（机械制造及其自动化专业论文）工业锅炉dcs系统设计与控制方法研究.pdf

b p r o d c ss y s t e md e s i g na n dc o n t r o ls t r a t e g ys t u d yo f i n d u s t r i a lb o i l e r b y w e il i l i 肿洲l 1舢258 删8川lm y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 名：锄勃刁 日期：眸6 只- 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：年6 月7 日 日期：加，年6 月7 日碧 氟豚 魏眵谚 一 名名签签者师阼导 1 3 工业锅炉控制的研究与发展现状4 1 4 工业锅炉的工作过程。6 1 5 工业锅炉控制的任务及控制要求7 1 6 课题主要研究内容8 1 7 本章小结8 第2 章工业锅炉d c s 自动控制系统设计一9 2 1 系统分析9 2 1 1 风机系统一9 2 1 2 水系统1 0 2 1 3 给煤系统1 1 2 1 4 附加监测系统13 2 2 系统整体设计1 4 2 3 硬件选择1 6 2 4 系统运行方式1 7 2 5 本章小结18 第3 章模糊p i d 控制设计及模糊p i d 控制器设计1 9 3 1p i d 控制原理1 9 3 2 模糊控制算法及其基本原理2 1 3 3 模糊p i d 控制器的设计2 2 3 4m a t l a b 中模糊p i d 控制子系统的建立3 1 3 4 1 仿真工具简介3 1 3 4 2 模糊控制器的设计3 1 3 4 3 模糊p i d 控制子系统的建立3 4 3 5 本章小结3 4 第4 章锅炉系统控制方法研究及仿真3 5 4 1 出水温度控制系统3 5 4 1 1 特性分析3 6 _ 业锅炉d c s 系统设计与控制方法研究 4 1 2 出水温度模糊p i d 控制系统一3 6 4 1 3 出水温度控制系统的仿真3 6 4 2 风煤比自寻优控制系统3 8 4 2 1 模糊自寻优控制系统一3 8 4 2 2 风煤比自寻优控制系统的仿真4 2 4 3 炉膛负压控制系统4 3 4 3 1 炉膛负压特性分析及控制方法4 3 4 3 2 炉膛负压控制系统仿真4 3 4 4 回水压力控制系统4 4 4 4 1 回水压力特性分析及控制方法4 4 4 4 2 回水压力控制系统仿真4 5 4 5 本章小结4 6 第5 章系统软件设计4 7 5 1p l c 程序控制设计4 7 5 1 1s t e p7 简介4 7 5 1 2 项目设计4 9 5 2 监控设计5 1 5 2 1w i n c cv 6 0 简介5 2 5 2 2 项目设计5 3 5 3 本章小结一5 6 结 论一5 7 参考文献5 8 致 射6 1 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 2 i i 硕七学位论文 i i ! , 1 = 一l i i 鼍葛 摘要 随着现代化工业的飞速发展，环境污染和能源紧张问题日益突出，对能源利 用率的要求越来越高，节能降耗已成为世界各国的发展目标。因此研究与开发功 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i e s ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d e n e r g yc r i s i sp r o b l e m sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，e n e r g ye f f i c i e n c yh a s b e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n ga r o u n dt h ew h o l ew o r l d ，t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n gi n d u s t r yb o i l e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw i t hc o m p l e t ef u n c t i o n s b e t t e r s t a b i l i t ya n dc a p a b i l i t y , h i g h e f f i c i e n c ya n de n e r g y s a v i n g ，a d a p tt h en e e do f p r o d u c t i o ng r o w t