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硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 中文摘要 链条炉是一种多变量系统，难以用比较准确、实用的数学模型来表示，所 以用常规的p i d 控制难以达到理想的控制效果。随着人工智能技术的发展，开 发实用的智能控制方案是链条炉控制的首选，而集散控制系统可以提供智能控 制方案的软、硬件实现环境，是目前自动控制系统的主流系统。 本文基于上述思想，选用浙大中控j x - - 3 0 0 x 系统设计了连云港氨纶集团 2 0 t i l 链条炉的集散控制系统。针对链条炉的燃烧特点，在充分了解j x - - 3 0 0 x 系统性能的基础上，完成该系统的软硬件组念，重点分析了基于模糊控制思想 的燃烧专家控制系统的组成和控制规则表数据的计算。 关键字：链条炉集散控制系统模糊控制专家控制系统 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 a b s t r a c t s t o k e ri s s y s t e mo fm u l t i - v a r i a b l ew h i c hi sd i f f i c u l t yt oe s t a b 1 i s h a c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l ，s ot h a tu s u a lp i di sn o ti d e a lr e s u l t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，i t i s t o p i c a l t o e x p l o i t u t i l i t a r i a ni n t e l l i g e n tc o n t r o lp r o j e c ti ns t o k e r d i s t r i b u t e ds y s t e mw h i c h c a n p r o v i d e e n v i r o n m e n to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n r e a l i z i n g i n t e l l i g e n tc o n t r o lp r o j e c ti sm a i n s t r e a ms y s t e m t h i st h e s i s d e s i g n s 2 0 t hs t o k e r sd i s t r i b u t e d s y s t e m o f p o l y u r e t h a n ef i l a m e n tc o n g l o m e r a t ei nl i a ny u ng a n g o nb a s i so nt h e c o m b u s t i o nc h a r a c t e ro fs t o k e ra n d k n o w i n g a b o u t j x 一3 0 0 x s c a p a b i l i t y ，ia c c o m p l i s hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，a n a l y z e s t r u c t u r eo fc o m b u s t i o n e x p e r tc o n t r 0 1s y s t e ma n dc a l c u l a t ed a t ao f r e g u l a t i o n t a b l e k e y w o r d s ：s t o k e r 、d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 、f u z z yc o n t r o l 、 e x p e r t c o n t r o ls y s t e m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：韵、舌 叫年年月曰 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：南音埘年4 月f t 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 l 绪论 1 1 论文的选题依据 链条炉是一种火床炉，至今已有一百多年的历史。虽然该炉型能耗较大污染 相对也较大，但由于其投资少，结构简单、运行稳定、操作方便和易于维护，目 前在我国中小型热电企业和化工企业中使用很普遍，是企业主要的供热、供汽设 备，也是企业主要的耗能设备。链条炉是一种多变量系统，被控量具有非线性、 时变性、大延迟和相互耦合较强的特点，很难建立比较准确、实用的数学模型， 用常规的p i d 控制难以达到理想的控制效果，因此目前国内链条炉运行自动化程 度普遍不高。采用先进的计算机技术设计合理的控制方法，可以提高链条炉运行 的自动化程度，节约能量，减少污染，有效保证锅炉运行的安全性和可靠性。 到目前为止，链条炉控制经历了从常规模拟调节仪表控制、计算机控制与常 规模拟调节仪表控制相结合到集散控制等三个阶段。