炉专家系统模型，就是在现 场操作j 二人经验基础上开发出来的。我们使用专家控制系统，对锅炉的运行状况进行炉况诊 断和故障判断，j r 将诊断干判断结果输出到计算机，指导操作人员进行操作。 论文的第人章，阐述了单台锅炉的燃烧控制的具体同路的实现，包括负荷控制同路、送 风控制同路、负压控制同路、一二次风控制回路。在这些控制回路中，采用了常规p i d 与模 糊控制结台的控制手法，2 - 利刚燃烧计葬的结果作为控制参疑，使燃烧控制得以顺利实现。 论文的第七章，给山了系统的现场应用情况。论文的篇八章，对本文做出了结论。 中南大学砸士学位论文第二章锅炉集中监控系统的总体设计 2 锅炉集中监控系统的总体设计 本章将对锅炉集中监控系统总体设计方案进行综述从全方案的设计、选型、结构等各方面介绍 集中监控系缆的全系统概貌。 2 1控制系统设计原则 1 j 通过锅炉集中监控系统对锅炉运行参数的实时监控，使锅炉安全可靠生产。 2 ) 俄据系统的筹类数据和状态量及相应控制，可制定锅炉运行方案，控制全厂的供用汽平衡。 3 ) 实时快述、准确报警t 捕捉事故前兆，减少直至消除重人事故。在确保功能可靠和操作管 理，j 悝的前提i 、，尽龄采川先进技术：求得比较低的投资和较少的运行赞j | ，取得较好的 处理效果。 4 ) 设备选型ij i 5 2 备数姑要匹配得当，在设备止常检修和维护时不影响生产的止常运行。 5 ) 全部采川计算机自动控制，简化操作管理和减轻工人的劳动强度。 6 ) 系统汹盖锅炉乍间管理的6 # 炉以及汽电车间管理的与6 炉相关的电气设备，并对原有的l b 气设备进干了相席改造。 7 ) 采i i j 关固r o c k w e l l 公词的c o n t r o ll o g i x 系统直接对现场信号进行采样，实现参数的实b i 精密洲苗，取代原订的一二次仪表。 8 ) 建立专家系统，对影响锅炉安全运行的参数进行监测及分析，实现控制优化。 9 ) 建立由管理层、控制层和设备层组成的开放式的、易扩展的锅炉集中监控及管理网络。 2 2控制系统基本结构 本系统采_ l f 管理层一控制层殴备层的递阶控制网络结构。设置有： 管理层：1 稗师站 控制层：6 # 炉控制站。 i 殳备层：锅炉仪表检测设备及执行机构。 锅炉监控系统网络结构斟见闰2 一l 。 管理层是基丁wj n d o w s 环境f 开发的开放式、模块化、可扩展的系统，选用控制主机n 务器，提 供管理软、埂什、r 台，通过接收米白控制层的信启、，汇集和检删锅炉的各种实时数据，并对它们进行 相应算，典现号家控制策略，发布命令f 达到控制层对它们进行控制。管理层之间采 以太网进行 通讯。 控制层上控殴备采川r o c k w e l la - bc o n t r o ll o g i x 5 5 5 0 可编程控制器，实现回路控制，通过i o 模块独立完成包括保护、监洲、控制和事故纪录等多项功能，在系统内按要求整理“情报”实现系 统的“【i 传i 、边”。 6 中南大学硕士学位论文，第二章，锅炉袋审蕊控系统砖总傣设砖 阁2 - 1 控制系绞嘲络结构图 管理堪、控制层以及荇子站、设备层之间除通讯外，再自独立，无屯气上的连接，各子站实现的 符砷功能独d ：。冈此，h 口使系统中的菜一部分山现故障，也不会影响系统的其它部分的工作，从而使 整个系统具有商可靠性，真u | _ l 三实现分层分布式优化控制。 2 3 管瑷层概述 管理层熄艇丁w i n d o w sl i t 环境f 开发的全面开放、模块化、可充实的实时系娩，人机界面友蚶， 监控软什甲台j , jr o c k w e 1r s v i e w 敞件，包括图形和报畿缎态软件，用户可根据需罂生成j j 户画词。 