ha n dh a v eb r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hv a l u e u s i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d si nt h ei n d u s t r yb o i l e rc o n t r o ls y s t e mc a nb ea b l et o i n c r e a s et h e r m a l e f f i c i e n c y , r e d u c e c o a l c o n s u m p t i o n ，s o i th a sg o o dm a r k e t d e v e l o p m e n ts p a c e i nt h i se s s a y , i nv i e wo ft h eu s e r sa c t u a ls c e n es i t u a t i o no fb o i l e rh a r d w a r e s y s t e m ，t h ec o n t r o ls y s t e mw o r k i n gh a sb e e nd e s i g n e da sm a n u a la n da u t o m a t i ct w o w a y s t a k i n gt h ei n d u s t r ye t h e m e t ，t h ef i e l db u s ，p l c ，t h e c o m p u t e ra n dt h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea st h ec o r e ，t h ed csc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d t h e s t r u c t u r e p l a na n dt h es y s t e md i s p o s i t i o nw e r ec a r r i e do na c c o r d i n gt ot h et h r e e s t r u c t u r ep a t t e r n s ，t h r e es t r u c t u r ep a t t e r n sa r eo p e r a t i o nm a n a g e m e n tl e v e l ，p r o c e s s k e y 。c o u r s e a n ds c e n ee x a m i n a t i o nl e v e l p l c p r o c e d u r ec o n t r o la n dw i n c c c o n f i g u r a t i o nm o n i t o r i n gd e s i g nw e r e c o m p l e t e d a n d u s i n go p ct e c h n o l o g y i m p l e m e n t a t i o nt oc o n n e c t i o np l ca n dw i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i ng e n e r a l l y , i n d u s t r i a lb o i l e rc o n t r o l s y s t e mc a nb ed i v i d e di n t of o u rs u b s y s t e m s w h i c ha r el e a v i n gw a t e rt e m p e r a t u r e ，o x y - a c e t y l e n er a t i o ，f u r n a c en e g a t i v ep r e s s u r e a n de n t e r i n gw a t e rp r e s s u r e b a s e do nt h ea n a l y z i n go ft h eb o i l e r o b je c ts y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ew h o l ec o n t r o l l i n gt a c t i c sw a sp r o v i d e d ，u s i n gf u z z yp i dc o n t r o l s t r a t e g yo nt h el e a v i n gw a t e rt e m p