（机械工程专业论文）基于windows+nt+40平台的dcs系统在火电厂的应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 为解决火电厂蒸汽品质因内外扰动大对机组安全性和经济性造成的不利影响， 本文在简要概述了国内外热工自动控制和d c s 控制系统发展方向的基础上，应用先 进控制方法和d c s 功能块的灵活组态，利用状态向量控制思想，进行了汽温控制系 统的改进，将整个控制策略分成若干个向量控制模块，利用各功能模块在整个控制 过程中的作用，成功地解决了大型火电机组过热、再热汽温等大迟延、非线性、多 变量被控对象的控制品质问题，经现场试验，过热、再热汽温自动回路投入率达到 了9 9 以上，汽温控制系统的可靠性和汽温控制品质得到了明显的提高。 关键词：d c s ，控制系统，控制策略，汽温控制 a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ea d v e r s ee f f e c tt os e c u r i t ya n de c o n o m yo ft h eu n i t ，w h i c hi s c a u s e db ys t e a mq u a l i t yb e c a u s eo fi n t e r n a la n de x t e r n a ld i s t u r b a n c ei nt h e r m a lp o w e r p l a n t t h et e x ti s b a s e do nas k e t c hs u m m a r yo fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt h e r m a l t e c h n o l o g y a u t o - c o n t r o la n dd c sc o n t r o l s y s t e md e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，u s i n g t h e a d v a n c e ds t r a t e g ya n dt h ef l e x i b l ec o n f i g u r a t i o no fd c sf u n c t i o n a lb l o c k ，u t i l i z i n gt h e t h o u g h to f s t a t ea n dv e c t o rq u a n t i t yc o n t r o l ，d e s i g nt h et e m p e r a t u r es y s t e ma g a i n d i v i d e t h ew h o l ec o n t r o ls t r a t e g yi n t os e v e r a lv e c t o rq u a n t i t yc o n t r o lm o d u l e s ，u t i l i z i n gt h e f u n c t i o no fe v e r yf u n c t i o nm o d u l ei nw h o l ec o n t r o ll i n gc o u r s e ，s u c c e e d i n gi ns o l v i n g l a r g e s c a l et h e r m a lp o w e rp l a n to v e r h e a t e d ，h o t t e rt e m p e r a t u r ed e l a y , n o tl i n es h a p e ， m a n yv a r i a b l e ，t h ec o n t r o lq u a l i t yp r o b l e m t h o u g ht e s t i n g ，t h ep u t t i n gi n t o r a t eo f a u t o m a t i cr e t u r nc i r c u i to fo v e r h e a t e d ，h o t t e rt e m p e r a t u r ei sm o r et h a n9 9 i tn o to n l y i m p r o v e s t h e d e p e n d a b i l i t y o ft h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m b u ta l s om a k e st h e t e m p e r a t u r ec e n t r e lq u a l i t yg e tg r e a ti m p r o v e m e n t l i uf e n g z h a n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fh a n q i n g y a o k e yw o r d s ：d c s ，c o n t r o ls t r a