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摘要 锅炉控制系统设计及其在p c s 7 上的实现 摘要 锅炉足生产过程及生活中重要的动力源和热源，其生产过程中的参数 非常重要。同时，由于锅炉长期工作在高温高压下，对安全的要求也较 高。在我国，锅炉的自动化水平还不太高，因此设计安全可靠的锅炉控 制系统是非常必要的。 本文详细分析了锅炉的工艺特点，明确了锅炉的控制要求，根据锅炉 对象的特点，依据控制方案的可靠性和可行性原则，设计了锅炉的整套 控制方案。 在工业生产中，有些工艺参数对生产工况的改变较敏感，因此需要对 控制器参数进行优化。本文采用随机数直接搜索方法优化控制器的p i d 参数，并且采用西门子p c s 7 的s c l 语言完成了优化模块的编写，能够 实现p i d 参数的在线优化。 由于实际的生产过程中往往存在较大的滞后，简单的p i d 控制器很 难达到理想的控制效果。因此，本文在通用模型辨识算法研究之后，设 计了内模控制器，然后采用西门子p c s 7 的s c l 语言完成了通用内模模 块和模型辨识模块的编写。 最后，本文以高级多功能过程控制实训系统为对象，以西门子p c s 7 为控制工具，实施了锅炉控制系统，即用c f c 完成控制系统组态，用 w i n c c 完成控制画面组态。文章最后还比较了锅炉汽包压力p i d 控制与 内模控制及工况变化时p i d 参数优化前后的控制效果。结果表明，内模 北京化t 人学硕l j 学位论文 控制器的响应速度和鲁棒性都比p i d 强，而p i d 参数优化之后能够达到 更好的控制效果。 关键词：锅炉控制系统，p i d 参数优化，内模控制，对象辨识，p c s 7 i i a b s t r a c t d e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo fb o i l e r a n dr e a l i z a t i o n b a s e do np c s 7 a b s t r a c t b o i l e ri sa ni m p o r t a n tp o w e rs o u r c ea n dh e a ts o u r c ea n db o i l e r s p a r a m e t e r si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa r ev e r yi m p o r t m e n t a l s o ，t h e s e c u r i t yr e q u i r e m e n ti sv e r yh i g hb e c a u s et h e b o i l e rw o r k si nh i g h p r e s s u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e i no u rc o u n t r y , t h el e v e lo fb o i l e r s a u t o m a t i o nc o n t r o li sn o tv e r yw e l l ，s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g nas a f e a n dr e l i a b l ec o n t r o ls y s t e mf o rb o i l e r t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb o i l e ri s a n a l y z e d d e t a i l e da n dt h e r e q u i r e m e n to fb o i l e rc o n t r o ls y s t e mi ss p e c i f i e di nt h i sp a p e r a n dt h e c o n t r o ls y s t e mo ft h eb o i l e ri sd e s i g n e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e b o i l e ra n dt h ep r i n c i p l eo fr e l i a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y i ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，s o m ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r es e n s i t i v et o c h a n g e si nw o r k i n gc o n d i t i o n s ot h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n i s r e q u i r e d t h eo p t i