e r a t u r e ，f u z z ys e l f - o p t i m i z i n gc o n t r o ls t r a t e g yu s e d i n o x y a c e t y l e n er a t i o ，u s i n gf e e d f o r w a r dp i dc o n t r o lo nt h ef u r n a c en e g a t i v e p r e s s u r e ，u s i n gp i dc o n t r o ls t r a t e g yo ne n t e r i n gw a t e rp r e s s u r e t h ef u z z yp i d c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo b j e c t ，a n dt h ed e t a i l e d d e s i g np r o c e s sh a sb e e ne x p l a i n e dp a r t i c u l a r l y i nt h em a t l a be n v i r o n m e n t ，t h e b o i l e rf o u rc o n t r o ls y s t e m sw e r es i m u l a t e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z v p i d ，f u z z ys e l f - o p t i m i z i n ga n df e e d f o r w a r dp i dc o n t r o ls t r a t e g yh a v eg o o dc o n t r o l e f f e c t ，t h e r ea r em o r es u i t a b l ef i o rt h ei n d u s t r i a lb o i l e rc o n t r o lw h i c hi ss u c hac o m p l e x o b j e c t k e yw o r d s ：b o i l e r ；f u z z yp i d ；f u z z ys e l f - o p t i m i z i n g ；p l c ；w i n c c u 图3 5 出水温度模糊控制器输入输出变量等参数确定一3 2 图3 6 各语言变量隶属度函数确定3 2 图3 7 模糊控制规则的编辑3 3 图3 8 三维坐标图3 3 图3 9 模糊控制子系统一3 4 图3 1 0p i d 控制子系统3 4 图4 1 锅炉系统关系示意图3 5 图4 2 出水温度控制系统框图3 6 图4 3 出水温度控制系统仿真模型3 7 图4 4 出水温度控制系统仿真曲线一3 7 图4 5 最佳过剩空气系数与负荷的关系图3 8 图4 6 炉膛温度与风煤比的关系图一3 8 图4 7 风煤比自寻优控制系统框图一3 9 图4 8 风煤比白寻优控制系统仿真模型：4 2 图4 9 风煤比自寻优控制系统模糊控制器子系统4 2 图4 1 0 风煤比自寻优控制系统仿真结果4 2 图4 1 1 炉膛负压控制系统框图4 3 图4 1 2 炉膛负压控制系统仿真模型4 4 图4 1 3 炉膛负压控制系统仿真结果一4 4 图4 1 4 回水压力控制系统框图4 5 图4 1 5 回水压力控制系统仿真模型4 5 图4 1 6 回水压力控制系统仿真结果4 5 图5 1s t e p 7 的应用过程4 7 图5 2s t e p 7 中建立机架图4 9 图5 3 符号表一5 0 图5 4l 群锅炉鼓风机控制程序模块5 1 i v 表3 3 a k d 模糊控制规则表2 5 表3 4e 、t 、触。模糊变量赋值表2 7 表3 5a k 。模糊控制查询表2 9 表3 6a k i 模糊控制查询表一2 9 表3 7a k d 模糊控制查询表一3 0 表4 1 模糊自寻优控制规则表4 0 表4 2 炉温偏差t 的隶属度赋值表4 0 表4 3 步长v 的隶属度赋值表4 0 表4 4 模糊自寻优控制查询表4 1 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 北京理工大学能源与环境政策中心2 0 11 年1 月1 5 日发布的“十二五 能源 预测报告显示，到2 0 1 5 年我国一次能源生产总量将达到3 6 3 亿吨标准煤，一次 能源消费总量将达4 3 1 亿吨标准煤，全社会发电量为5 5 亿千瓦时，到时三个指 标值均位于世界第一。所以改善能源利用效率是应对能源与气候挑战的首要途径。 我国的能源结构是以煤为主，其中8 3 的电量来自煤发电。