t e g y , t e m p e r a t u r ec o n t r o l 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士学位论文基于w i n d o w s n t 4 0 平台的的d c s 系统在火电厂的应用研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：型生乳日 期：丝堑蛀堰盐 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向 有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保 存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交 换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：剑蝰辜 日 期：丝进：1 2 ：丛 导师签名：睡萎氆 日 期：趁生：! 主：! ! ： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章引言 热工自动控制的发展在我国经历了以下阶段； ( 1 ) 初级阶段：本世纪5 0 年代前后，热工生产过程主要是凭生产实践经验， 热工测控设备局限于一般的控制元件及机电控制仪表，机、炉、电属于各自独立的 分散的局部自动控制，我国在6 0 年代初期也开始使用国内自行研制的电子管式电 动单元组合式仪表d d z i 型，其过程控制的目的主要维持少数几种参数的定值控制， 所应用的控制理论为经典控制理论，控制效果属于定性控制，大致维持参数在某一 范围内。 ( 2 ) 自动化阶段：到7 0 年代前，电动单元组合仪表和巡回检测装置的技术进 一步成熟，能够实现把机、炉作为整体来进行集中控制，从而使机炉启停运行更为 协调。我国在6 0 年代中期以后也开始采用和推广成套的晶体管电路的自动化设备 d d z i i 型电动单元组合仪表。所应用的控制理论仍为经典控制理论，控制效果仍属 于定性控制，被控参数品质很难进一步取得较好的效果。到了7 0 年初期，我国开 始采用具有一定集成度的电子自动化设备组件组装式仪表，如t f 9 0 0 ，m z i i i 和s p e c 2 0 0 ，同时也推出了d d z i i i 型电动单元组合仪表；到7 0 年代中期，引进 并生产了微机可编程调节器如k m m 仪表和可编程程序控制器p l c ( p r o g r 删a b l el o g i cc o n t r o l ) ，开始把微型计算机技术引入自动化控 制设备。 ( 3 ) 综合自动化阶段：7 0 年代至今，由于科技的发展，以微处理器为基础， 应用网络通信技术、计算机技术、c r t 显示技术及过程控制技术构成的集散控制系 统( d c s ) 应运而生，使热工过程控制发展达到了一个新的阶段。我国在8 0 年代末 随着同整套大型火电机组引进的同时，其分散控制系统( d c s ) 也逐步引进到国产 机组中来，例如，美国a b b 贝蕾( b a i l e y ) 控制公司研制的n - 9 0 、i n f l 9 0 等控制系统， 美国西屋公司生产的w d p f 控制系统，德国西门子公司研制的t e l e p e r m m e 、 t e l e p e r m 控制系统，上海新华控制公司x d p s 控制系统等在我国大型火电机 组控制系统中占有一定的市场份额。其所用的理论大多为经典控制理论，少量为现 代控制理论，控制品质得到了质的提高。使控制效果达到定量控制成为可能。 总之，d c s 的应用使火电厂更新了传统的生产操作手段，经历了全程多参数综 合控制的新概念，向着控制的简便性、稳定性、安全性、预见性和优化性等方面迈 出了新的一步。d c s 已成为我国大型火电机组的必备控制系统。高级控制策略己被 证明具有卓越的控制品质，d c s 系统本身也不断发展、完善和丰富，为采用先进的 华北电力大学工程硕士学位论文 控制理论和控制策略创造了条件，有望能更好地解决火电机组大迟延、非线性、多 变量等被控对象的自动控制问题，进行高级控制策略应用研究是进一步提高d c s 应用水平的一个有效途径。 1 。2 国内外研究动态 随着电子计算机技术可靠性的进一步提高，分散控制系统( d c s d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) 的控制过程从分散控制向相对集中控制方向发展。例如，德国西门 子公司八十年代推出的t e l e p e r m m e 控制系统2 2 0 e a ，其自动系统每一块现场 过程控制卡都带有自己的c p u ，都运行自己独立的程序，是一个相对独立的微处理 器控制单元；西门子公司九十年代推出t e l e p e r m x p 控制系统与t e l e p e r m m e 控制系统相比，每一块现场过程控制卡设有c p u ，只相当于微处理器控制单元的u o 设备，完成输入、输出功能，一定数量的i o 设备配置公用微处理器控制单元，当 然微处理器控制单元一般情况下必须进行冗余配置，从而提高d c s 系统的可靠性。 