m i z a t i o nm o d u l ei si m p l e m e n t e du s e dn l ja l g o r i t h m b a s e do nt h es c lo fs i e m e n sp c s 7a n dt h em o d u l ec a nb eu s e do n l i n e a tt h es a m et i m e ，t h e r ea r eal o to fl a r g e d e l a yp r o c e s s e s i n i n d u s t r i a lp r o c e s sa n dt h ee f f e c to fp i dc o n t r o l l e ri sn o tg o o d t h e i n t e r n a lm o d e lc o n t r o la n dt h em o d e li d e n t i f i c a t i o na r es t u d i e d ，a n dt h e i i i 北京化t 人学硕i ：学位论文 c o m m o ni n t e m a lm o d e lc o n t r 0 1m o d u l ea n dm o d e li d e n t i f i c a t i o n m o d u l ea r ei m p l e m e n t e db a s e do ns c lo fs i e m e n sp c s 7 a tl a s t ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sr e a l i z e db yu s i n gs u p e rm u l t i f u n c t i o n p r o c e s sc o n t r o lt r a i n i n gs y s t e ma so b j e c ta n du s i n gs i m a t i cp c s 7a s c o n t r o l l e r t h ec o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o ni sc o m p l e t e db yc f ca n d t h es c r e e nc o n f i g u r a t i o ni sc o m p l e t e db yw i n c c t h ee f f e c to fb o i l e r p r e s s u r eu s e dp i dc o n t r o l l e ra n di m ca n dt h ee f f e c to fp i dc o n t r o l l e r b e f o r ea n da f t e rt h eo p t i m i z a t i o nm o d u l ea r ec o m p a r e da tl a s t a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m cr e s p o n s es p e e di sm u c hs w i f t e ra n dt h e r o b u s t n e s si sm u c hs t r o n g e rt h a np i dc o n t r o l l e r ；t h ee f f e c to fp i d c o n t r o l l e ri sm u c hb e t t e ra f t e ro p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：b o i l e rc o n t r o ls y s t e m ，p i dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ， i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ，o b j e c ti d e n t i f i c a t i o n ，p c s 7 i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 作者签名：孪欠主多 日期：垫丝：s ：堑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本 授权书。 作者签名：奎幺土翌 导师签名：么起。兰兰 日期：翌竺：兰：型 日期：垫! q ：壁! 乙( 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 锅炉是化工生产以及生活中广泛用到的设备。由于其经常工作在高温高压下，其 安全性非常重要。锅炉产生的蒸汽经常被输送到工艺流程的下游，因此其工艺参数是 否达标是非常重要的。在生产现场，存在很多的干扰，而p i d 参数的鲁棒性有限，即 当工况发生改变时，当前的p i d 参数有可能不满足生产工艺的要求。