工业锅炉是主要 的热能设备，使用面广，在生产和生活中都扮演着重要角色，其工作情况的好坏 直接关系到能源利用效率的高低。在我国，由于经济技术条件的限制，除了一些 大中型锅炉自动化水平比较高以外，中小型企业供暖锅炉自动化水平一直比较落 后，而中、小型供暖锅炉主要为燃煤链条锅炉，其燃料主要是煤炭，一直沿用间 断运行方式。自动化控制技术落后，造成了能耗高、浪费大的生产状态，其次燃 煤排放的有害气体超标，尤其排放的二氧化碳所引起的温室效应，早己引起国际 关注【。 目前我国大多数工业锅炉采用人工设定参数控制，例如设定鼓风机频率、引 风机频率、炉排频率。在这种情况下，虽然应用了变频器，但并没有起到变频器 应该起到的作用，能源浪费还是相当严重。所以对锅炉系统运用有效控制方法进 行自动化控制不仅可以节能减排，还可以提高锅炉运行的安全性，改善工人工作 环境以及提高劳动生产率。工业锅炉的d c s 自动控制系统，是近年来研发的一项 新技术。工业锅炉采用智能控制算法和d c s 控制系统相结合与传统控制相比具有 明显的优势： t 业锅炉d c s 系统设计与控制方法研究 和启停过程中的测量数据，在上位机控制界面中实时显示锅炉运行的某些参数， 例如出水温度、回水温度、出水流量、回水流量、烟气含氧量、炉膛温度、炉膛 负压、风机运行频率、泵机运行频率等若干运行参量的瞬时值及给定值，减少了 工作人员观察的疲劳和失误；并可以按需要随时打印或定时打印，对运行状况进 行准确记录，以便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象。利用变频技术， 可以随时修改各风机、泵机的运行频率：在上位机控制界面中，还可以修改系统 的控制参数，例如p i d 控制的p 参数、i 参数、d 参数等。 ( 3 ) 从控制方案来看，工业锅炉是多输入多输出、非线性、时变的动态对象， 不仅难以得到精确的数学模型而且各参量间存在着耦合现象，故而要想达到理想 的控制效果应该采用智能控制方案。另外，锅炉d c s 自动控制系统经过扩展后可 以构成分级控制系统，与工厂内其他节点构成工业以太网。 综上所述，将智能控制算法和d c s 相结合对工业锅炉进行控制，可以明显提 高热效率、降低耗煤量、降低耗电量，具有较大研究意义和应用价值。 1 2d c s 的研究与发展现状 d c s 是分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的简称，由过程控制级和过 程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机控制系统。其综合了计算机 ( c o m p u t e r ) 、通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 、控f l u ( c o n t r 0 1 ) 、显示( c r t ) 4 c 技术，基本思 想是集中操作、分散控制、分级管理，具有配置灵活、组态方便等优点【2 1 。 d c s 自1 9 7 5 年诞生至今经历了三代，目前的第四代系统正逐渐的成熟起来， 从总的趋势看，d c s 的发展体现在以下几个方面： ( 1 ) 系统功能从低层( 现场控制层) 逐步向高层( 监督控制、生产调度管理) 扩展； ( 2 ) 系统的控制功能由单一的回路控制逐步发展到综合了逻辑控制、顺序控 制、程序控制、批量控制及配方控制等混合控制功能： ( 3 ) 构成系统的各个部分由d c s 厂家专有的产品逐步改变为开放的市场采购 产品； ( 4 ) 开放的趋势使得d c s 厂家越来越重视采用公开标准，这使得第三方产品 更加容易集中到系统中来。 ( 5 ) 开放性带来的系统趋同化迫使d c s 厂家向高层的、与生产工艺结合紧密 的高级控制功能发展，以求得与其他同类厂家的差异化； ( 6 ) 数字化的发展越来越向现场延伸，这使得现场控制功能和系统体系结构发 生了重大变化，将发展成为更加智能化、更加分散化的新一代控制系统【3 ，4 】。 第一代d c s 是1 9 7 5 1 9 8 0 年间所出现的第一批系统。第一代d c s 是由过程 控制单元、数据采集单元、c r t 操作站、上位管理计算机及连接各个单元和计算 2 地，也更加方便。这个时期的系统开始摆脱仪表控制系统的影响，而逐步靠近计 算机系统。 在功能上，这个时期的d c s 逐步走向完善，除回路控制外，还增加了顺序控 制、逻辑控制等功能，加强了系统管理站的功能，可实现一些优化控制和生产管 理功能。在人机界面方面，随着c r t 显示技术的发展，图形用户界面逐步丰富， 显示密度大大提高，使操作人员可以通过c r t 的显示得到更多的生产现场信息和 系统控制信息。在操作方面，从过去单纯的键盘操作( 命令操作界面) 发展到基 于屏幕显示的光标操作( 图形操作界面) ，轨迹球、光笔等光控制设备在系统中得 到了越来越多的应用 6 1 。 