由常规模拟调节仪表组成的 控制系统，虽然具有高可靠性、操作简便等优点，但模拟仪表难以实现集中显示 和操作，更难以实现对多变量对象的有效控制，其自动化程度较低，基本处于操 作人员手动控制的状况。随着计算机技术的发展，链条炉控制发展为由常规模拟 调节仪表与计算机控制相结合的控制系统，以p l c 或工控机为主要控制器，结合 常规模拟调节仪表，可以实现复杂的高级控制策略和参数的集中显示与操作，还 具有控制精度高，向上向下通信能力强等优点，但其不足是：对控制器要求很高， 必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和 可靠性将急剧下降，由于控制集中，而使危险集中。 随着计算机技术、控制技术、网络通讯技术和c r t 显示技术的快速发展，特 别是将计算机网络技术全面引入控制系统带来了控制系统的一系列变革，集散控 制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ，d c s ) 就是上述多种技术相结合的产物。 d c s 系统克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺 点，使控制分散，危险也分散，可以实现先进的智能控制算法，且人机界面友好， 在工业控制领域的应用越来越广泛，成为目前主流控制系统。在新建锅炉项目及 旧锅炉改造项目中，链条炉控制选用集散控制系统成为十分必要。 1 2 集散控制系统的特点 集散控制系统 2 1 3 】【4 j 【5 1 吸收了模拟仪表和计算机控制的优点，其核心思想 是集中管理、分散控制，将控制功能和危险性分散，而将参数显示和操作部分高 度集中。因此，不仅具备极高的可靠性，而且能够完成直接数字控制、顺序控制、 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 批量倥制、烈惦术果勺她埋、多殳夏胼柄j 芏制以放最1 7 l 拄币u 寺切日e a 与常规模拟仪表及一般的计算机控制系统比较，集散控制系统具有下列特点： l 、采用微机智能技术 集散控制系统采用了以微处理器为核心的“智能”技术。其现场控制单元、 过程输入输出接口、c r t 操作站以及数据通信接口等均采用1 6 位或3 2 位微处理 器，有记忆、数据运算、逻辑判断功能，可以实现自适应、自诊断、自检测等功 能。 2 、采用组态方法生成控制系统 集散控制系统具有丰富的功能软件包，提供控制运算模块、控制程序软件包、 过程监视软件包、显示程序包、信息检索和报表打印程序包等。用户只需根据系 统设计的要求，从中选择必要的模块，采用填表方式，步骤记入方式或类似于画 系统方框图那样的连接模块方式，进行控制系统的组态，即系统生成。大大减少 用户的丌发工作量。 3 、采用网络通信技术 通信网络是集散控制系统的中枢神经，它将物理上分散配置的多台计算机有 机地连接起来，实现相互协调、资源共享的集中管理。 4 、采用高可靠性的技术 集散控制系统在设计、制造时，采用多种可靠性技术。系统结构采用容错技 术，任一单元失效时，不影响其它单元的工作；系统硬件采用冗余技术，操作站、 控制站和通信网络采用双重化等配置方式；系统软件采用程序分段、模块化设计 和容错技术；系统元器件经严格挑选，降额使用，线路板采用表面安装技术制造， 组件密封在坚固的塑料外壳结构中，可抵御各种恶劣环境的侵蚀；系统各单元具 有自诊断、自检查、故障报警和隔离等功能。 5 、系统构成灵活、扩展方便、适应性强 集散控制系统采用标准化、模块化、积木式结构，可以灵活组建系统。采用 局部网络，使系统扩展十分方便。无需增添设备或更换接线就能修改控制方案， 对生产工艺和流程的改变具有较强的适应性。 1 3 集散控制系统的发展与应用 随着大规模集成电路的问世，微处理器的诞生，计算机技术、控制技术、网 络通讯技术和c r t 显示技术等的进一步发展，1 9 7 5 年，美国霍尼维尔公司率先推 出了以微处理器为基础的集散控制系统t d c 2 0 0 0 系统，该系统在继承常规模 拟仪表和计算机控制系统优点的同时j 进一步提高控制系统的安全性和可靠性， 降低成本。随后世界各国各大公司的集散控制系统不断涌现，而且硬件和软件功 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 能不断完善和强化。 集散系统的发展大致经历了三个时期【2 】【3 】【4 】【引： 1 、初创期( 1 9 7 5 年1 9 8 0 年) 这时期的集散系统由5 部分组成，即过程控制装置、数据采集装置、人一机 接口装置、监控计算机和数据传输通道等。箕技术重点是实现了分散控制，从而 使危险分散；引入了网络通信技术，加强了可靠性设计。 2 、成熟期( 1 9 8 0 年1 9 8 5 年) 这时期的集散系统由6 部分组成，即局部网络、多功能过程控制站、增强型 操作站、主计算机、系统管理站和网间连接器等。其技术重点是实现全系统信息 的综合管理。 3 、扩展期( 1 9 8 5 年以后) 这时期的集散系统有两个特征，一是采用标准化开放型通信系统：二是系统 的智能向现场延伸，系统中引入智能变送器和现场总线技术。 9 0 年代以后，集散系统向以下几个方面发展： ( 1 ) 集散系统向计算机集成制造系统发展。 ( 2 ) 中小规模集散系统迅速发展起来。 ( 3 ) 信息综合管理功能进一步强化。 ( 4 )广泛采用人工智能技术。 