同时，从锅炉的 工艺流程可以看出，锅炉主要包括除氧器、省煤器、换热段、辐射段及换热器等具有 滞后特性的设备，并且存在反馈环节。因此，锅炉是一个大滞后过程。在工业生产中， 大滞后过程控制起来比较困难。 而随着工业生产的快速发展，人们对生产过程自动化控制水平和工业产品质量的 要求越来越高【l o 】。针对控制过程中的纯滞后及非线性环节，专家学者研究出了很智 能控制算法、先进控制算法等。它们的出现积极有效的推动了工业生产。由于生产环 境比较恶劣，危险性比较高，而这些算法实施起来相对比较麻烦，所以在实际生产过 程中的应用比较少。 为了改变这种状况，防止智能和先进算法直接应用到实际生产中造成的不良影 响，开发经济适用并且具备典型对象特性的实验装置是非常必要的。在研究先进算法 理论的时候，可以将其应用到仿真对象中，并且观察效果，然后才将其应用到实际的 生产过程中，它给将理论成果快速转化为实际生产技术提供了一条捷径。同时，仿真 对象可以让学生详细的了解被控对象的特性，设计出更好的适用于现场的控制系统。 本文中应用到的高级多功能过程控制实训系统( s u p e rm u l t i f u n c t i o np r o c e s s c o n t r o l t r a i n i n gs y s t e m ，s m p t - 1 0 0 0 ) 就是一种模拟锅炉、加热炉及水汽全流程等被控对象 的半实物仿真实验装置。它是根据锅炉及加热炉的机理模型动态仿真而成的，它能精 确的反应实际过程工业生产的各种对象特性，满足了工业级高精度和高重复性的基础 实验要求。 根据以上情况，本文设计了锅炉整体控制方案，编写了p i d 参数优化模块和内模 控制器模块。同时，本文以p c s 7 为基础，以s m p t - 1 0 0 0 为对象，实施了锅炉的整体 控制方案。为工业现场控制系统组念提供了p i d 参数优化模块和先进控制模块内模 模块，同时还为锅炉自动化控制提供了锅炉的整体控制方案。 1 2 锅炉工艺流程简介 锅炉是指利用燃料的燃烧热能或其他热能加热软化水或者其它工艺介质，以生产 北m 化t 人学碰 学位论文 舰定参数和品质的蒸汽、热水或其它工艺介质、其他工艺蒸汽的机械设备。它是石油 化h 电等l 业过程r 卜非常重要的动力设备。它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透 平的动力源，义可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。锅炉的t 艺流程人概 可以概述为：冷流经过一些处理之后，在炉膛内吸收燃料释放出来的热昼变成一种高 温高压。l 体，并将气体传送到下游工序这样一个过程。 s m p t - 1 0 0 0 的丁艺流程图如图1 一i 所示宴体如图1 - 2 所示。 图1 - 1 锅炉r 艺流徉幽 f i g 1 1t h e f l o wc h a r to f b o i l e r 图1 - 2s m p t 实体削 f i g1 - 2t i l ed i a g r a mo f s m p t 第一章绪论 被控对象的设备列表、检测点列表和操作点列表如表1 1 1 5 所示。 表1 - 1 设备列表 位号设备名称 p 1 l o l 上料泵 p 1 1 0 2 燃料泵 k l l o l鼓风机 f 1 1 0 1锅炉 e 1 1 0 1 换热器 d l l o l 除氧器 s 1 1 0 l上汽包 表1 - 2 检测点列表 t a b l e1 - 2t h el i s to fd e t e c t i o np o i n t s 位号检测点说明单位位号检测点说明单位 a i l l o l烟气含氧鼍l t l l 0 2 上汽包液位 m f t l l 0 1 待加热物料a 流量 k g h p t l l o l 燃料压力 m p a 去换热器的待加热 f t l l 0 2 k g h p t l l 0 2炉膛压力m p a 物料a 流量 f t l l 0 3 燃料流鼙 k g h p t l l 0 3 除氧器乐力 m p a f t l l 0 4 空气量 m 3 s1 v r l l o l 炉膛中心火焰温度 进入锅炉辐射段的 f t l l 0 5热物料a 流量 k g h 1 y r l l 0 2 物料a 温度 出锅炉辐射段的 f t l l 0 6 除氧器给水流量 k g h 1 v r l l 0 3 物料a 温度 f t l l 0 7 去除氧器蒸汽流量 k g h t t l l 0 4 热物料a 温度 l t l l 0 1 除氧器液位 mt t l l 0 5 烟气温度 表l - 3 执行机构列表 t a b l el - 3t h el i s to fe x e c u t i v eb o d i e s 位号执行机构说明位号执行机构说明 产品( 热物料a ) v 1 1 0 1 待加热物料a 管线流量调：1 了阀 v 1 1 0 5 管线流量调节阀 直接进入锅炉对流段的 v 1 1 0 2 v 1 1 0 6除氧器流量调节阀 待加热物料a 管线流量调节阀 去换热器的待加热物料a去除氧器蒸汽流量调 v 1 1 0 3v 1 1 0 7 管线流量调：箝阀节阀 v 1 