第三代d c s 是以1 9 8 7 年f o x b o r o 公司推出的i as e r i e s 为代表，该系统采 用了i s o 标准m a p ( 制造自动化规约) 网络。这个时期的d c s 在功能上实现了 进一步扩展，增加了上层网络，将生产的管理功能纳入到系统中。就形成了直接 控制、监督控制和协调优化、上层管理三层功能结构，这实际上就是现代d c s 的标准体系结构。这样的体系结构已经使d c s 成为一个典型的计算机网络系统， 而实施直接控制功能的现场控制站，在其功能逐步成熟并标准化后，成为整个计 算机网络系统中的一类功能节点。在构成系统的产品方面，除现场控制站基本上 还是各个d c s 生产厂家的专有产品外，人机界面工作站、服务器和各种功能站的 硬件和基础软件等全部采用了市场采购的产品，这给系统的维护带来了极大的方 便，也使系统的成本大大降低；在网络方面，各厂家已经普遍采用了标准的网络 产品，如各种实时网络和以太网等；在组态方面也实现了标准化，在这方面为用 户提供了极大的便利【7 l 。 第四代d c s 是2 0 世纪9 0 年代末，特别是进入2 l 世纪以来推出的各种系统。 第四代d c s 的主要特征：信息化与集成化；混合控制系统；包容f c s ( 现场总线 控制系统) 进一步分散化；i o 处理单元小型化、智能化、低成本；平台的开放 型与应用的专业化。第四代d c s 的体系结构主要分为四层结构：现场仪表层、控 ：【业锅炉d c s 系统设计与控制方法研究 制装置单元层、工厂( 车间) 层和企业管理层。一般d c s 厂商主要提供下面的三 层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口连接第三方的管理软件平台 ( e r p 、c r m 、s c m 等) 。所以说当今d c s 主要提供工厂( 车间) 级的所有控制 和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。信息和集成( i n f o r m a t i o na n d i n t e g r a t i o n ) 这两个“i ”开头的单词基本描述了当今d c s 系统正在发生的变化。我 们已经可以采集整个工厂车间和过程的信息数据，但是用户希望这些大量的数据 能够以合适的方式体现，并帮助决策过程，让用户以他明白的方式，在他方便的 地方得到他真正需要的数据。信息化体现在各d c s 系统已经不是一个以控制功能 为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。d c s 提供了 从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。 这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。基本上大部分d c s 提供 了过去常规d c s 功能、s c a d a 功能以及m e s ( 制造执行系统) 的大部分功能。 几乎所有的第四代d c s 都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现了混合 控制。这也是为了适应用户的真正控制需求。因为，多数的工业企业绝不能简单 地划分为单一的过程控制和逻辑控制需求，而是由过程控制为主或逻辑控制为主 的分过程组成的。我们要实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必 须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息系统【8 】。 随着应用的普及，大家对信息技术的理解，d c s 已经走出高贵的神秘塔，变 成大家熟悉的，价格合理的常规控制产品。国产第四代d c s 的一个显著特征就是 各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件( i o 处理) 技术，采用灵活的规模配置， 大大降低系统的成本与价格。可以说现在采用先进的d c s 实现工业自动化控制相 比原来采用常规的仪器仪表进行简单控制，用户投资增加不多，但是实现的功能 确大大加强。就控制站而言，原来一个物理信号处理平均15 0 0 元( 人民币) ，而 现在已经降到8 0 0 元左右。过去国外d c s 广泛应用于大中型的系统，国产d c s 在大中型的系统中几乎没有市场，在小型应用中成本很高，但是现在国产第四代 d c s 都采用灵活的配置，不仅经济地应用于大中型系统，而且应用于小系统也很 合适。可以说在技术上正在逐渐成熟起来，具备了与国外d c s 竞争的实力 9 , 1 0 l 。 