管理屋淡链多级翊户管理对不嘲级别的揲作a 员提供不同的操 乍权限，可姣夫限度地减小郓避篼 漤列瓤、蒺撵傅，充分探谨整个累统的安全往。 哺￥师站可以实时显示锅炉蕊统圈、运行参数和运行状态，并通过控制网络对锅炉运行状态进行 定值设鬣荠修改、信号复何希l 电器开关的遥控操作。控制系统的任何事件( 开荚动作、装置动作、装 鬣战障等) 技生即在l 样师站巾臼动记录，并在c r t l 姓示，同时发出相应的报警信号。 旧t 师站挺供的实时信息和率敞避忆可以作为正常运弦监视霸l 控铡、枣故分析翱处理、生产统计 翱汁划依撩，放两提高i 嚣效率，减少劳动强痊。 i 氍蜊蚺通过c o n t r o l n e t 对再子站的设备实现下述雾种功能：整个系统的监视、遥测、遥控操作、 m 【l l 址、j j 擅m 监洲、曲线生成、撤表生成、棒状斟生成等并在各c r t 显示。 c o n tr o l n e t 网络采川c n b r 般网祷用通讯方式，确保系统可靠运行。 亳毫雕丘；鬏统软律具自+ 以f 特点： 7 中南大学硕士学位论文第二章锅炉集中监控系统的总体设计 操作系统使_ 【 3 2 位的w i n d o w sn t 朋于r o c k w e lc o n t r o ll o g i x 的服务器软件r s l i n x 以及软件包r s v i e w 3 2 ，控制处理数 据软件c o n t r o ll o g i x 5 5 5 0 。 图形界面模块：基于窗口的动态显示画面和直观的人机交互界面，同屏可开启多个窗口 监视，实现画面滚动和漫游。 特殊应h j 系统：包括热平衡计算、故障诊断等。 2 4控制层概述 自动控制系统选择荚国r o c k w e l l 公司c o n t r o l l o g ix 系统作为系统卜位机。 c o n t l o i l o g i x 结构体系是一个技术先进的控制平台，它集中了多个控制功能：顺序控制运动控 制，传动及过稗控制等。与传统可编样序控制器不同的是，c o n t r o l l o g i x 系统在任何尺寸人小上都是 楔块化的，h j 户可以根据具体戍h j 米选择合适的内存量、控制器个数和网络类酗，这种柔性结构允许 川户侄同一个机架内使川多个控制器、网络及i 0 模块。系统具有以f 特点：易丁和现有p l c 系统集 成现有网络州户叮以与其他网络上的群序控制器透明的收发信息：c o n t r o l o g i x 结构在背板上提供 了高述数据传输总线，k o g ix 5 5 5 0 控制器提供了高速传输的控制平台；提供了模块化控制方法，可根据 需要增减控制器平通讯模块的个数：提供了高强度平台，可耐受震动、高温及各种上业环境f 的i 也气 干扰：建立了一个多种技术的平台，包括顺序控制，运动控制，传动及过程应用控制：结构紧凑，适 川丁控制高度分散而配电盘空问义有限的应用场台 无需控制器而在网络间实现桥接；在同一个机架 内放置多个控制器、i o 模块及通信模块的任意组合；可带电插拔一个模块而无需断开系统的其他模块， 井保持输山鹫，保i j e 系统正常运转：系统的模块化使用户能够方便的设计、装配和修改，极大的节省 了培训平l 程施i 费用；可利；| c o n t r o l l o g i x 结构体系实现最现代化的集散控制系统( d c s ) 功能。 2 5 控制系统基本功能 2 5 1 管理层功能 符理层操作站借助通讯服务程序通过设备终端实时采集各控制子站内一切与锅炉运行及设备情况 罕系统实r j 数赫i 序，刀据此提供人机界面，动态显示实时运行：状况，生成历史数据库，驱动打印、报 警，同时操秆员司通过人机界面实现遥控、遥酾功能。