1 0 4 燃料管线流量凋1 了阀 d o l l o l 烟道挡板 3 北京化t 人学硕i ：学位论文 表1 - 4 开关阀列表 t a b l e1 - 4t h el i s to fs w i t c hv a l v e s 位号执行机构说明 x v l l o l物料a 管线流鼙调肖阀前阀 x v l l 0 2 物料a 管线流量调1 ，阀后阀 表1 5 手操阀列表 t a b l e1 - 5t h el i s to fm a n u a lv a l v e s 位号执行机构说明 h v l l 0 1 物料a 管线流量调仃阀旁路阀 s m p t - 1 0 0 0 工艺流程的文字描述如下： 为了防止进入锅炉的水中溶解有氧气及二氧化碳，对锅炉及全厂使用蒸汽的设备 造成腐蚀，因此在软化水进入锅炉之前要进入除氧器进行热力除氧。即软化水f 1 1 1 0 6 经过阀门f v l l 0 6 进入除氧器，除氧蒸汽分别经过控制阀f v l l 0 7 和h v l l 0 2 从除氧 器顶部和底部进入除氧器。软化水经过热力除氧之后，经过上料泵p 1 1 0 1 泵出。流量 管线上设有调节阀v 1 1 0 1 ，调节阀前后分别有i j 阀和后阀x v l l 0 1 、x v l l 0 2 ，管道的 旁路有旁路阀h v l l 0 1 。 待加热软化水被分为两路，一路进入换热器e 11 0 1 预热，预热后与另外一路混合 进入对流段，经过对流段之后经过上汽包进入辐射段。两路待加热的水管道上分别设 有调节阀v 1 1 0 2 和v 1 1 0 3 。上汽包液位为l 1 1 1 0 2 ，压力为p 1 1 1 0 2 。j 下常工况时，大 部分热力除氧后的待加热的软化水直接流向锅炉对流段，少部分待加热的软化水流向 换热器，其流量为f 1 1 0 2 。 燃料经由燃料泵p 1 1 0 2 泵入锅炉f l l 0 1 的燃烧器，燃料流量为f 1 1 0 3 ，燃料压力 为p 1 1 0 1 ，燃料流量管线设调节阀v 1 1 0 4 。空气经由变频风机k 1 1 0 1 送入燃烧器，空 气量为f 11 0 4 。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的水迅速升 温。燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段回收余热。 对流段烟气出口处的烟气温度为t 11 0 5 。烟气含氧量a 11 0 1 设有在线分析检测仪 表。烟道内设有挡板d 0 1 1 0 1 。 出对流段、入辐射段的过热蒸汽温度为t 1 1 0 2 。从辐射段炉管出来的温度为t 1 1 0 3 的水蒸气进入换热器e 1 1 0 1 ，进行温度的微调。最终产品( 饱和蒸汽) 的温度为t 1 1 0 4 ， 流量为f 1 1 0 5 ，出口管道上设流量调节阀v 1 1 0 5 。 炉膛压力为p 1 1 0 2 ，炉膛中心火焰温度为t 1 1 0 1 。为了防止火焰窜出锅炉的外部， 炉膛负压经常为一负值。 4 第。审绪论 1 3 锅炉控制系统现状 1 3 1 锅炉控制系统发展现状 在国外，锅炉的控制己基本实现了全自动控制，控制方法上部分采用了现代控制 理论中的最优控制、多变量内模、模糊控制等方法【4 】，因此，锅炉的热效率较高、锅 炉运行平稳，减少了对环境的污染。而国内锅炉的控制水平比较低，还没有实现完全 的自动化控制。因此，设计锅炉整体控制方案并且在d c s 上真j 下的实施非常重要。 但是锅炉耦合性较强，具有几十个测量参数，控制参数和扰动参数，它们之间相 互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化， 存在一定的非线性特性，这一切都增加了锅炉的控制难度1 5 j 。同时，在以往的锅炉控 制方案中，大部分采用简单的p i d 控制，但是由于p i d 控制的鲁棒性不很强，其控制 效果不佳。但是在锅炉控制系统中存在很多控制回路，为了能够使用方便，只对某些 重要参数采用先进控制算法，其他参数的控制回路采用p i d 控制。随着计算机在工业 中的应用以及各种新的控制算法的研究，很多新的控制算法，例如专家控制系统睁引、 模糊控制、神经网络 1 2 - 17 1 、预测控制1 8 。2 0 1 、内模控制【2 1 2 2 1 等，也在锅炉控制系统 中得到尝试和应用【2 3 1 。但是先进控制算法要求被控对象的模型，而建模的过程比较复 杂，得到的模型不是特别的精确，往往不能完全反应锅炉的真实状况，导致了在锅炉 控制系统中的应用不是很成功。而专家系统、神经元网络控制、模糊控制等算法对经 验的要求比较高，而这个要求限制了该算法的使用。以上各种算法在锅炉上的应用均 有一个特点，就是算法没有在锅炉上得到完全的应用，大部分只是通过m a t l a b 等工 具仿真控制效果。 在设计锅炉控制系统的过程中，无论采用什么样的控制系统，对于锅炉而言，整 个锅炉控制系统均可以分为以下几个控制系统：除氧器控制系统，燃烧控制系统，上 汽包液位控制系统，炉膛负压控制系统等。而在锅炉控制系统中，最主要的指标是过 热蒸汽的压力和最终温度，而对其影响最大的是燃烧状况的好坏。