目前广泛应用于工业现场的控制系统是分散控制系统( d c s ) ，它体现了分散控 制与集中操作及管理的思想。但由于d c s 普遍采用专用网络和通讯协议，使d c s 系统成为一个封闭的“信息孤岛”，无法实现与其它厂家的系统或仪表的互连；同时， d c s 系统是一种模拟数字混合系统。其测量、变送与控制仪表一般为模拟仪表，采 用4 2 0 m a 模拟信号，因此d c s 系统与现场仪表的连接电缆多，信号传输可靠性 差；特别是模拟信号只能单向传输信号，控制系统与现场仪表之间无法实现双向信 息传送，使管理人员无法了解现场仪表的工作状况，不能实现远程在线诊断与状态 检修。现场总线的出现，使d c s 系统面临着一次新的变革。 现场总线( f i e l db u s ) 是指安装在工业现场的数字通信总线，它克服了d c s 系 统专用网络的封闭性，把集散式结构推向全分散结构，把控制功能前移到现场仪表， 依靠现场智能装置本身就可实现基本控制功能。通过开放的现场总线协议将各厂家 的设备融合在一个系统，实现综合自动化的各种功能，并可方便地实现现场仪表的 在线诊断和远程维护，为组成功能强大的开放系统、实现设备资源和信息共享奠定 了坚实的基础，它是未来工业控制系统应用的主流技术。但是，目前还处于现场总 线发展的初级阶段，现场总线国际标准开发工作进展缓慢，单单技术上涉及到控制 系统最底层的现场设备及互连通讯，就牵涉到几乎每个工业领域，有许多技术难点， 至今还有一些现场总线标准和相关的技术问题( 智能变送器和各类智能执行机构 等) 未得到根本解决，仍在进行技术上的准备和一些试验工作。尤其是火电生产， 在生产的安全性，控制的实时性，多变量的控制回路及控制回路之间的相互影响等 方面，都有一些高于或有别于其它行业的特殊要求，特别要考虑自动化系统的可靠 性、成熟性。因此，从整体上来说，火电厂的自动控制系统仍然以采用目前尚在发 2 华北电力大学工程硕士学位论文 展着的d c s 系统为宜。 1 3 本文的目的与任务 电站锅炉在实际运行过程中，其蒸汽品质与设计数据往往有较大的差距，问题 表现为：在正常的工况下使用的减温水量过大，导致抗扰动的减温水备用裕量很小； 锅炉吹灰不及时，易造成汽温越限，影响机组的安全和机组的经济性能指标。为解 决电站锅炉过热汽温、再热汽温超温的问题，改进控制模块和控制系统，更好地控 制蒸汽品质，提高锅炉的经济性与安全性，本文主要进行以下内容研究，： 1 电厂分散控制系统( d c s ) 应用平台分析研究，进行基于d c s 的汽温控制过程 通用模块控制程序设计和程序运行周期设计。 2 ，在d c s 控制平台上通过对汽温控制算法进行分析研究，实现d c s 控制系统 与先进控制方法有机融合，保障系统的安全可靠。 3 改进设计汽温控制系统，解决现场过热器与再热器超温问题。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章d c s 系统平台分析与a s 2 2 0 e a 功能模块设计 2 1 d o s 系统平台分析 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 系统是对生产过程各参数进行分散控制，集 中管理，以降低控制系统运行风险，防止某一控制卡件或模块故障，导致整个控制 系统瘫痪，从而提高了控制系统的工作可靠性。 2 1 1 d c s 系统的网络结构 ( 1 ) 系统网络 d c s 系统网格分为实时数据网与信息数据网两部分，均采用以太网。 实时数据网 实时数据网连接系统中分散处理单元d p u 、操作员站o p u 、工程师站e n g 、历史 数据站h s u 等不同的节点。高速传递实时数据、组态信息、控制指令。采用l ：l 冗余总线式结构。1 ：1 冗余通讯接口卡，传输检测信息，任何一条网络故障都不会 影响通讯。 信息数据网 信息数据网按单网配置，连接操作员站o p u 、工程师站e n g 、历史数据站h s u 等节点。为人机接口软件( m m i ) 提供快速高效的信息传递通道，用于操作系统支 持的文件及打印共享。 i o 网络 分散处理单元d p u 的i o 站，通过i l o 网络与d p u 相连，i o 网络采用高速串 行总线b i t b u s 传递实时数据及控制操作指令，软件检测与纠错。 ( 2 ) d c s 系统硬件配置 操作员站o p u 操作员站o p u 采用开放结构，用高可靠工业p c 机，配以c r t 、打印机、键盘、 鼠标跟踪球及外设接口组成完整的操作员站。 工程师站e n g 工程师站与操作员站相同配置，它附加的工程师软件完成整个d c s 系统功能组 态、组态数据下装、修改与维护。 i o 站 i i o 站由机箱、i o 总线板、i o 站通讯卡、i l o 卡组成。i o 站安装1 4 块卡件。 其中，i o 站通讯卡2 块，i 0 卡件1 2 块。i 0 通讯卡与冗余d p u 通讯，i o 卡分 4 华北电力大学工程硕士学位论文 别与相应端子板连接，i o 站根据现场应用场合的灵活配置，可以组成汽轮机阀门 控制站、o p c 控制站及各种功能i o 站。i o 站与d p u 安装在d p u 机柜内，d p u 柜与 i o 端子柜配合使用。 