系统应川程序包括以r 部分功能： 1 ) 背景功能 为各功能模块提供基本的背景、接口、标准启动程序及辅助功能： 画面标题 管理菜单 h 蛳】及时删显示 中南大学硕士学位论文：4 二章锅炉集中监控系统的总体设计 报警列表及文件列袭快键 报警指示：当有报警事件发生时 作人员 报警行：在报告报警事件发生时 就地远程指示 在画面的右上角显示一个闪烁的红色报警块，指示操 在画面上引出突出的报警行，并显示报警信息 系统科序白检l 。具，在系统程序运行出错，自动指示出错程序信息 应 样序i 殳定i 。具 警示牌 其它 2 ) h 户管理功能 系统具有一套完善的川户管理机制，可以将不同的功能划分为不同的用户组，对于每一个刚户在每 一川户钔中都被赋予不同的川户级别从而实现对不同刚户可执行功能的授权。 v i e w 级：只允许监视应用程序，不允许进行遥控、遥调操作及i z 程管理和系统组态 操作员级：允许进行遥控、遥调操作，没权限进行j 二程管理及系统组态 l ：程师级：拥有除去川户管理的权限之外的所有权限 系统管理员级：拥有一切授权，包括 j 户的添加、删除、授权等h j 户管理功能 ： ) 报警列表功能 按系统实际需要，川户可以指定在以下情况f 自动发山报警。 开关量突然变位 超限报警( 温度、压力等参数超出某一给定值时) 保护动作 超限报警的超限值可由操作人员在线修改( 高、高高、低、低低) ，每个报警均有事件、报警信息 及确认状态显示( 报警确认与否) 。可按需要把所有报警分为儿级，分别代表不同 生质的报警，报警信 号可驱动外部音箱发山音响，操作人员可按相对应级别予以确认，系统报警确定需操作人员用鼠标在 饼幕卜确认。所有报警信，皂、均存于历史数据库中，作为对该报警的事后分析依据。报警页分为两部分， 第一部分是尚存报警，第二部分是术经确认但已消除的报警，此部分报警一经确认将会自动消失。 报警页中提供 户白行输入限制条什，川户可选择只显示其中某条或某一级别的报警，但其它报警 可继续接收，操作人员把条什 双消后，所有报警会重新显示。为防i 卜在正常检修中日l 起的误报警， ；l 户- j 埘输入信启、的报警处理进行埘敞，j 1 ：于系统屏幕上显示该i 殳祷处j ：屏蔽状态，以提醒操作人员。 4 ) 事什列表功能 系统中所有动作_ 审_ t l ：，均可自动打印及以文件的形式存入硬盘中，如设置对以r 情况的事什进行记 录： 所有报警信息 操作人员确认自戈报警 开芙的操作 i l 状态信息 中南大学硕士学位论文第二章锅炉集中监控系统的总体设计 继电器动作和状态信息 系统通讯状况 每个事什均有时标及有关信息文字说明，并驱动打印机自动打印作为运行记录。事件表与报警表可 作分类管理，以方便操作人员检查特定所需事件资料。 系统可以利用事件作特别编辑，由事件触发某一预定操作程序如断路器断开等。 5 ) 系统白检功能 系统门检功能h jr 监删再设备运行是否正常，以不同颜色分别代表系统中备硬件设备及软竹 系统的返 7 ：1 ) t 态，。监视： p l c 、运行状态 打印机状态 过群单元通4 , i t ：状态及内部故障 就地远程、监视器状态 6 ) 运行状态显示功能 根据再设备及运行情况对锅炉系统幽进行着色以不同的颜色表示各种逛行状态，操作人员 可以通过颜色直观的监视各设备的实际运行方式。 7 ) 以报表扣印形式反映生产状况。 8 ) 趋势蚓 系统趋势幽提供操作人员快速及直观的数据统计，数据采样频率快，可按用户要求记录相关 参数，并可保存一定时间的历史记录。趋势图可分为图形式或表格式两种。表格式的趋势图类似 报丧形式。趋势幽画面格式可根据l | j 户需要殴定，一幅画面可组合表格式羽1 图形式的趋势图。轴 的比例可放大或缩小。用户可局部放大某段趋势进行分析。 2 5 2 控制层功能 1 ) 锅炉汽包水位的控制。