同时，产生的过热 蒸汽要送到下一个流程中，因此，锅炉中过热蒸汽最终出口温度至关重要。其主要受 燃烧状况的影响，同时软化水吸收热量需要一个过程，因此过热蒸汽最终温度和压力 对象具有一定的滞后性，响应速度将会比较慢。因此，燃烧系统控制是锅炉控制系统 的个难点。目前，国内外学也都是针对这个方面研究控制策略，在控制算法上取得 卓著的成就，但是在实际生产应用上还存在着一些问题。 1 3 。2 控制工具发展状况 锅炉的工艺流程比较复杂，要完成对锅炉的控制并不是件容易的事情。采用先进 北京化t 人学硕i j 学位论文 并且合适的控制方案，选择较先进且合适的控制工具，才有可能达到比较好的控制效 果。 随着现代技术和计算机的发展，可以将经常用到的控制工具分为以下几类：模拟 控制系统( a c s ，a n a l o g o u sc o n t r o ls y s t e m ) 2 4 , 2 5 1 、可编程控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) 2 6 - 2 8 】、可编程控制器和上位机组态联合使用【2 9 , 3 0 】、集散控制系统 ( 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 ) 1 3 1 1 、现场总线技术【3 2 , 3 3 】。 在这几类算法中，a c s 、p l c 很难实现先进控制算法，只能进行简单的p i d 控制 器运算，因此，它们使用起来不方便；同时，其输入输出模块较有限，使用和扩展起 来比较麻烦。而d c s 一般具有自己的脚本语言，能够实现先进控制算法。 但是，一般d c s 的输入输出模块比较有限。如果存在大量的输入输出数据，使 用的输入输出模块数将增加。这不但增加了资金的使用而且还增加了接线的难度。因 为接线比较麻烦并且较容易出现错误。而错误的修改也比较麻烦，有时需要将所有的 接线端子检查一遍，才能找到错误。而现场总线技术改变了d c s 这一缺点。 根据以上分析，这罩选择了具备现场总线通讯且脚本语言编程比较简单的p c s 7 作为控制工具。 1 4 本课题的主要内容 本课题按照锅炉基本的工艺要求，设计了较通用的基本控制方案。在工业生产过 程中，有些工艺参数对工况改变特别敏感，即工况发生改变时，当前p i d 参数的抗干 扰能力和响应速度都会降低，因此本文在对遗传算法、粒子群算法和随机搜索等优化 算法研究的基础上，给出了确定p i d 参数的优化算法，并在p c s 7 上运用s c l 语言编 写了p i d 参数优化模块。另一方面，锅炉控制系统中还存在着大的滞后，普通的p i d 控制器很难达到较好的控制效果，这旱采用了先进控制算法内模控制器，要使用内 模控制器，则需要对锅炉系统进行模型辨识，最后用s c l 语言开发了通用的内模控 制模块。 为了验证所设计控制系统的效果，文中以s m p t - 1 0 0 0 为被控对象，以西门子p c s 7 为控制工具，利用w i n c c 完成了锅炉的上位机组，实现了锅炉系统的控制。验证了 模型辨识模块、内模模块和参数优化模块实用性；对各控制回路的控制器参数进行了 整定，给出了各控制回路的动态响应曲线和抗干扰曲线。结果表明，内模控制器比普 通的p i d 控制器控制效果要好，而优化后的p i d 参数则具有更好的控制品质。 本论文安排如下： 第一章绪论，主要介绍了课题研究的背景和意义，简单介绍了本文所采用的锅 炉的工艺流程，对锅炉控制系统发展的现状，系统的设计基础及实施所采用的工具进 6 第一章绪论 行了阐述，简要说明了将先进控制技术和p i d 参数优化应用到锅炉控制系统必要性。 第二章锅炉控制系统的设计。首先介绍了控制系统的设计原则，分析了对关键 变量影响的各个因素，然后对控制回路的被控变量、操作变量进行了选择，设计控制 回路，最后详细阐述了控制阀的气开、气闭、控制器的正反作用以及控制规律。文中 根据锅炉的工艺流程及锅炉的工艺要求，设计了如下控制 u 1 路：锅炉除氧器液位除 氧器入口流量串级控制回路、除氧器压力单回路、锅炉汽包水位三冲量、过热蒸汽压 力燃料量空气量比值串级控制系统、烟气含氧量单回路控制系统、炉膛负压丽馈一 反馈控制系统。 第三章优化算法的研究及p i d 参数优化模块的实现。分析了p i d 参数优化的必 要性，介绍各种p i d 参数优化的目标函数，采用m a t l a b s i m u l i n k 比较了几种优化算 法的优劣，并选取了优化目标函数和优化方法。给出了p i d 参数优化的算法流程图， 且采用西门子s c l 语言编写了p i d 参数优化模块。 第四章模型辨识模块和内模控制模块的实现。在这罩比较了史密斯预估控制器 和内模控制器的控制效果，最后选择了内模控制器来控制纯滞后过程。在对内模控制 理论研究的基础上，给出了内模控制器编程实现的流程图，利用s c l 语言完成了内 模控制器模块的编写。在实现内模的过程中，需要被控对象的模型，因此，本章在对 被控模型分析之后，选择了一种通用的模型和参数辨识方法，用s c l 语言编写了模 型辨识模块，增强了控制器的通用性。 第五章基于p c s 7 的锅炉控制方案的实施。本章包括控制画面组态和控制系统 组态。其中的控制画面组态主要包括锅炉的主画面、操作画面、参数设置画面、报警 画面、实时趋势画面和历史数据画面。