i o 卡件 i o 卡件是带c p u 的智能型输入输出卡件，输入输出信号的转换与处理在卡 件内完成。 卡件的类型有：模拟量输入卡a i 、模拟量输出卡a 0 、数字量输入卡d i 、开关 量输出卡d 0 、脉冲量输入卡p i 、回路控制卡l c 、伺服阀控制卡v c c 、i o 通讯卡 b c 。 1 o 端子柜 i o 端子柜与d p u 机柜配套，现场i o 信号进入i o 端子柜内对应端子，每一 块端子板用预制电缆与d p u 机柜内的对应的i o 卡件连接。 ( 3 ) d c s 系统的软件组成 d c s 系统软件分为人机接口m m 软件，d p u 站的过程控制软件与g t w 软件三部 分，通过系统网络与i o 网络的通讯软件融为一体，交换各种数据及管理、控制信 息，完成工业生产过程的实时控制，监视与操作。为用户提供优化过程控制和管理， 既能生成数据采集、回路控制、顺序控制，又能组成从简单到复杂，从常规到优化 的各种控制算法。 操作员软件 姗i 总控软件 m m i 总控软件是d c s 系统实时数据库管理及网络通讯管理系统。在启动其它任何 m k l i 或g t w 软件时，必须启动总控软件，也即启动d c s 系统实时数据和实时网驱动 程序。 自检 实时进行冗余数据网上各节点的运行状态检测。 系统中各分散处理单元( d p u ) 中各i o 站工作状态检测。 各i o 站内各输入输出卡件上各通道的状态检测。 图形显示 图形显示软件是人机交互的界面接口，可进行模拟流程图和总貌、统计结果、 过程状态、特殊数据记录、历史数据、趋势状态等显示 单点显示 单点显示检测全局数据库中某一测点实时数据的变化，在线修改测点的状态、 报警、实时值 数据库一览 数据库一览x l is t 用来监测全局数据库中测点实时数据的变化，根据测点的静 5 华北电力大学工程硬士学位论文 态特性过滤输出：测点类型、服务器、节点号、测点组、测点名；根据测点的动态 特性过滤输出：品质坏点、扫描点切除、报警点、报警未确认点。 报警一览 检测全局数据库中报警测点实时数据的变化，用不同的的字体颜色直观地标注 各报警测点的优先级。 根据测点的静态特性过滤输出，过滤栏显示：测点类型、服务器、节点号、测 点组、报警优先级。 报警测点按其发生时间由新至旧顺排列，保留报警状态变化时数值与状态，满 足过滤条件的测点出现在测点视图的顶端。 报警弹出功能，及时提醒操作员系统的状态。 状态栏显示报警一览中所有测点的统计数据，包括测点总数，测点总数中的报 警点、坏点、复归点的数量。 单个记录查看 在线确认单个报警测点 在线确认整页报警测点 报警历史 报警历史软件用来显示报警实时队列和报警历史文件的记录，用不同的字体颜 色标志记录的类型。 显示报警记录的来源、类型、静态特性：节点号、测点组、最低报警优先级、 单个记录查看、打印输出 显示报警记录的报警时间、节点号、性能。 显示报警记录的服务器号、节点号、测点组、优先级。 单点记录显示 实时趋势和历史趋势 实时趋势和历史趋势是以图形的方式显示测点的实时趋势和历史趋势。 实时趋势：显示趋势点的实时值 历史趋势：显示历史收集记录点的历史值 报表打印 报表打印程序为用户提供选择报表格式和打印时间。 周期型报表：选择打印的报表页名称和报表的起始时间。 触发型报表、追忆报表、s o e 记录，选择打印内容的起始时间和结束时间。 条件触发 当满足给定条件时推出相应的操作画面，或定时翻动画面。 模拟量触发：低低限、低限、高限、高高限触发推出图形。 开关量触发：正常状态变为报警态时触发推出图形。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 ，2d c s 系统功熊 d c s 系统是由一系列功能强大的通用模块组成的测量和监控设备。它通过恰当 地组态和合理地冗余配置，并辅以必要的常规监视仪表和手动操作装置，构成一个 完善的、统一的和实用的综合自动控制系统。其功能包括； ( 1 ) 过程信号采集和处理( d a s ) ： ( 2 ) 开环和闭环控制( s c s 、c c s 、b m s ) i ( 3 ) 过程运行操作和监视( i s 、o s ) ： ( 4 ) 过程事件和故障的信号记录( s o e ) ： ( 5 ) 过程数据和事件的文档管理； 厂缀* i s 最 图2 - 1d c s 系统框图 2 2 a s 2 2 0 e a 系统功能模块组态程序及程序周期设计 d c s 系统中最重要的组成部分a s ( a u t o s y s t e m ) 系统，负责完成控制过程中 的数据采集、存储、传送及变换，进幸亍模拟量的开环控制和闭环控制，以及关于保 护及联锁的逻辑运算。其中的过程测量元件、分析设备、电动机、阀门等之间的信 7 华北电力大学工程硕士学位论文 号传输是通过端子箱( j u n c t i o nb o x ) 和配线柜进行硬线连接。d c s 系统有两种形 式的a s 系统，一种是有中央单元的自动控制系统a s 2 2 0 e h f ；另一种是无中央单 元的系统a s 2 2 0 e a 。这两种系统都可以单机使用或联网使用，用于任何级别的自动 控制过程中，主要视具体控制过程的安全等级要求而定。