我国自8 0 年代从国外引进了几百套d c s 来装备石化、冶金、电力、化肥等 企业之后，工业自动化仪表行业不断从国外引进技术，合作开发自己的d c s 系统， 逐步实现d c s 国产化，并占有一定市场。如：浙江的浙大中控技术有限公司的 s u p c o nj x 、北京和利时系统工程股份有限公司的h s 一2 0 0 0 等，都占有相当的 市场份额。 集散控制系统已由过去的仅在极少数大型企业中应用，发展到目前广泛应用 于电力、石油、化工、冶金、建材、制药等行业的较为普通的控制工具。其原因： 一是各d c s 制造厂家不断提高系统的可靠性、实用性、先进性和综合性，各种控 制系统的相互渗透和竞争及不断发展的计算机和网络通讯技术的采用，使得d c s 的价格不断下降；二是全球竞争迫使各企业必须不断应用先进的控制技术以提高 产品的质量和产量，降低成本和费用，为d c s 提供了广阔的市场需求；三是d c s 系统的国产化使得原本只有大型企业用得起的“贵族型控制系统”已经变为普通 企业能够接受的“平民化的控制系统”。 1 4 集散控制系统的组成 集敞控制系统虽然品种繁多，风格各异，但其功能和结构大致相同。集散系 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 统的结构层7 欠【2 儿3 儿4 5 1 自下而上一般可分为过程控制级、控制管理级、生产管 理级三个层次。 l 、过程控制级：其主要设备一般包括过程控制装置、数据采集装置。过程 控制级直接与生产过程连接，其主要作用是采集信息，进行数据处理；运算和输 出以实现分散控制，可控制一个或多个回路，具有较强的运算能力和多种控制功 能，是集散系统中实现分散控制的最关键部分：经通信系统与人机接口装置或监 控计算机联系，实现全系统信息的统一综合管理，同时又可以将人机接口装置或 监控计算机的信息输出给现场被控对象。 2 、控制管理级：控制管理级的作用是对生产过程实现集中操作、优化控制 和管理。其主要设各包括入枫接口装置( 又称操作站) 、监控计算枧( 又称工程师 站) 和通信系统。人机接口装置是人和机器联系的通道即系统与外界联系的窗口。 可以显示各种过程信息，反映系统运行状态，改变回路操作状态，调整回路参数， 进行系统生成、组态和维护，存储过程数据，打印各种报表。监控计算机，配以 相应的软盘驱动器、打印机、管理站等即可构成一个工厂级管理系统，通过通信 接口，综合监视全系统的各工作站，管理全系统的所有信息。通信系统可以将系 统的各工作站连接起来。过程控制装嚣、数据采集装置的现场信息由通信系统传 递至人机接口装置和监控计算机进行集中处理：而人机接口装置和监控计算机的 操作指令、管理信号通过通信系统传递至过程控制装置和数据采集装置。通信系 统的进步推动着集散系统的发展，通信系统所采用的技术决定着集散系统的形态 和机制。 3 、生产管理级：完成全厂或全公司的最优化管理。包括连接在信息管理网 上的管理计算机、多功能计算站等。信息管理网通常采用以太网，用于工厂级的 信息传送和管理，是实现全场综合管理的信息通道。 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 集散系统组成结构如图1 1 所示： 图1 1 集散系统组成结构图 1 5 链条炉集散控制系统解决的主要问题 链条炉的运行过程i l ，尤其是燃烧过程，是一个复杂的化学物理过程，采 用集散控制系统完成链条炉整个运行过程的控制任务，从控制工艺的角度保证调 节的有效实施。通过设计合理有效的燃烧专家控制系统，实现链条炉安全可靠地 自动运行，是设计该系统的重点任务。 链条炉根据实际使用需要调节的量不尽相同，但一般需要调节的量大约是8 个，分别是：1 ) 除氧器水位；2 ) 除氧器压力；3 ) 主汽减压4 ) 炉膛负压；5 ) 主 汽温度；6 ) 汽包水位：7 ) 炉排转速：8 ) 鼓风转速等。 其中燃烧控制系统是一个大滞后、耦合严重、具有严重非线性、时变性、扰 动变化大的多变量系统，送风量、引风量、热负荷和送煤量等参数的变化都将对 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 燃烧系统产生直接影响，因此燃烧控制是整个锅炉控制的关键，也是重点和难点 所在。 1 、除氧器压力控制 除氧器在运行中压力必须保持稳定，以保证它具有良好的除氧效果和安全经 济性。其压力调节系统采用除氧器内蒸汽压力作为被调量，以改变加热蒸汽量作 为调节手段，加热蒸汽来自汽机的不调节抽汽。 2 、除氧器水箱液位控制 除氧器水箱水位调节对象是一个无自衡能力的对象，飞升速度很慢。通道迟 延时间般都比较大。调节通道的迟延时间，对补充水直接进入除氧器的系统则 较小，对补充水先送入凝汽器进行真空除氧后再随凝结水进入除氧器的系统则较 大。 3 、汽包水位控制系统 被调参数为汽包水位，调节参数为给水流量。汽包水位高度是确保安全生产 和提供优质蒸汽的重要参数。水位过高会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口 的饱和蒸汽带水增多；水位过低则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中的某些 薄弱环节，以至局部水冷壁管烧坏，严重时造成爆炸。因此汽包水位的优良控制 有重大意义。 4 、燃烧控制系统 锅炉燃烧控制的基本任务是使燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要并保证 燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。 