同时，利用传统的p i d 整定方法对各个控制回 路中的控制器参数进行了整定，并记录了各个控制回路的动态响应曲线和抗干扰曲 线。控制系统组态：为了验证内模模块和p i d 参数优化模块的可行性及控制效果，文 中分别采用内模控制器和p i d 控制器对过热蒸汽压力进行了控制，并比较了这两种控 制器的控制的效果；在对过热蒸汽温度的控制中，则采用p i d 参数优化模块进行控制， 并与未使用此模块的p i d 控制效果进行了比较。 第六章结论，对文章所做的工作及研究成果进行了总结，提出文章中存在的不 足，并指出今后努力的方向。 7 第一：章锅炉摔制系统改汁 第二章锅炉控制系统设计 2 1 控制系统设计原则 系统控制方案设计在整个系统设计中占有十分重要的地位，控制方案的设计决定 着控制效果。在设计控制系统的过程中，控制阀的选择包括开闭形式和流量特性的选 择；控制器正反作用的选择及控制规律的选择，都会对所设计控制方案的效果产生较 大的影响。因此，在设计控制方案时不仅仅控制系统的设计需要遵循一些原则，像控 制阀的选型、控制器正反作用的判定以及控制规律的选择也应该遵循一定的原则。 2 1 1 控制方案设计原则 在实际生产过程中，设计控制系统的目的是为了使工艺参数工作在所要求的稳定 范围内。为了达到这个目的，在设计控制系统时，应遵循的的原则可以概括如下： 首先，所设计的控制系统要满足生产过程中的生产要求。控制系统应当使被控对 象满足生产要求，使工艺参数在生产的范围内，这是设计该控制系统的首要前提，也 是控制系统设计中最重要的一条原则。进行设计前，需要收集相关资料，深入了解被 控对象工艺流程和工艺要求，这样才能设计出好的控制系统。 其次，所设计的控制系统要安全可靠。控制系统在工作过程中能够安全、可靠、 稳定的运行，这也是设计控制系统的重要原则。为了达到这一目的，在设计控制方案 时，应当全面考虑安全性，这主要包括：选择可靠的控制工具，软件设计的过程中也 要进行可靠性评估等。 再次，所设计的控制系统要经济实用。在满足以上两个要求时，还要考虑资金的 问题，力求所设计的控制系统既满足控制的所有要求，又花费最少的资金。 最后，所设计的控制系统要适应发展的需要。在设计控制系统时，要从长远的角 度考虑，所设计的控制系统应该满足生产发展和工艺改进的需要，具备扩展功能。 根据上述分析，控制系统设计时应当在遵循合理可靠和经济实用等原则。另一刚 面，所设计的控制方案一定要是经过验证可以实施的方案。按照这一原则，根据工业 生产中对锅炉的要求，以单回路控制、串级控制、前馈控制、p i d 控制、内模控制为 基本方案，这样可以保证方案才具有较强的可实施性和较高的工业应用价值。 2 1 2 阀门开闭形式选择原则 对于一个控制回路而言，控制阀气开气闭的选择至关重要，它影响着生产过程的 安全，控制器正反作用的选择和控制系统的控制品质等。对于控制回路，究竞选择气 9 北京化t 人学硕l ：学化论义 开阀还是气闭阀，一般由生产工艺决定。一般来说，要遵循以下几条原则进行选择： ( 1 ) 要考虑生产安全，即当发生故障时，阀门的输入信号被切断，阀门恢复到 无能源的初始状态时，应当保证生产设备和人员安全，防止事故发生。 ( 2 ) 从保证产品质量的角度出发，当阀门处于无信号状态，恢复到初始位置时， 应当尽量保证产品质量。 ( 3 ) 从降低原料损失，减少不合格成品的生成，降低动力损耗等方面来考虑。 ( 4 ) 从工艺介质的特点来考虑。 一般来说，从上面几个方面考虑，控制阀开、闭形式并不难选择。不过，在如下 两种情况，控制阀开闭形式的选择应当加以注意。第一种情况，在不同工艺要求下， 对于同一控制阀可能有两种不同的选择结果。如果出现这种情况，需要经过详细分析， 并且根据工艺人员商量，然后进行选择。第二种情况，有些生产工艺对控制阀开、闭 形式的选择没有严格的要求，这种情况下，任选一种即可。 2 1 3 阀门流量特性选择原则 控制阀的流量特性指的是流过控制阀的流量与阀杆行程之间的函数关系。我国经 常使用的控制阀类型包括线性、等百分比( 对数) 和快开等几种，其中前两种用的比 较多。图2 1 所示为控制阀的流量特性曲线。图中，曲线1 为线性流量特性，曲线2 为等百分比流量特性，曲线3 为快丌流量特性。控制阀流量特性主要是根据对象的特 性来选择的。具体的选择过程参见参考文献 6 2 1 。 x 骊 踬 删 嫣 图2 - 1 控制阀流量特性曲线 f i g 2 - 1t h ef l o wc u r v eo ft h ec o n t r o lv a l v e 2 1 4 控制器正反作用的选择 根据控制原理，当反馈为正反馈时，系统不稳定，当遇到干扰时，系统的响应曲 l o 第二：章锅炉控制系统没计 线发散；当为负反馈时，系统稳定，当遇到干扰时，系统的响应曲线衰减，经过一段 时问回到原来的工作状念。在控制系统中，是不希望系统发散的，因此，系统需要工 作在负反馈状念下。对于负反馈控制系统而言，构成负反馈指的是控制回路各个环节 的符号之积为负值。在控制回路中，控制阀、被控对象、测量变送装置和偏差环节的 符号都是很容易确定的，根据各个控制回路的各组成部分符号乘积为负的原则，就可 以确定控制器的正反作用。 