a s 2 2 0 e a 系统的硬件是一 个模块化、4 分布式的自动系统，主要包括多种可组态的通用功能模块和信号模块以 及柜内i o 总线控制模块，它们通过i 0 总线接口模块n 8 h 连接到总线系统。 2 21 a s 2 2 0 e a 系统中的功能模块和信号模块 a s 2 2 0 e a 自动系统中的各种功能模块用以处理有关测量和控制的所有信息，具 有自动控制功能；信号模块用来从过程中采集模拟量和开关量信号，通过i o 总线 进行分配，或向过程发送模拟量和开关量信号，可完成下列任务： ( 1 ) 单项控制：包括模拟量与开关量信号采集和处理，单项的开环和闭环控 制，保护和联锁功能； ( 2 ) 机组和成组控制：包括机组控制、成组控制、子组控制和子回路控制。 a s 2 2 0e a 自动控制系统采用了无中央处理单元的结构，即每一块功能模块和 信号模块上都有自己的微处理器( c p u ) 和存储器，都固化有服务于本模块的应用 程序。充分体现了集散控制系统中关于故障分散的思想，可以大量扩充功能与运算 模块，而且对某功能的处理时问不受系统大小的限制，适用于比较复杂的控制场合。 a s 2 2 0 e a 自动系统提供了多种功能模块和信号模块： 步迸控制模块：6 d s l 4 1 1 - 8 d d 、6 d s l 4 1 t - 8 1 l r 连续控制模块：6 d s l 4 1 2 8 d d 、6 d s l 4 1 2 - 8 r r 开关量输出模块：6 d s l l 6 0 3 8 b a 单项开关控制的开关量运算模块：6 d s l 7 1 7 8 c c 、6 d s l 7 1 7 。8 a a 模拟量信号运算模块：6 d s l 7 2 2 8 b a 开关量信号运算模块：6 d s l 7 2 3 8 a a 子组控制模块：6 d s l 7 2 3 8 b l 成组控制模块：6 d s l 7 2 5 8 a a 模拟量输入模块：6 d s l 7 3 1 - 8 c c 、6 d s l 7 3 1 - 8 d c 模拟量记忆模块：6 d s l 9 0 6 8 a a 等。 2 2 2 a s 2 2 0 e a 系统功能模块组态程序及程序周期设计 现场实践证明，在d c s 软件故障中，因数据错误而引起的故障比例很小，绝大 部分故障是由于程序代码错误而引起的。基于这个原因，本文应用组态软件技术， 将功能控制程序代码设计成许多固定的模块，这些模块在应用过程中，只要确定其 操作数、操作步骤及操作结果，就可实现过程控制。模块组态程序存储在e e p r o m 华北电力大学工程硕士学位论文 存储器中，各功能块予程序库贮存在e p r o m 中。组态程序运行过程如图2 - 2 所示： 每个模块都有6 4 根连接端子，分别与现场1 1 0 信号连接在一起( 图2 - 2 中的x 2 硬 接线信号：0 - 1 0 v ，4 - 2 0 m a ，热电偶m v 、热电阻q ) ，模块还有卡件插口与i o 总 线控制模块直接保持通信，随时调用子程序库。 图2 - 2 模块组态程序及运行过程示意图 在控制系统中，每个模块在组态过程中都按图2 3 所示的程序结构：定义卡件 对象所在的逻辑地址、类型、初始化及快慢周期程序的分配等。组态程序下载到模 块中，只要一得电，程序就沿着时间轴周期运行。在组态过程中，快周期程序的周 期时间是2 3 3 m s ，慢周期程序的周期时间视控制程序的长短而定，模块程序周期运 行过程如图2 - 4 所示，每隔2 3 3 m s 快周期程序就运行一次，同时在一个运行周期 内，除了运行快周期程序以及系统程序外，只能运行慢周期程序其中的一小部分， 完整运行一次慢周期程序需5 0 一6 0 r a s ，本文在组态快周期程序时，控制任务量不要 太大，使运行周期所需的时间不大于规定的周期时间2 3 3 m s 。 9 兰! ! 皇垄盔兰三矍堡主兰堡垒苎 p 瑚m ( i r 州t 叫钠o 桡圃期自盼 口hc ”l l c 慢圈期自阱 t s l 硝e b 1 h 匝堕鲴 a s ，9 9 用户组态定义 s p 8 7 i ；：! ；篱9 初始化部分 s z y k快周期部分( 2 3 3 m s ) l z y k 慢周期部分 e n d e主程序结束标位 u p m a ，n 0 子程序部分 r e t 。 图2 - 3 组态程序结构示意图 t 印蓦境国芋j 虹曼恫( 与凰嘲射树i 若) t e 鲥c 1 1 言号辕刈枉目恂衄 乜模 5 i i 鸯每 船嘲埋时问缸j 面 t s 倥周斯瞠亭处理时问 s 吐快厕期鼬斡 争 t t a s t2 1 讲可以冒培日惆釉赶骤悯 t r 媳k 唰眇窜给幔同胂蛳舶悯幢，目 t 静横降切 魑e 埘魄啦蝴 1 日k 慢嚼蛹警# 揩争 图2 - 4 程序周期时间轴展开示意图 d e v 功能模块组态程序及程序周期设计如下： a s ，9 9 ： s p ，5 ： a e i ，5 ，d z x a ，0 ： 定义自动系统对象逻辑地址 定义模件逻辑地址 定义卡件第五通道量程晟小值0 最大值1 0 0 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 x e ，1 0 0 ： a e i ，6 ，d z ： x a ，一1 0 ： x e ，1 0 ： a e i ，3 ，d z ： x a ，一1 