燃烧系统自动调节的第一个任务是维持主汽压力保持稳定，克服自身燃料方 面的扰动，保证负荷与出力的协调；第二个任务是使燃料量与空气量相协调( 风 煤比) ，保证燃烧的经济性；第三个任务是使引风量与送风量相适应，维持炉膛负 压在定范围内，保证燃烧的安全性。 1 。6 本文的主要工作 浙大中控技术有限公司是国内几个较成功的集散系统生产厂家之一，由他们 开发研制的j x - - 3 0 0 x 系统价位适中，性能优良，在我国化工行业占有相当的市场。 本文以连云港氨纶集团的一台2 0 吨供汽链条炉为控制对象，设计开发了基于 浙大中控一3 0 0 x 的链条炉集散控制系统。该链条炉为纺丝车间提供产生用蒸汽， 蒸汽的产量与品质和氨纶丝的产量与质量有着密切的关系。因此采用先进的控制 手段和合理的控制方法对链条炉实施有效控制，对提供高品质的蒸汽产品具有很 大的现实意义。 主要做了以下几方面的工作。 6 硕士论文链条炉集散控制系统的设计与实现 在分析了链条炉工艺特性和控制要求，并充分考虑s u p c o nj x - - 3 0 0 x 系统 特性的前提下，完成了链条炉控制系统的硬件配置，包括主控制卡、数据转发卡、 i o 卡、通信卡、操作站等的选择与设置；系统控制方案的设计与实现，重点和难 点在于链条炉燃烧系统的智能控制方法的研究和实现。根据系统的特点和控制要 求，本文拟设计结合热工专家和优秀司炉工经验的基于模糊控制思想的链条炉燃 烧专家控制系统，并在j x - - 3 0 0 x 系统提供的编程环境下加以实现。 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 2 、控制方案 2 1 链条炉的工艺简介及特性描述 链条炉【l 叫是一种典型的火床炉。煤在炉排上燃烧，空气自炉排下方向上引入。 煤从煤斗落到炉排上，经过炉闸门时被刮成一定的厚度进入炉膛，在炉排上分段 燃烧成渣，炉渣随着炉排的转动排出。炉膛中燃烧的煤所释放的热量，被炉膛周 围的水壁吸收产生蒸汽。蒸汽在汽包内聚集并引出经过低温过热器、减温器、高 温过热器、集汽箱到主蒸汽管。主蒸汽温度通过减温器的减温水进行调节。燃烧 产生的烟气被引风机带动经过省煤器、空气预热器换热后再经过除尘排入大气。 工艺流程如图2 1 所示： 幽2 1 链条炉上艺流程幽 燃料量主要通过炉排转速和控制炉排煤层厚度的机构的改变来实现。调节送 风保持合适的风煤比，调节引风维持炉膛负压燃烧。运行中汽包水位维持在一定 的范围内，允许有7 5 r a m 的波动，稳定工况应在5 0 m m 内，汽包水位的调整主 要通过调节给水。给水润出来的水经过省煤器预热进入汽包。主蒸汽温度通过减 温器的减温水流量来调节。 2 2 控制方案 链条炉燃烧控制系统i i 叫是一种多变量系统，被控量具有非线性、时变性、大 延迟和相互耦合较强的特点，送风量、引风量、燃煤量、热负荷等参数的变化都 会对燃烧系统产生直接扰动，当波动较大时，会出现振荡现象，严重影响锅炉的 安全运行。实现自动燃烧的关键是保持汽包压力稳定，传统的方法是在送风机和 引风机之前加两个调节翻板来改变送风量和引风量，后来又发展为用变频器直接 调节送风机和引风机转速，这两种方法都是通过传统的p i d 和前馈补偿等控制算 法，计算出输出控制量以实现控制，由于其严重的非线性特性，控制效果不够理 想。随着计算机技术的发展，使开发具有一定智能性的控制算法成为可能，从而 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 提高燃烧自动控制程度和改善控制效果。 链条炉可控制的参数般主要有8 个，分别是：1 ) 除氧器水位；2 ) 除氧器 压力；3 ) 除氧器减压；4 ) 分汽缸出口稳压；5 ) 汽包水位：6 ) 炉膛负压；7 ) 炉 排转速；8 ) 鼓风转速等。其中除氧水位、除氧压力、除氧气减压、分汽缸出口稳 压、汽包水位、炉膛受压是传统的回路调节：而炉排转速、鼓风转速则出燃烧专 家控制系统调节。燃烧专家控制系统是一种揉合了热工专家和优秀司炉工经验的、 基于模糊控制思想的新型智能型控制算法。 汽包水位是锅炉系统控制的重点，实现燃烧自动则是锅炉系统控制的难点。 2 2 1 除氧器压力自动调节 除氧器主要用于给锅炉供除氧水，除氧原理是给水中通蒸汽，使水温保持在 1 0 3 。c ，达到除氧的目的，控制除氧温度是通过控制进蒸汽流量实现的；除氧器的 主要控制有水位控制和压力控制。 定压运行的除氧器在运行中压力必须保持稳定，以保证它具有良好的除氧效 果和安全经济性。其压力调节系统采用除氧器内蒸汽压力作为被调量，以改变加 热蒸汽量作为调节手段加热蒸汽来自汽机的不调节抽汽。 除氧器压力对象是个具有较大自平衡能力的对象，惯性很小，可近似认为 是一个比例环节，这样调节通道的迟延和惯性比较小，用单回路调节系统即可以 实现。 除氧器压力调节框图如图2 ，1 所示： 图2 2 1 除氧器压力调节框图 2 2 2 除氧器水箱水位自动调节 除氧器水箱水位调节对象是一个无自衡能力的对象，飞升速度很慢。通道迟 延时间一般都比较大。调节通道的迟延时i 刨，但对于补充水直接进入除氧器的系 统则较小。用单回路调节系统即可以实现。 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 除氧器水箱水位调节框图如图2 2 2 所示 图2 2 2 除氧器水箱水位调节框图 2 2 3 链条炉本体控制 链条炉燃烧的自动控制是整个自动控制系统的重点和难点。