在这里，需要注意的是，对于d c s 而言，偏差系统为设定值减去测量值，因此， 该环节的符号一直为负。 2 1 5 控制规律选择原则 在生产过程中，所使用的控制规律主要包括开关控制、比例控制、比例积分控 制、比例一微分控制、比例一积分微分控制等。过程工业中常见的参数有流量、液位、 压力和温度。在不同的工艺过程中，要求不同，这些参数的重要程度也不同，所以采 用的控制算法也各式各样。根据上述分析，可以得知控制规律的选择要根据具体情况 而定。但在确定控制规律时，有一些根据经验总结的原则，如表2 1 所示。 表2 - 1 控制规律选择表 t a b l e2 1t h es e l e c t i o nt a b l eo f c o n t r o ll a w n 控制要求及对象特点控制规律 不太重要比例算法和开关控制 不太重要，惯性较人，希望不存在偏差比例微分( 流量噪声大，不能采用比例微分) 比较重要，精度要求较高 比例积分 比较重要，精度高，动态偏差小，滞后时间长比例一积分微分控制或者先进控制算法 2 2 锅炉工艺要求 表2 - 2 锅炉工艺要求表 t a b l e2 - 2t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t so ft h eb o i l e r 工艺参数工作范同 除氧器液位4 0 0 - a ：3 0 m m 除氧器压力1 9 6 1 3 士1 9 6 1 p a 汽包液1 1 ：) = 3 0 0 土3 0 过热蒸汽压力3 8 4 - 0 5 m p a 过热蒸汽温度 4 4 0 士5 炉膛负压 1 9 6 1 3 p a 烟含氧量 0 9 3 0 北京化丁大学顾 j 学位论文 对于工业过程而言，控制的主要目的是为了保证生产工况稳定，防止事故的发生， 有时候还要达到节能减排的要求。对于锅炉而言，需要控制的工艺参数是：过热蒸汽 出口温度、压力、上汽包液位、除氧器液位、锅炉上水流量等。而在设计控制回路的 时候，应该考虑到节能、减排和安全要求。 各工艺参数要求如表2 2 所示。 2 3 锅炉控制系统设计 2 3 1 除氧器液位一除氧器入口流量串级控制系统 进入除氧器的软化水来自于上游工序。由于软化水的流量经常波动，这对除氧器 的液位有一定的影响，因此要对软化水的流量进行控制，这里可以采用单回路控制系 统。但是，除氧器液位对锅炉的上水流量有一定的影响，如果上水流量不稳定，将会 造成锅炉最终过热蒸汽温度的不稳定，因此需要对除氧器液位进行控制。 经过以上分析可以得出，对除氧器液位干扰最大的是除氧器入口流量，因此可以 采用除氧器入口软化水流量控制除氧器液位的单回路控制系统。而在此又要求除氧器 入口的软化水流量稳定，因此这罩采用除氧器液位软化水流量的串级控制系统。在 该控制系统中，被控变量为软化水流量、除氧器液位，操纵变量为除氧器软化水上水 流量，控制系统的方块图如图2 2 所示。 图2 - 2 除氧器液位软化水流量串级控制系统方块图 f i g 2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo f c a s c a d ec o n t r o ls y s t e mo fd e a e r a t o rl e v e l - s o f tw a t e rf l o w 根据阀门开闭形式的选择原则：当发生故障时，必须保证生产安全；降低原料、 成品、动力损耗等，因此当发生故障的时候，软化水流量阀门应该打开，保证除氧器 液位高于最低要求液位。因此，软化水流量阀门应该选择气闭阀。 根据控制阀流量特性的相关知识可以得知，该阀门应选用等百分比阀。 在串级控制系统中，控制器j 下反作用的判定要遵循“先副后主”的原则；副回路控 制器正反作用的判断与单回路相同；在对主回路控制系统控制器正反作用判定的时候 1 2 第二章锅炉拧制系统改计 将副回路看成符号为“正”的环节。根据控制正反作用选择的过程，经过判断可以得知， 软化水流量控制器为反作用控制器，除氧器液位控制器为正作用控制器。 在串级控制系统中，副环是一个随动控制系统，为了保证副环能够快速的跟随主 环的变化，一般要求副控制器采用比例控制器。而在该串级控制系统中，对软化水流 量控制精度的要求比较高，要求消除余差。因此这里软化水流量控制器采用比例积分 ( p i ) 控制规律。在该控制系统中，由于除氧器液位对后续工序有一定的影响，对除 氧器液位的精度要求比较高；同时，除氧器的体积比较大，因此当流量发生变化的时 候，液位的变化有一定的滞后性，为了克服该滞后的影响，除氧器液位控制器应引入 微分作用。所以，除氧器液位的控制规律选为比例积分微分( p i d ) 控制规律。 2 3 2 除氧器压力控制系统 除氧器压力大小对除氧效果的好坏有一定的影响。如果除氧效果不好，软化水中 的氧气在被加热的过程中，将会腐蚀锅炉，发生事故；同时在热交换器中若有气体聚 集，将使传热的热阻增加，降低设备的传热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利 的，尤其是氧气，它将直接威胁设备的运行安全。为了防止事故的发生，保证良好的 除氧效果，需要对除氧器压力进行控制。 