0 ： x e ，1 0 ： s z y k ： l a d k ，1 ： z u w m a ，1 0 ，1 2 l a d ，e a ，s ，5 ： d i f ，m a ，1 0 ，1 0 v ，2 ，m a ，1 0 ，1 2 v ，3 ，e ，s ，1 ： z u w ，m a ，1 0 ，1 3 l a d k ，1 ： z b w ，m a ，1 2 ，l ： l a d ，e a ，s ，6 ： a s l ，e a ，s ，1 ： z u w ，m a ，1 2 ，5 l a d k ，1 ： z u w ，m a ，1 3 ，1 l a d ，m a ，1 2 ，5 r o b ，姒，1 3 ，l i n t ，m a ，1 1 ，l v ，2 ， l a ，1 2 ，1 l z y k ： 定义卡件第六通道量程最小值一l o 最大值1 0 定义卡件第三通道量程最小值- 1 0 最大值l o 快周期程序 给m a ，1 0 ，1 2 赋值，大小为常数1 读取第五通道的信号值 对第五通道的信号值进行微分( 实际) 设置微分环节的时间常数，由m a ，1 0 ，1 2 赋值 设置微分环节的开关量触发信号，开关量为l 时， 微分环节不起作用，输入信号直接输出，开关量为0 时，微分环节起作用，本环节该信号由卡件本身第一 开关量通道信号( e s ，1 ) 赋值 把微分环节的运算结果赋给m a ，1 0 ，1 3 给姒，1 2 ，l 赋值，大小为常数l 读取第六通道的信号值 对模拟量第一通道信号与第六通道信号值进行选择切 换 设置切换环节的开关量切换信号，开关量为l 时，切 换环节输出为e a ，s ，l ，开关量为0 时，切换环节输出为 e a ，s ，6 ，本环节该信号由开关量m ，2 ，2 提供 把切换环节的运算结果赋给m a ，1 2 ，5 给m a ，1 3 ，1 赋值，大小为常数1 读取m a ，1 2 ，5 的值 对该信号进行死区过滤，过滤限值由m a ，1 3 ，1 提供 对死区环节输出值进行积分 慢周期程序 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3d c s 系统可靠性设计 2 3 1 引发d c s 系统故障因素分析： 引发d c s 系统故障原因包括系统内部原因和系统外部原因，其中系统外部原因 诱发因素包括环境温度、湿度、电源的波动、电磁干扰、冲击、雷击、振动、腐蚀 等；系统内部内部原因诱发因素包括系统本身的缺陷( 如元件失效、电路开路或短 路) ，软件设计中的问题。 2 3 2 d c s 系统可靠性设计： 其一，本文遵循危险分散的原则( 即控制分散、供电分散、负荷分散、干扰分 散) ，将d c s 系统分为多个独立单元，每个单元都采用模块化结构设计。 其二，将电源系统进行冗余配置，并对电源进行分级分段供电，如图2 5 所示。 用户4用户5用户6 用户7 用户8 图2 - 5 电源分级、分段配置示意图 其三，对防止内部因素诱发的故障， 系统设备采取安全可靠的隔离、屏蔽、接 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 地措施；对防止外部因素诱发的故障，采取控制环境温度、环境湿度满足电子产品 的应用要 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章d c s 系统控制方式研究 随着发电机组向大容量、高参数的发展，被控对象变得更加复杂，对控制要求 更高，常规的汽温串级控制己经不能完全满足汽温控制品质的要求。分散控制系统 ( d c s ) 具有高速度、大容量的运算能力及功能强大的软、硬件资源，它在大型火 电机组中的广泛应用为采用先进的控制方式提供了技术基础，从而使现代控制理论 和智能控制在汽温控制中的应用得到很大进展。本文对带观测器的状态反馈控制、 控制方式进行分析，完成了d c s 与先进控制方式的有机融合，在现场运行中取得了 较好的效果。 3 1 控制方式在0 0 s 系统中的组态分析 d c s 系统能够提供实现各种控制方式的软件，这类软件充分利用计算机的计 算、作图和逻辑运算功能，通过人机对话使人参与各种控制方式的设计分析与组态 过程，使d c s 系统有效地进行各种生产过程控制方案的实施。 d c s 控制系统提供便于组态的模块结构化绘图软件包，能方便实现常规用以机 理模块构成的偏差算法的串级控制，以及各种算法下的前馈、超弛、比值、分段、 变参数等控制，如图3 1 所示。 j 以机理、 f 横型构! i 成的偏j 、差算法 ，7 一k 、 软、硬 j i 、件接口 j 、一， 图3 - 1 常规控制方式示意图 由图3 一l 可见，只需改动控制算法的应用程序，就可方便地实现各种运算规律， 计算机的可靠性、灵活性给控制系统带来质的飞跃，将自动控制水平提到定量控制、 精确控制的新高度。由此可以看出，利用d c s 控制系统对控制方式进行组态，不仅 可以实现上述常规的控制，而且可以获得对系统特性更多的定量了解，能够有效地 解决过程控制应用上存在的问题。 为了方便理解，本文给出控制系统绘图软件包中一些调用方便的功能模块， 如图3 - 2 所示。