研究开发有效的 控制方案对锅炉提供合格品质的蒸汽，保证锅炉自身运行的安全性和经济性有着 非常重要的意义。 锅炉是一个复杂的对象，至今无法加以严格的数学描述，即使是某些静态关 系，长期以来还是采用半经验的近似公式，在动态问题上，就更难以确切地用数 学方法来严格地描述整个锅炉设备，因为涉及到的多半是一些不稳定的物理场， 其中夹杂着许多相互关联的因素，以至长期以来还没有全面解决锅炉设备动态特 性分析的普遍方法。正因为这个因素使得模拟仪表不能对其很好的控制。 锅炉设备有许多个调节参数和被调参数，还存在着错综复杂的扰动参数，这 些参数之间存在着许多交叉的影响，是一个多输入、多输出、多回路、非线性的 相互关联的对象。目前的方法是作一些基本假定，把各个对象相对地独立起来， 再作理想化假设来加以分析，不断地结合实践加以完善。 锅炉本体部分控制大体可分成三块：燃烧过程的控制( 汽包压力控制) 、汽包 水位的控制、主汽温度的控制。燃烧过程的控制又可以分成送风控制、炉排转速 控制、炉膛负压控制这三个子系统是相互关联的。 以下一一进行分析。 2 2 3 1 汽包水位控制系统 被调参数为汽包水位，调节参数为给水流量。 汽包水位高度是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。水位过高会影响 汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多；水位过低则可能破坏自 然循环锅炉汽水循环系统中的某些薄弱环节，以至局部水冷壁管烧坏，严重时造 成爆炸。因此汽包水位的优良控制有重大意义。 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 具体控制中，锅炉调节通道迟延大、飞升速度快，给水流量变化频繁。特殊 地，当主汽流量增加时，由于汽包压力突然变小，水位会因为水中气泡上升而表 现为上升状态，称为“假水位”，为减轻“假水位”对扰动的不良影响，采用串级 前馈控制方案( 又称为三冲量控制) ，把主汽流量作为前馈信号，实现扰动的 快速补偿，。根据经验给水内环操作频繁，给水需快速跟踪主汽流量变亿，而水位 外环操作次数少一点，但水位信号经常波动，故要加以滤波。 汽包水位调节框图如图2 2 3 所示： 幽2 2 3 汽包水位调。行框幽 2 2 3 2 蒸汽温度控制 主汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机组 运行的安全性和经济性。过热器汽温过高，则过热器易损坏：过热器汽温过低， 则殴备的效率低，一般汽温每降低5 1 0 。c ，效率约降低1 。 造成过热器出口温度变化扰动因素归纳起来有三种，第一是蒸汽流量( 负荷) 的变化，第二是减温水流量的变动，第三是烟气方面的热量变化。为使链条炉集 散系统结构简单，易于实现，采用减温水量作为扰动量，改变水量来控制主汽温 度。但这样调节通道迟延和惯性都比较大，动态特性不好，这时就引被调参数的 双回路系统前馈串级控制( 三冲量控制) 来提高调节品质。被调参数是过热 器出口蒸汽温度。 蒸汽温度控制框图如图2 ，2 ，4 所示： 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 l 燃烧控制 i i! 塑璺墨查堡型!l 倒2 25 燃烧控制子系统关系 燃烧系统自动调节的第一个任务是维持主汽压力p m 保持稳定，克服自身燃料 方面的扰动，保证负荷与出力的协调；第二个任务是使燃料量与空气量相协调( 风 煤比) ，保证燃烧的经济性：第三个任务是使引风量与送风量相适应，维持炉膛负 压在一定范围内，保证燃烧的安全性。 燃烧控制系统中主要有三个调节量：燃料量、送风量和引风量。是一个多参数 多变量的调节系统。模拟仪表要完成这样一个对象的自动调节有很大难度，采用 揉合专家与优秀司炉工经验的专家控制系统来完成对锅炉燃烧系统的自动控制。 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 锅炉参数中，主汽雎力是衡量蒸汽量与外界负荷两者是否相适应的标志，引起 主汽压力变动的扰动来源有两个，其一是燃料量的扰动，又称基本扰动；其二是 耗汽量的扰动，又称负荷扰动。基本扰动容易通过自身的闭环来克服，负荷扰动 相对不容易做到。负荷变化时，母管压力出现瞬时改变，而调节通道的迟延较大， 对象扰动通道与调节通道的动态甚为悬殊，调节很不利。若负荷的一次扰动量较 大时主汽压力的变化也势必较大，这时如果采用模拟仪表，则由于p i d 参数不及时 性，不管设计怎样的调节系统，也控制不住。但如果用计算机系统，则可以通过 程序方便地实现。如主汽压力的变化较大，则可以换用另外的p i d 参数，再加上一 些智能性、结合专家经验的手段，这样可以达到很好的控制效果。事实上，当今 很多成功的控制方法中都采用了这种设计思想，链条炉的燃烧控制将充分体现这 种思想。 链条炉燃烧专家控制系统控制思路如下：在设定负荷条件下，给出其基本运 行规则作为一个操作平衡基础值，这个操作值同时也保证了基本的负荷。然后根 据主汽压力的偏差和变化趋势得到汽压的状态，从而再在基础值上做微调，计算 出要输出的操作量以保证蒸汽的品质。在输出之前，要对操作量进行一系列的判 断，在操作量满足安全燃烧的前提下才能实际输出。 不同负荷下的操作值和不同汽压状态下的微调值都是用规则库的形式来实现 的。具体编程中，这些规则都是存放在同一个数组中的。而规则的建立和显示等 人机交互动作都是通过流程图上的位号，也就是通过一系列中间变量来实现的。 