1 3 工业锅炉控制的研究与发展现状 工业锅炉的自动化控制经历了单参数仪表控制、单元组合仪表、综合参数仪 表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制。尤其是近十几年来，随着先进控 制理论和计算机技术的飞速发展加之计算机各种性能的不断增强，锅炉应用计算 机控制很快得到了普及和应用，锅炉系统的运行状态一直是人们关心的有关能源 利用和环境保护的问题。由于锅炉运行过程中各个物理量之间存在着强非线性关 系，不易得到系统的数学模型，给实现自动控制带来了困难。已有相当多的文献 4 硕士学位论文 对锅炉系统的自动控制进行讨论，讨论的重点在两个方面，其一是追求运行的优 化效果，许多自动控制的新理论都曾经在这个问题上进行过尝试。其二是如何使 得锅炉自动控制系统能够长时间稳定运行。由于锅炉运行的绝大部分时间是处在 稳定状态，影响锅炉燃烧系统节能效果的主要因素是它在稳定状态的工作是否良 好。如果锅炉稳定在经济燃烧的状态，其经济指标就能得到保证。因此锅炉自动 控制系统的任务就是要保证在各种扰动作用的情况下使系统调节在最优的状态。 在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了 现代控制理论中最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率 很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。 在国内，由于经济技术条件的限制，我国中小企业锅炉设备水平一直比较落 后，大多数中小型锅炉水平基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。8 0 年代中 后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制以来，锅炉的计算机控制得到了 很大的发展【1 1 1 。至9 0 年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片 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、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制 等自动控制的最新成果也在锅炉白动控制中得到了尝试和应用。但由于控制技术 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，导致在工程实践中 并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进 行控制的积极性。另一方面，在热能工程学方面，现在采用先进的计算机软件进 行热工综合测试，由此可以对锅炉的运行状况进行分析和诊断。但是，这一结果 却很少被自动控制技术加以利用。 从目前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理 融为一体的综合自动化系统。它是在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术 的基础上，通过计算机和网络系统将整个单位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和市场需求 多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制 领域的一个重要研究方向【1 2 j 。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于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。 目前实际应用中对锅炉供热调节主要有下面3 种方式【l3 】： ( 1 ) 质调，质调是指循环量不变，随着外界温度的变化调节出水温度，外界温 度低，调高出水温度，温度高，降低出水温度。目前大部分锅炉系统采用这种控 制方式，质调的优点在于运行管理简便，系统的水力工况稳定；缺点是热水流量 始终保持设计流量，不随热负荷的变化而变化，能源浪费严重。 丁业锅炉d c s 系统设计与控制方法研究 ( 2 ) 量调，量调是指出水温度不变，随着外界温度的变化调节循环量，外界温 度低，调高循环量，温度高，降低循环量。量调的优点主要在于能节约循环泵的 电能；缺点是容易引起系统的水力失调。 ( 3 ) 分阶段改变流量的质调节，根据外界温度的高低进行量调和质调，外界温 度较低，保持设计大循环量；外界温度较高的时候，保持较小的循环量。在每一 个阶段内，保持流量不变，通过改变出水温度的质调节进行供暖调节。 而对锅炉系统的控制方法理论研究主要有以下几个方面【1 4 。