受控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物料平 衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许范围内。 2 ) 过热蒸汽温度! t l 动控制。任务是白动维持过热蒸汽出口温度在允许的范围内，并保护过热器管壁温 度不超过允许的作温度。受控变昔是过热器的出口温度，操纵变嚣是减温器的喷水量。 3 ) 锅炉燃烧过群白动控制。任务是根据负荷要求，自动调协给粉机和送风机转迷、引风机风门，使蒸 汽压力、炉膛负压利燃烧经济性能指标保持在允许范围内。 ) 具有手、白动无扰动切换功能。 5 ) t fs 鞍方便的在线参数修改调试功能。 6 ) 根据r 艺要求，实现制粉系统的控制。6 # 炉制粉系统5 # 、1 2 # 门改电动，现有煤粉仓测粉装置改为 门动测利忙，甫操作】i 根据i 。艺情况凋仃各电动门的开关。 7 ) 根捌l 艺要求实现对给粉机、送引风机、排粉机、球磨机等电气设需的启停连锁控制。 1 0 申南大学硕士学4 主i j z 第二章锅炉集中监控系统的总体设计 2 6 本章小结 1 给出了控制系统的设计原则以及总体框架。 2 对系统网络结构进行了分层次说明。 中南大学硕士学位论文第三章单台锅炉燃烧控制方案 一_h一 3 单台锅炉燃烧控制方案 i ：业煤粉锅炉在生产运行时t 煤粉在炉膛内的燃烧过程非常复杂，影响的因素很多。锅炉设 备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。主要 输出变量是汽包水位蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气( 烟气含氧量) 等。这些输入 变鞋与输：变量之间相互芙联。如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽 温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气 利炉膛负乐；给水苗的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响；减温水 的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽胝力、汽包水位等的变化：等等。所以锅炉设备是一个多输入、多 输且相且戈联的控制对象t 为了对锅炉燃烧进行有效的自动控制，在常规控制披术作为基础的前 提r ，参考优秀司炉l 。的操作经验建立锅炉燃烧专家控制器模型，并综合热能【璀 学科知识，使这 儿种控制技术有效地集成起米，从而形成工业锅炉燃烧的智能集成控制技术。 基r 上述智能集成控制技术的思路，形成了单台锅炉的燃烧控制方案。本章将对此方案进行总 体阐述。 3 1 单台锅炉的燃烧控制策略 单台销炉的燃烧控制策略，主要集成了热能1 一程计算、专家控制器和模糊控制器以及传统的 苷甥 审制器的控制方法而得到。 1 蚓3 一l 给 l j 了单台锅炉的燃烧控制策略基本框图。 单台锅炉的燃烧控制策略主要由燃烧计算、专家控制器、燃烧控制回路三人部分组成。 燃烧计算部分根据现场数据采样和分析结果，实现锅炉燃烧的在线热平衡计算、热效率、空 气过剩系数、风述、风草及一次风切圆计算。该部分的计算结果如给粉量、空气过剩系数、风量 均作为控制参量参与到燃烧控制同路中。燃烧计算的另些结果，如热平衡计算的各种热损失、 燃烧效：垂等，由专家控制器进行处理，从而进一步参与控制。燃烧计算结果同时输出到计算机提 供给操作i ：。 专家控制器土要作用是通过些规则集进行推理，作出对锅炉燃烧状况的诊断和故障判断， 一方面将故障判断输出剑计算机，提示现场操作人员进行相应操作，另一方面协助燃烧控制回路 进行燃烧控制，并对部分殴箭的开停连锁提供直接依据。