由于链条炉的鲁棒性较强，所以控制输出要求不要频繁变化，可以利用炉子 自身的平衡性。因此燃烧控制采用周期输出的方式，此控制周期一般较长，具体 要根据现场调试得出。这种输出形式也是和操作工的操作方式很类似的。在具体 操作规则的建立时，注意风煤操作量的比例，以实现经济燃烧。 综上所述，链条炉燃烧控制系统结构如图2 2 6 所示。在一定负荷条件下，根据 主汽压力变化和主汽压力变化趋势，由专家控制系统给出给煤控制( 炉排转速控 制) ，再根据一定的风煤比，实现送风控制( 鼓风控制) 。 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 i 负荷检测 i 烟气氧含量 一 专 一 麴 一 控 一9 一 制 ：汽压力、 i 士浩匿* 蛤讲i i 土7 “压0 1 旦例oi 图2 2 6 链条炉燃烧控制系统框图 1 、炉膛负压控制 炉膛负压控制是保证锅炉安全燃烧的首要控制对象，在整个燃烧系统中相对 具有独立性，可以作为一个单独的对象来设计控制。用前馈单回路控制实现。为 保证引胍提前于送风动作，引入鼓风作为前馈。 炉膛负压控制框图如图2 2 7 所示： 鼓风 图2 2 7 炉膛负压控制框图 2 、给煤控制( 炉排转速控制) 给煤控制是保证锅炉安全运行的重要控制对象，由燃烧专家控制系统实现给 煤控制。该系统揉合了热工专家与优秀司炉工的经验，其核心是根据汽包压力变 化和汽包压力变化趋势建立的7 * 7 ( 两维数组) 的专家规则库，并可根据负荷的变 化趋势对专家规则库进行相应的调整。 3 、鼓风机控制( 送风控制) - 4 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 为保证进入炉膛中的煤充分燃烧，鼓风转速与炉排转速之间应互相协调，保 证一定的风煤比。即一定的给煤量需要一定的鼓风量，以保证燃烧的经济性。这 个比值与煤质、炉况关系很大。在运行中需要根据现场情况及时做出调整。 在非计划的用气量突然增加或减少时，常常会引起汽包压力的突变，此时司 炉工通过改变燃烧周期即可调节给煤量和鼓风量的响应速度。 为保证燃烧的安全性，防止火量外冲，引风转速( 引风量) 应与鼓风转速( 送 风量) 相适应，以维持炉膛负压在一定范围内。在炉膛负压控制中采用单回路加 前馈的方式获得良好的效果，控制偏差小于3 。 为方便操作，将炉排转速上下限、鼓风转速上下限、燃烧周期的设定等参数 设霞为操作员权限，并引至监控画面。这样当炉况和煤质发生变化时，司炉工即 可根据实际情况及时修改参数。 综上所说，链条炉常规回路及相关参数见表2 2 1 ： 表2 2 1 常规回路控制级参数表 序号被测量调节量控制方式p ( ) ( r a i n )d ( s e e ) 1 除氧器水位除氧器进水调节单回路 3 0 r 6 01 0 50 2 除氧器压力除氧器进汽调i ，单网路 3 0 7 00 5 3 ，0 3 主汽流量主汽减压调节单回路 4 0 9 00 1 1 0 4 分汽缸出口压力出口压力调节单网路 3 0 7 00 5 3 o 1 0 0 2 0 5 炉膛负压引风转速调节单回路1 0 2 ，0 0 i 6 减温水流量 串级前馈 4 0 1 0 0o 3 1 2 主汽温度减温水流量调节 ( 三冲量) 2 0 6 03 0 8 0o 5 3 o 减温器出口温度 i 7 汽包液位单同路前 7 0 1 5 00 8 1 5 给水流餐锚炉给水流量调节馈 j 主汽流量三冲晕3 0 7 0 lo 3o0 5 l 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 3 、j x 。3 0 0 x 系统介绍 3 1 系统概述 j x 3 0 0 x 系统1 是浙大中控研制开发的全数字化、结构灵活、功能完善的新 型开放式集散控制系统。在国内，尤其是国内化工行业占有相当的市场份额。 j x 一3 0 0 x 系统由工程师站( e s ) 、操作站( o s ) 、控制站( c s ) 和通讯网络s c n e t i i 组成。在通讯网络上挂接通信接口单元( c i u ) 可实现j x 一3 0 0 x 与p l c 等数字设 备的连接；通过多功能计算站( m f s ) 和相应的应用软件a d v a n t r o l p i m s 可实现 与企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络( i n t r a n e t ) 环境下的实时数据 采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、 报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实 现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化。 7 x - 3 0 0 x 覆盖了集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户 界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回 路控制等常规d c s 的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录( s o e ) 、 可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图( s c f b d ) 、梯形图( s c l d ) 等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法( 如模糊控制) 的 类c 语言编程环境s c x 语言。