2 0 】： 1 对出水温度控制的研究 在控制理论研究中对出水温度的控制，控制效果比较好的有3 种方法： ( 1 ) 应用模糊p i d 控制对出水温度进行控制，通过仿真此种方法，在稳定性、 快速性、准确性方面都优于传统p i d 控制。 ( 2 ) 应用变比例因子模糊p i d 控制对出水温度进行控制，通过仿真对比了普 通模糊p i d 控制和变比例因子模糊p i d 控制的效果，通过仿真图可以看出两者的 控制效果基本一样。在锅炉控制系统的实际应用中后者使控制规则相应变得复杂， 降低了模糊控制的可靠性，而且使推理时间变长，影响控制的时效性。 ( 3 ) 应用神经模糊控制对出水温度进行控制，通过仿真对比了普通模糊控制和 神经模糊控制的效果，通过仿真图可以看出神经模糊控制的稳态时间比普通模糊 控制的稳态时间小，速度更快一些。但是单纯利用模糊控制在平衡点存在死区。 2 对风煤比控制的研究 对风煤比的控制广泛采用模糊自寻优p i d 控制，不同的是有些以炉膛温度为 被控量，有些以烟气含氧量为被控量。以烟气含氧量为被控量存在一些问题，例 如锅炉生产过程中，烟道漏风增加、煤质变化、锅炉结垢等原因都会对最佳含氧 量模型的参数产生影响；氧量信号的滞后时间较长，当负荷突变时，燃料量突变， 而氧量反应不及时，仍保持原来的送风量，造成燃烧不充分。 3 对炉膛负压控制的研究 炉膛负压控制对象的时间常数较小，延迟不明显，也不是高阶对象，比较容 易控制，一般均采用常规p i d 控制和鼓风量前馈p i d 控制。 4 对回水压力控制的研究 回水压力控制对象的时间常数较小，延迟不明显，也不是高阶对象，比较容 易控制，一般均采用常规p i d 控制。 1 4 工业锅炉的工作过程 工业锅炉的功能是生产具有一定温度的水或蒸汽，其基本的构成是锅筒和炉 膛。燃料在炉膛里进行燃烧，燃烧产生高温烟气( 将化学能转化为热能) ，通过 锅筒受热面，将热量传递给锅筒内的水。锅炉的工作过程概括起来包括三个同时 6 硕士学位论文 进行着的过程：燃料燃烧过程、烟气向水的传热过程和水循环过程。 1 燃料的燃烧过程 燃料经振动给料机加到煤斗中并落在炉排上，炉排由链条带动，将燃料带入 炉内，燃料一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的氧气由鼓风机在大气中抽得的 空气经空气预热器送入炉排中的风箱后，向上到达燃料燃烧层。燃烧剩下的灰渣， 在炉排末端落入灰斗【2 1 1 。 2 烟气向水的传热过程 炉膛的四周都布置着水管，称为水冷壁。由于燃烧放热，炉膛内温度很高， 高温烟气与水冷壁进行辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水，同时烟气 受引风机的引力向炉膛上方流动，烟气经过炉膛出口并通过省煤器( 利用烟气余 热加热锅炉给水) 和空气预热器( 利用烟气余热加热燃料燃烧所需要的空气) 进 行热交换后，较低温度的烟气经除尘、去硫等一系列净化工艺最后从烟囱排出 2 h 。 3 水循环过程 经过加温的热水流向供热管网，在循环泵( 循环泵的功能是克服液流的阻力， 使系 锅炉 1 5 制， 锅炉 空气 中， 提高 引风 环境 可避 冷， 大水 源浪 丁业锅炉d c s 系统设计与控制方法研究 统、风煤比控制系统、炉膛负压控制系统和回水压力控制系统，并利用智能控制 方法对系统某些参量进行控制，以期达到节能增效的目的。 根据用户要求并结合自身水平，本控制系统的设计要达到以下几点： ( 1 ) 监控界面，提供人机友好的监控界面，界面中可以修改控制值，实时显示 各参量的监控值，并对一些数据进行归档、分析和处理。 ( 2 ) 自动检测，通过检测元件和仪表，将各风机运行频率、出水温度、回水温 度、出水流量、回水流量、炉膛温度、炉膛负压等数据进行实时连续测量和显示。 ( 3 ) 程序控制，锅炉的启动、运行、停止及设备出现故障等一系列操作实现自 动化。在锅炉试运行时，这种程序控制功能要能被取消。 ( 4 ) 保护及连锁，当锅炉运行参数超过规定值时，要发出报警信号，提醒值班 人员注意并采取有效措施保证锅炉正常运行。 ( 5 ) 后备手动操作，对电机的变频器提供一套手动操作系统，当p l c 出现问题 时，能够进行全手动操作；对锅炉运行的一些重要参数要求有二次仪表显示。 1 6 课题主要研究内容 本文通过对用户锅炉控制系统的设计及对控制系统的研究，课题主要工作和 研究内容包括： ( 1 ) 阅读相关文献，了解目前工业锅炉的控制水平和现状以及锅炉运行的各个 过程。学习掌握电气工程图绘制、i o 分配、器材选型、柜体布线，能够熟练运用 s 7 3 0 0 编程软件和w i n c c 组态软件。 ( 2 ) 综合考虑现场情况、生产管理和控制三个方面，确定控制方案，拟采用d c s 系统，分为三层结构：操作管理层、过程控制层、现场检测层。 ( 3 ) 根据锅炉系统是比较复杂的、不确定性的非线性系统，拟采用模糊p i d 控制方法对出水温度进行控制、模糊自寻优控制方法对风煤比进行控制、鼓风量 前馈p i d 控制方法对炉膛负压进行控制、常规p i d 控制方法对回水压力进行控制。 并利用m a t l a b 的s i m u l i n k 平台进行建模和仿真，通过仿真结果分析控制方 法是否可行。 ( 4 ) 编写控制程序和组态监控界面。 ( 5 ) 对所设计系统进行现场调试，对调试过程中出现的问题加以概括和总结。 1 7 本章小结 本章主要阐述了课题的研究背景和研究意义，以及d c s 和工业锅炉的国内外 研究与发展现状。简单介绍了锅炉的工作过程和控制任务及控制要求，最后概括 了课题的主要研究内容。 8 统的最优化，获得更大的节能效益。基于这种设计思想，本文以工业以太网、现 场总线、p l c 、计算机和组态软件为核心设计工业锅炉的d c s 控制系统。 2 1 系统分析 锅炉设备包括锅炉本体设备和锅炉辅助设备两部分，主要设备如表2 1 所示： 表2 1 锅炉设备 组成部分名称设备名称 水循环系统：上锅筒、下锅筒、水管、省煤器 锅炉本体燃烧系统：链条、燃烧器、空气预热器 构架系统：炉墙、构架、风室 风机设备：鼓风机、引风机、炉排机 给煤设备：电磁除铁器、斗式提升机、水平带式输送机等 锅炉辅助设备 给水设备：循环泵、补水泵、除氧泵、除氧水箱、软化水箱 变频器设备 检测仪器：热电偶变送器、电磁流量计、微差压变送器等 在进行系统设计之前，首先需要分析系统的组成及各部分需要监控的参量。 整个锅炉系统主要分为四部分：风机系统、水系统、给煤系统、附加监控系统。 2 1 1 风机系统 系统中共有两台锅炉，所以每台锅炉分别配有引风机、鼓风机，为了实现系 统的高效节能要求，每台风机的运转频率均由变频器控制。各风机需要监测的量 共有六个：开关自动位置( d i ) 、接触器吸合状态( d i ) 、变频器是否运行( d i ) 、电 机故障状态( d i ) 、电机电流( a i ) 、电机实际运行转速反馈( a i ) ，另外为了对风机 运行状态进行上位机给定控制，还要有作为数字量输出的电机启动命令( d o ) 和电 机停止命令( d o ) ，作为模拟量输出的电机转速给定( a o ) 。 风机系统共有数字量输入( d i ) 点1 6 个、数字量输出( d o ) 点8 个、模拟量输 入( a i ) 点8 个、模拟量输出( a o ) 点4 个，具体配置如表2 2 所示。 9 由 以 ( a i ) 硕士学位论文 表2 3 给水系统配置 设备名称功能描述i o 信号类别信号接线位置数量 开关自动位置 d i 来自控制台 2 接触器吸合状态 d i 来自控制台 2 变频器运行 d i 来自控制台 2 电机故障状态d i来自控制台2 循环泵电机启动命令d o送至控制台2 电机停止命令 d o 送至控制台2 电机电流 a i 来自变频器 2 电机转速反馈 a i 来自变频器 2 电机转速给定 a o 来自变频器 2 开关自动位置 d i 来自控制台 2 接触器吸合状态 d i 来自控制台 2 变频器运行 d i 来自控制台 2 电机故障状态d i 来自控制台 2 补水泵 电机启动命令 d o 送至控制台 2 电机停止命令 d o 送至控制台 2 电机电流 a i 来自变频器 2 电机转速反馈 a i 来自变频器 2 电机转速给定 a o 来自变频器 2 开关自动位置 d i 来自控制台 2 运行状态d i来自控制台2 除氧水泵电机故障状态 d i 来自控制台2 电机启动命令 d o 送至控制台 2 电机停止命令 d o 送至控制台 2 2 1 3 给煤系统 本系统中燃料煤经电磁除铁器除铁完毕后进入斗式提升机，然后由斗式提升 机将煤送到水平带式输送机上，送往犁式卸料器，最后煤落到炉排链条，燃料煤 一边燃烧一边向后移动，燃烧剩下的灰渣在炉排末端通过除渣机后排入灰斗。其 中炉排机运转频率由变频器进行控制，其他每台电机均设有开关自动位置( d i ) 、 运行状态( d i ) 、电机故障指令( d i ) 、电机启动命令( d o ) 、电机停止命令( d o ) 。 给煤系统共有数字量输入( d i ) 点3 8 个、数字量输出( d o ) 点2 4 个、模拟量输入 工业锅炉d c s 系统设计与控制方法研究 ( a i ) 点5 个、模拟量输出( a o ) 点2 个，具体配置如表2 4 所示。 表2 4 给煤系统配置 设备名称功能描述i o 信号类别信号接线位置数量 开关自动位置 d i 来自控制台2 接触器吸合状态 d i 来自控制台2 变频器运行 d i 来自控制台2 电机故障状态 d i 来自控制台 2 炉排机 电机启动命令 d o 送至控制台 2 电机停止命令 d o 送至控制台 2 电机电流a i 来