例如，专家控制器依据燃烧计算结果q ， 过人= f | i 摊。删温度过高，可以得“j 燃烧发生在尾部烟道的结论，该结论提示操作j ：将控制同路殴为手动， 升降低上排给粉机转速为2 0 0 r p m 。 燃烧控制亓1 路包括负荷控制同路、送风控制同路、负压控制【! i = _ 1 路和一次风控制回路。负荷控 制路根据锅炉的负荷要求控制f 煤餐，送风控制同路、负压控制回路主要控制送引风量，一二次风 控制州i 土要保址一次风压，并保证燃烧区4 个角二二次风量均匀。通过这四个控制回路，酋先稳定燃 烧，从i f ij 讲一步提高热效：年。 2 串南走学礤士擘位论文，第三章单密锅炉燃烧控制方素 甄- 1 医i 面习i 叠蓝控出i 圃路i 鲻3 一l 擎台锻炉的燃烧控制策路基本框萤 | 奠fj ? 将对上述二犬部分鞠羧翻原瑾和控制 乍翊方蕊进号j ：初步阕述。 3 ，2燃烧计算原理及作用 燃烧计簿部分包括在线热平德计箕、热效率、空气过剩系数、风速、风爨及一次风切圆计算。 萁中在线蕊乎 雯；计舞尤为重要，它不仅为镊妒燕效率、空气过剩系数鳇诗冀撬谈实甄戆姣据，熬 时也通过平衡计算计算出绘渫鹫，扶丽嘏决了煤粉锅炉燃料量无法获取韵难题。 锅炉燃烧的在线热平衡计算土骤依据是：将锅炉本体作为热平衡对象，在锅炉殴各稳定的热力 状态h 计弹输入的能量和输【u 的能鬣之间的平衡。具体计算公式为”1 ： q = 蜴+ q4 - g + q + 热4 - g ，k j h ( 3 一1 ) 式中，gj , a 每4 、靖慧供入熬莓l = tg 为煮效剥瑙波热爱，q ：为壤溜燕擐失，绫为恁学甭完全燃 烧热埙尖，g 为机械不完全燃烧热损失t 幺为散热损失，酝为其他的热损失。 在线热平衡计算通过获取在线热i 数据，计算出q l 、q 2 、q 3 、q 4 、q s 、q 6 ，再通过式( 3 - 1 ) 进行计弹，得q ，从而计算出给燃璺。 矗线热乎簿谤算计蓦出再个煞避 轰，交专家控裁爨揆擐这些热量建黠燃烧l ：嚣遴嚣诊甑。鲡当q 2 ( 排烟热损必) 过高，说明燃烧避入了炉膛尾部，此时专家控制器根据该数藏避行判断，结暴输滋判 计并机，提船! 操作i ? 将给煤控制同路转为手动控制，将上排给粉机转速降为2 0 0r p m ，从而降低火焰 高度，以此斛扶燃烧不良的状况。 锅炉燃烧柱线热平衡计算同时也计算出锅炉的热效率。锚炉热效率直接体现了锅炉燃烧控制的敛 聚；剪绘擞侉t 提供了一定魄嫌 玺毂据；绘苇阉蛰瑾a 爨挺i 莲了准确蕊考棱依援。 1 中南大学硕士学位论文第三章单台锅炉燃烧控制方案 锅炉燃烧计算还依据烟气含氧量计算出锅炉的空气过剩系数。空气过剩系数提供了燃料是否完全 燃烧的依据，并作为控制参量参与到燃烧控制的送风控制回路中。 锅炉燃烧训+ 算还计算出风速和风餐。由于一、二次风管没有直接的测速装置，因此这两个参量必 须通过计算得山，从而给一二次风控制回路提供控制依据。 假设一、一次风喷口山口与两侧炉墙夹角均为4 5 度，对两层两对角的速度差在炉膛中心点 作速度三角形，取合成速度的中心为切圆中心，则可以建立一、二次风切圆模型，作为操作人员 的逆行参考。 i 业燃煤锅炉与燃油、燃气锅炉的控制相比，难点之一在于燃煤难以计量。当前，对于中储 式煤粉锅炉，可以通过煤粉浓度计算模型来计算给粉量，而对于本系统控制的直流式煤粉锅炉来 说，【l jr 风粉直接混合，无法计算煤粉浓度t3 0 因而，给煤控制回路的反馈的无法获取，控制 无法实现。通过燃烧计算，将计算结果提供给给煤控制回路作为系统反馈，就可以实现给煤白动 控制。 l 到3 - 2 给出了燃烧计算和燃烧控制相结合的原理示例。从图中可以看出，通