系统规模变换灵活，可以实现从个单元的过程控 制，到全厂范围的自动化集成。 j x 一3 0 0 x 控制站以先进的微控制器( 3 0 m h zp h i l i p sp 5 1 x a ) 为核心，提高了 系统的实时性和控制品质，系统能完成各种先进的控制算法：过程管理级采用高 性能c p u 的主机和w i n d o w s 9 5 n t 的多任务操作系统，以适合集散控制系统良好的 操作环境和管理任务的多样化；过程控制网络采用双重化的e t h e r n e t 网技术，使 过程控制级能高速安全的协调工作，做到真正的分散和集中。 j x 一3 0 0 x 系统结构如图3 1 所示： 6 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 图3 1j x 3 0 0 x 系统结构图 3 2 系统特点 i 、高速、可靠、开放的通讯网络s c n e ti i j x 一3 0 0 x 系统控制网络s c n e ti i 连接工程师站、操作站、控制站和通讯处理 单元。通讯网络采用总线形拓扑结构，曼彻斯特编码方式，遵循开放的t c p i f 褂 议和i e e e 8 0 2 3 标准。 s c n e ti i 采用1 ：i 冗余的工业以太网，t c p i p 的传输协议和实时的网络故障 诊断。其特点是可靠性高、纠错能力强、通信效率高。 s c n e ti i 真正实现了控制系统的开放性和互连性。通过配置交换器( s w i t c h ) ， 操作站之间的网络速度能提升至1 0 0 l b p s ，而且可以接多个s c n e ti i 子网，形成 一种组合结构。 每个s c n e ti i 理论上摄多可带1 0 2 4 个节点，最远可达1 0 ，0 0 0 米。目前己实 现的网络可带载1 5 个控制站和3 2 个其它站 2 、分散、独立、功能强大的控制站控制站 通过主控制卡、数据转发卡和多功能智能i o 卡件实现现场过程信号的采集、 处理、控制等。根据现场要求的不同，系统配置规模可以从几个回路、几十个信 息量到1 0 2 4 个控制回路。6 1 4 4 个信息量。， 在一个控制站内，通过s b u s 总线可以挂接6 个本地i o 或远程i o 单元，一个 i o 单元可以带1 6 个i o 卡件。i l o 卡件可对现场信号进行预处理。主控制卡可以 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 冗余配置，保证实时过程控制的完整性，尤其是主控制卡的高度模件化结构，可 以用简单的配置方法，实现复杂的过程控制。 3 、功能的协议转换接口 在j x 一3 0 0 x 系统中还增加了与多种现场总线仪表、p l c 以及智能仪表通信互连 的功能，可方便地完成对它们的隔离配电、通讯、修改组态等。如r o s e a o u n t 公 司、a b b 公司、上海自动化仪表公司、西安仪表厂、川仪集团等著名企业的产品以 及浙大中控开发的各种智能仪表和变送器，实现系统的开放性和互操作性。 4 、全智能化设计 控制站的所有卡件，都按智能化要求设计，均采用专用的微处理器，负责该 卡件的控制、检测、运算、处理以及故障诊断等工作，在系统内部实现了全数字 化的数据传输和数据处理。在此基础上，还实现了万能模拟信号输入功能，能自 动根据用户的设置采样电压、电流、热电阻、热电偶、毫伏信号等多种模拟量信 号，能有效减少系统维护中备品备件的数量。 5 、任意冗余配置 j x - 3 0 0 x 控制站的所有卡件( 如主控制卡、各类i o 卡) 均可按不冗余和冗余 的要求配置。从而在保证系统可靠性和灵活性的基础上，降低用户的费用。 6 、功能强大、简便易用的组态工具 j x - 3 0 0 x 系统软件基于中文w i n d o w s9 5 9 8 n t 开发，用户界面友好，所有的 命令都化为形象直观的功能图标，只须用鼠标即可轻而易举地完成操作，使用更 方便简洁；再加上s c 8 0 0 4 b 操作员键盘的配合，使控制系统设计实现和生产过程 实时监控快捷方便。 基本组态软件s c k e f 用户界面友好，只需填表就可完成大部分的组态工作。软 件提供专用控制站编程语言s c x ( 类c 语言) 、功能强大的专用控制模块、超大编 程空间，可方便实现各种理想的控制策略。图形化控制组态软件s c c o n t r o l 集成 了l d 编辑器、f b d 编辑器、s f c 编辑器、数据类型编辑器、变量编辑器、d f b 编辑 器。s c c o n t r o l 的所有编辑器使用通用的标准菜单f i l e 、w i n d o w s 、h e l p 。灵活的 自动切换不同编辑器的特殊菜单和工具条。 s c c o n t r o l 在图形方式下组态十分容易。在各编辑器中，目标( 功能块、线圈、 触点、步、转换等) 之间的连接在连接过程中进行语法检查。不同数据类型间的 链路在编辑时就被禁止。s c c o n t r o l 提供注释、目标对齐等功能改进图形程序的外 观。s c c o n t r o l 采用工程化的文档管理方法，通过导入导出功能，用户可以在工程 间重用代码和数据。 