d c s 控制系统除了提供图中一些常见的组态模块外，还提供较为丰 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 富的个性化特殊模块，供现场控制工程师组态使用。 田 1 一 加法器 乘法器 控制调节器 ( p i d p i p ) ( 软硬件接口调 节信号输出) 三 除法器 带逻辑开关的 模拟量选择器 田 指数 或门 减法器 微分器 自然对数 常数 相反数 大值选择器 非门 n 阶惯 性环节 函数发生器 r s 触发器 匹与门 厂7 2 2 2 2 开方器 i ! f 图3 - 2 常用组态模块示意图 3 2 带观测器的状态反馈控制系统设计 3 2 1 理论分析 把控制算法转换为状态空间描述形式，再用现代控制理论来分析研究控制系统 是控翩方式的实现途径。传统的控制系统是由输出变量的反馈构成的，而建立在现 代控制理论基础上的状态反馈控制系统则不仅利用了系统最终输出的反馈，而且还 1 5 困日嚣目日。口回匝 口因 荦 华北电力大学工程硕士学位论文 利用表征系统内部状态的状态变量来进行反馈控制。就反馈信息的性质两言，状态 变量可以完全地表征系统结构的信息，因而是一种完全的系统信息反馈，而输出反 馈则是系统结构信息的一种不完全反馈。 由于状态变量对系统入口扰动的响应比输出变量要早，因此状态反馈控制比输 出反馈具有超前性，可以克服被控对象的延迟，特别是对高阶被控对象有着很好的 控制品质。然而在某些控制对象中，内部的状态变量无法通过测量手段获得，这时 可以设置观测器，通过观测器构造出系统内部的状态变量，即实现“状态重构”，然 后再用这些估计的状态交量代替系统的真实状态变量实现状态反馈控制。状态反馈 数学模块： 对于线性、时变的连续系统，其状态空间模块的基本模式是： r ( n = a ( f ) x ( t ) + b ( f ) u ( o( 3 - 1 ) y ( f ) = c ( 0 x ( f ) ( 3 - 2 ) 其中，a ( f ) ，n ( o ，c ( f ) 分别是n x n ，n p ，q x n 实数矩阵；”( f ) 是p 1 维输入向量 y ( 0 是g 1 维输出向量。 对于线性、定常酌连续系统，a ，b ，c 均是常数矩阵，所以系统的模型方程可 以写为 x ( ，) = a “t ) + bu ( o( 3 3 ) y ( 1 ) = c x ( f )( 3 4 ) 对于模型的非线性，一种可行的处理方法是线性化，对于所描述的非线性模型 可在其期望的工作点或工作范围内一组工作点上用泰勒级数展开，从而得到在工作 点周围小范围内的近似线性模型。 现代控制理论中广泛采用状态反馈的控制技术，在形式上与经典控制系统中普 遍使用的反馈控制一样。但是经典的反馈( 输出反馈) 只是状态反馈的一种特例， 也只能反映系统结构的局部信息，因此从这一意义上讲，状态反馈对系统性能直接 有着质的影响。 建立有效的状态反馈是基于系统的状态可以获取这一前提，因此首先需要解决 的问题是通过输入输出的观测获取系统的状态。 有效的办法是根据系统的输入输出测量向量u ( 0 、y ( f ) 来构造出所要求的状态， 如图3 - 3 所示。图中实框内为原系统，虚框内为状态观测器。原系统与观测器具有 相同的u ( 0 ，其输出相减后作为偏差信号经传递矩阵f 送入积分器作为在线修正的 依据。由此可得观测器的动态方程如下： 立( ，) = a 立( f ) + b “( f ) 一f y o ) 一多( r ) 】 f 3 s 、 夕( f ) = q ( f ) ”1 当定义宝( f ) = x ( f ) 一圣( f ) 为观察误差时，可得到关于误差的方程。 华北电力大学工程硕士学位论文 宝( ，) = a x ( t ) + b u ( 0 - 0 崎( f ) + b u ( t ) 一f c 【x ( f ) 一量( f ) ) 即： 宝( f ) = ( a + f c ) z 0 ) 其解为：革0 ) = z ( o ) e x p ( a + f c ) x ( f ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) i ( t ) = a x ( t ) + b u “) l 一一一一篡一一一一一蝽i lll 一孝j i ”7 u嗒叫山一 11i 。 i l ， 剃 ( 薯 嬲 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 2d o s 控制系统组态实现空间向量方程 图3 5 为向量方程y = a x + b 的控制算法组态图。 0 y ： 图3 - 5 向量方程y = a x + b 的d c s 组态图 其中，a 为2 x 2 矩阵，x 为2 1 矩阵，b 为2 1 矩阵，y 为2 x 1 矩阵。 a = 巴乏b = 睦 x = 羔)y = 暖 弧( 州：纵州： p 9 ， 如果系数矩阵a 不是常系数矩阵，可以通过空间状态变量连接组态获得响应的 结构，同样组成良好的控制算法。 3 2 3 用d o s 系统组态进行状态观测控制器控制 本文利用d c s 系统功能组态了针对系统有惯性环节的状态反馈控制器模块 ( b g t z r t l 1 ) ，如图3 - 6 所示。 该模块实现了由状态反馈控制器和p i 控制器组成的双回路控制，其中状态反馈 控制器由状态观测器、控制器、干扰控制器组成。 