压力主要是由蒸汽产生的，因此在除氧蒸汽以及软化水入口流量中，对其影响最 大的为蒸汽的流量，即进入除氧器的蒸汽流量大，则除氧器内部的压力比较大，进入 除氧器的蒸汽流量小，则除氧器内部的压力比较小。除蒸汽流量之外，没有其他干扰， 所以为其选择单回路控制系统。控制系统的方块图如2 3 所示。 图2 - 3 除氧器压力单【司路控制系统方块图 f i g 2 - 3t h eb l o c kd i a g r a mo f f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mo ft h ep r e s s u r eo fd e a e r a t o r 根据阀门开闭形式的选择原则可以得知，蒸汽流量控制阀应为气开阀。根据控制 阀流量特性的相关知识，选用等百分比阀。根据单回路控制系统中控制器j 下反作用选 择原则，经过判断得知除氧器压力控制器为j 下作用控制器。 除氧器压力是一个比较重要的参数，其响应速度较快，时间常数不大，一般不采 用微分作用。但是除氧器压力要求不存在余差，因此这罩引入积分作用。采用比例积 分( p i ) 控制器。 北京化一1 ：人学倾i j 学位论文 2 3 3 锅炉汽包水位控制系统 无论从生产角度还是从安全角度来考虑，汽包水位都起着至关重要的作用。因此， 对汽包水位的控制也比较重要。 经过分析可以得知，在锅炉的上汽包系统中，对汽包影响最大的是锅炉上水流量， 因此采用单回路控制系统。在这个控制系统中，上汽包液位为被控变量，锅炉上水流 量为操纵变量。在锅炉汽包水位控制系统中，单回路控制通常称为单冲量控制系统。 冲量指的是变量，这里的单冲量指的是汽包水位。但是，单冲量控制系统存在三个问 题：不能解决虚假水位的影响；对锅炉负荷变化反应不灵敏；对给水量的干扰反应较 慢，不能及时克服。 为了克服上面存在的三个问题，除了依据汽包水位的偏差外，如果还依据蒸汽流 量和给水流量的变化来控制汽包水位，则能获得良好的控制效果。这就是三冲量水位 控制系统。 汽包水位三冲量控制系统的方块图如图2 4 所示，从方块图可以看出，三冲量控 制系统实质上是前馈( 蒸汽流量) 串级控制系统。 蒸汽量 c b 刊鬻h 蒸汽流 痔l j i 馈 控制器 型嚣h 唰嚣h 汽舞矗水h 汽包水位量控制器llb i 控制阀il流垃| “。“、“ 汽包i ：水流最 测j 茈变送装援 汽包水位测垃 变送装置 蒸汽流量 l 图2 - 4 汽包水位三冲量控制系统方块图 f i g 2 - 4t h eb l o c kd i a g r a mo ft h r e e - i m p u l s eo fd r u ml e v e l 在该控制系统中，阀门开闭形式的选择也是从安全角度来考虑。当发生故障时， 为了保证锅炉不被烧干，要保证上水不断。所以，汽包上水流量控制阀为气闭阀。而 控制器正反作用与串级控制系统中主、副控制器正反作用的判定过程一致。经过分析 可以得知，汽包水位控制器为正作用控制器，汽包上水流量控制器反作用控制器。根 据控制阀流量特性选择原则，该控制阀应该选线性阀。 下面对运算器的符号确定作一个分析。，。的设置是为了在正常负荷下抵消，r ， 所以厶前的符号永远是负号。c 项是取正号还是负号，它与控制阀的开闭形式无关， 也与汽包上水流量控制器的作用方式无关。因为a ，值作为汽包上水流量的给定值， a ，的增大，即蒸汽负荷增加，应当提高汽包上水流量控制器的给定值，使给水量也 1 4 第_ 二章锅炉控制系统设计 随之提高。这样c 项应取正号。通过以上分析可知：对于三冲量控制系统，无论给水 阀是气开阀还是气闭阀，也不管汽包上水流量控制器为证作用或反作用，它的加法器 运算式总是： i = c l i f + c 2 i ，一i o ( 2 1 ) 在锅炉中，上汽包水位是一个非常重要的指标，对它的精度要求比较高，因此汽 包水位控制器要采用比例积分( p i ) 控制规律；但是由于汽包水位有一定的滞后性， 因此要添加微分作用，所以可以得出，汽包水位控制器要采用比例积分微分( p i d ) 控制器。而副回路控制器汽包上水流量控制器，既要加快其对主控制器的响应速度 同时要求其达到一定的精度，因此可以采用比例积分( p i ) 控制规律。 2 3 4 燃料量空气量比值控制系统 燃烧系统控制的主要目的是保证燃料能够充分燃烧，释放全部能量，使得锅炉的 燃烧状况正常、平稳。同时，为了防止过剩空气带走能量，空气剩余量也不能太大。 因此，设计了燃料量、空气量比值控制系统。同时，为了降低燃料流量和空气流量的 扰动，对燃料流量和空气量设计闭环控制，使流量跟随给定。在本控制系统中，燃料 量和空气量既为被控变量，又是操纵变量。 图2 - 5 燃料量空气量比值控制系统方块图 f i g 2 - 5t h eb l o c kd i a g r a mo fr a d i oc o n t r o ls y s t e mo ff u e lf l o w a i rf l o w 比值控制系统涉及到主、副物料的选择问题。在燃烧系统中，空气供应不成问题， 而燃料可能供应不足，为了保证燃料的充分燃烧，这里要求空气量随着燃料量的变化 而变化。同时，为了防止燃料因供应不足而失控时，流量比值仍能始终保持，因此选 择燃料为主物料，而空气为副物料。该比值控制系统的方块图如图2 5 所示。 根据阀门开闭形式的选择原则，同时考虑到燃烧