7 、丰富、实用、友好的实时监控界面 实时监控软件a d v a n t r o l 是基于中文w i n d o w sn t 9 5 开发的应用软件，支持 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 实时数据库和网络数据库，用户界面友好，具有分组显示、趋势图显示打印、动 态流程、报警管理、报表及记录、数据存档、现场控制站远程自诊断等监控功能。 操作员通过丰富灵活的动态画面，可以方便准确地完成生产过程的监视、操作任 务。 8 、事件记录功能 j x 一3 0 0 x 提供了功能强大的过程顺序事件记录、操作人员的操作记录、过程参 数的报警记录等多种事件记录功能，并配以相应的事件存取、分析、打印、追忆 等软件。系统具有最小事件分辨间隔( 1 m s ) 的事件序列记录( s o e ) 卡件，可以通 过多卡时间同步的方法同时对2 5 6 点信号进行高速顺序记录。 9 、安装方便，维护简单，产品多元化、正规化 j x 一3 0 0 x 立足国内过程控制的需求，在多年的工程应用和实践经验的基础上， 依靠人才优势，运用当今世界的先进技术，能简单、方便地完成整个工厂的控制、 管理系统的集成。 3 3 系统规模 控制回路：1 2 8 个站( 其中b s c 与c s c 之和最大不超过6 4 个) 程序空间：4 m b i tf l a s hr o m ，数据空问4 m b i tf l a s hs r o m 自定义开关量4 2 0 4 8 ( 内部开关触点) 自定义2 字节变量1 0 2 4 ( i n t 、s f l o a t ) 自定义4 字节变量j 1 2 ( 1 0 n g ，f l o a t ) 自定义8 字节变量2 5 6 ( s u m ) 秒定时器5 1 2 个，分定时器5 1 2 个 一个控制区域：1 5 个控制站、3 2 个操作站或工程师站 i 0 数量：8 个机笼站( 最大) ，每个机笼1 6 块卡件 a o 模出点数1 2 8 站 a i 模入点数3 8 4 ( 包括脉冲量) 站 d i 开入点数1 0 2 4 站 d o 开出点数1 0 2 4 站 总容量1 5 3 6 0 点1 个控制区域 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 4 、硬件组态 根据链条炉集散控制系统的控制要求进行的系统硬件选择及其有机组合称为 系统硬件组态，主要包括通信系统、操作站、控制站的选择，各种输入输出卡件 的选择和电源系统的选择，以及对系统所有硬件的有机组合。进行硬件组态时应 考虑多方面的因素，首先要满足系统的控制要求，选择性能价格比最佳的配置； 其次还应考虑操作人员的易操作性，系统的易维护性等。 4 1 链条炉集散控制系统的硬件构成 一台链条炉有温度、压力、液位、转速、开关状态与命令等5 0 多个不同类型 的输入输出信号点，根据其数量与类型，以及工厂实际岗位没置要求，可设计 个控制站，一个工程师站，两个操作员站，以及多种类型的输入输出卡件，分别 由过程控制网络s c n e ti i 和控制站内部网络s b u s 连接通信。该系统组成如图4 1 所 示： f 操作员站ff 操作员站f 。f 工程师站j lli 程控制网络 c + t t 圈圉国国 图4i 链条炉集散系统组成图 4 1 1 通信系统 链条炉集散控制系统的通信采用j x 一3 0 0 x 系统通信网络中的底部两层，即过 程控制网络s c n e ti i 和控制站内部的s b u s 网络。 过程控制网络s c n e ti 【采用双高速冗余工业以太网，连接系统的控制站、操 作员站、工程师站等，是传送过程控制实时信息的通道。总线形拓扑结构，曼彻 斯特编码方式，底层遵循i e e e 8 0 2 3 标准，运输层遵循t c p i p 协议族的u d p 用户 数据报协议。s c n e ti i 还具有完善的在线实时诊断、查错、纠错等功能。因此网 硕士论文 链条炉集散控制系统的设计与实现 络纠错能力强、通信效率高，可靠性强。 操作员站和工程师站网卡采用带内置式收发器( 提供r j 4 5 接口) 的以太网接 口，标准的以太网卡安装方法。控制站的通信功能有主控制卡承担，嵌入式网卡， 通过集线器与操作员站和工程师站通信。 控制站内部的s b u s 网络，采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议， 是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。 4 t 2 控制站硬件 控制站是系统实现过程控制的主要设备之一，实现现场信号的输入输出，同 时完成过程控制中的数据采集、回路控制、顺序控制、以及包括优化控制等各种 控制算法。 控制站由机柜、机笼、供电单元和各类卡件( 包括主控制卡、数据转发卡和 各种信号输入输出卡) 组成，其核心是主控制卡。 1 、主控制卡( s p 2 4 3 x ) 是控制站的软硬件核心，负责协调控制站内的所有软 硬件关系和各项控制任务。如：完成i o 信号处理、控制算法、与上下网络通信控 制处理、冗余诊断等功能。一个控制站需要对冗余设置的主控制卡，其通信地 址由界面组态设胃与卡上硬件跳线配合完成。jx 3 0 0 x 主控制卡的地址范围由系统 约定为1 2 8 1 2 8 1 ( 2 ) 2 ( 3 1 ) ，从低到高顺序设定。 2 、数据转发卡( s p 2 3 3 ) 是i