甚 华北电力大学工程硕士学位论文 其中 图3 - 6 状态反馈控制器模块( b g z r l 1 ) 组态图 t t l l ( 减温器出口温度 y m t n k 的测量或观测变量 f b l 观测器系数l f b 2 观测器系数2 f b 3 观测器系数3 f x l 控制器系数l f x 2 控制器系数2 f x 3 控制器系数3 f b z 干扰观测器系数 y s 状态反馈控制器输出变量( 减温器 出口温度控制值) t s e t 过热器出口温度控制值 t c 过热器出口温度值 x m 状态观测器状态输出变量与过热 器出口温度控制偏差值 由于测量热力系统内部变量非常困难，甚至是不可能的，本文利用观测器借助 热力系统进口、出口测量到的状态，来估测出其内部状态变量。图3 - 6 中的y s 就 是通过估测出来的系统状态而计算出来的。调整f x l 、f x 2 、f x 3 的大小，控制输出 量；调整f b l 、f b 2 、f b 3 的大小，控制系统状态估测的精度。即对减温器出口温度 ( 图3 - 6 中的热器进口温度) 以及过热器出口温度进行观测，把观测的结果与实测 的系统状态( 过热器出口温度偏差值) 进行比较，再把比较差值送到观测器以及干 扰观测器中，进而对控制器进行状态反馈修正。 利用干扰观测器具有状态反馈的积分器来消除干扰，并及时修正观测器模型。 状态反馈控制器通过对系统状态估测，提供作为p i 控制器的控制值y s 。当扰动出 现在过热系统的上游段时，控制器迅速反应，扰动及时纠正，不影响过热器整个系 统。 本文根据模块程序及运行周期设计要求，将状态反馈控制器组态在d c s 系统的 慢周期程序中，且在快周期程序中没有设计太多的内容，以便有足够的时间留给慢 周期运行，处理状态反馈控制器。然而由于程序周期这一特殊要求，限制了状态反 馈控制器在工程上的广泛应用。因此本文未于采用该控制方式。 1q 华北电力太学工程硕士学位论文 3 3 智能控制应用设计 传统的控制理论( 包括经典控制理论或现代控制理论) 是利用被控对象的数学 模型( 即传递函数或状态空间模型) 设计控制方式。这种数学模型结构不便于利用 人的经验知识和直觉推理，对一些复杂系统的控制效果不很理想。与传统控制方式 不同，智能控制则是利用自身的优点实现了对一些复杂系统的有效控制。 3 3 1 模糊控制 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一类计算 机数字控制方法。从线性与非线性控制分类，模糊控制是一种非线性控制：从控制 器的智能性看，模糊控制属于智能控制范畴。它的知识模型是由一组模糊控制规则 和表示对象的语言规则构成的，它能够方便地将专家的经验与推理加入到知识模型 中，从而达到控制被控对象的目的 。 对任一系统进行模糊控制，须进行如下四个步骤计算： ( 1 ) 确定现时误差和误差变化率( 即“量化”) ； ( 2 ) 把误差和误差变化率确切值变成模糊状态，作为输入量： ( 3 ) 由模糊控制规则( 即合成算法) 计算出模糊控制量； ( 4 ) 由( 3 ) 算出的模糊量，转化为确切的值加到被控对象上。 模糊控制器的输入变量个数( 误差和误差变化率两个变量) ，称为模糊控制器 的维数( 二维) 。工程上广泛采用二维模糊控制器。其框图如图3 7 。 吒5 缀黼艟；2 一移撒雠峨；“一描蹲施眺； 图3 - 7 模糊控制的原理图 3 3 2 神经网络控制 一些被控对象( 例如；电厂汽温对象) 的动态特性随运行工况的变化而大范围 变化，难以建立精确的数学模型。模糊控制就是一类不依赖受控对象数学模型的智 能控制方法，因而已经应用到汽温控制中 “，但是模糊控制必须首先获得大量有效 2 0 华北电力大学工程硕士擎位论文 的控制规则，这对于复杂的汽温过程是比较困难豹，不可避免地会漏掉一些有用信 息，因此影响了控制器性能的发挥。利用神经网络理论来解决这一问题己引起了控 制界的普遍关注。神经网络通过模拟人脑神经元活动的过程，完成对信息的加工、 处理、存贮和搜索。神经网络根据所提供的数字样本，而不是经验知识和规则，通 过不断学习和训练，逐渐优化神经元之间的连接权和连接结构，找出输入和输出之 间的内在联系。神经网络具有泛化能力，能处理那些未经训练的数据，获得相应于 这些数据的解，也可以处理有噪声或不完全的数据，具有很好的容错能力。强大的 非线性映射能力，使具有合适结构的神经网络可以实现任意一种关系映射，逼近任 何一种函数。具有极快的瞬间响应能力。因此神经网络成为处理非线性系统的有效 手段之。神经网络主要有以下几种类型。 一、b p 神经网络 神经网络理论以其独有的优势在控制领域中引起了广泛的关注，神经网络应用 于电力生产过程控制领域的研究已有诸多报告【3 ，4 】，神经网络系统的组成如图3 - 8 。 系统采用的网络模型是前向多层神经网络( b a c k p r o p a g a t i o n ) ，简称b p 网络。这是 一个采用误差反传算法的多层网络，在故障诊断领域内应用最多，实现也比较简单。 由于规模过大的网络学习收敛困难，根据被诊断系统的设备结构，将诊断对象划分 为若干相对子系统，如凝汽器子系统、热力系统子系统等。每个子系统对应一个或 多个神经网络，这样每个神经