循环流化床锅炉集散控制系统.doc

循环流化床锅炉集散控制系统 和秋鹏 ，喻寿益 (中南大学信息科学与工程学院， 湖南 长沙 410083) 摘要：依据循环流化床锅炉动态模型，提出模糊控制思想。采用先进的DCS锅炉控制系统，结合实际说明DCS在线投运、无扰切换等具体解决方案。 关键词：循环流化床；DCS； 模糊控制 ；锅炉控制 中图分类号： TP273 文献标识码：B 文章编号： The Research Of Circulating Fluidized Bed Boiler Control Technology He Qiu-Peng YU Shou-yi (School of Information Sciense and Engineering ，Central South University, Changsha 410083 ,China) Abstract: The dynamic propertics of the circulating fluidized bed boiler were analyzed to develop a new control system based on fuzzy control theory.The boiler control system adopts advanced DCS.The article discusses the design of automatic control system of boiler ,and describes the running of the DCS and transforming of uninterferes. Keywords: circulating fluidized bed boiler;DCS;fuzzy control;boiler control 循环流化床锅炉(简称CFBB)技术是七十年代发展起来的新技术，以其燃料适应性广、燃烧效率高、低污染、负荷调节范围宽等优点而得到 广泛应用。CFB不同于一般锅炉，其动态过程复杂，影响因素多且燃烧系统与汽水系统具有强耦合关系，故此常规控制方法很难实现锅炉参数的稳定控制。 目前的循环流化床的DCS控制大多采用传统的PID控制方式或者手动控制方式。实际运行情况表明，锅炉控制主要依赖于运行人员的操作经验。根据这一基础，将运行人员的宝贵经验归纳成模糊推理规则，采用模糊控制，使自动控制系统按照运行人员的经验进行控制，降低运行人员的劳动强度，提高系统运行的稳定性和经济性1。 1 CFBB控制对象特性及工作原理 CFBB与常规锅炉控制对象相比，其汽水控制系统与常规锅炉无异，主要不同点在于燃烧子系统，其主要特点为：（1）燃料颗粒大，燃烧速度慢、时间长，具有较大滞后性。（2）为达到较好的脱硫效果，需把床温控制在8500900。燃料量、石灰石量一次风和二次风等都对床温控制有影响；此外床温传感器受到大颗粒燃料介质流动影响，易受损，测量不准确；床温高低还决定着炉内结焦和灭火与否，所以床温控制在CFBB中至关重要。（3）影响床温的多变量强耦合，动一个变量同时影响几个变量，增加了控制难度。（4）CFBB启停方式、顺序和炉膛内安全监视控制系统都有别与常规锅炉，有特殊的要求。 控制系统包括两大系统：汽水控制和燃烧控制系统。汽水系统分为三个子系统：汽包水位调节系统、主蒸汽温度调节系统和主汽压力调节系统。燃烧控制系统包括：床温调节系统、播煤风调节系统、引风量调节系统、床层厚度调节系统和返料调节系统等五个子系统。控制系统见下图。 图1 控制系统控制原理图 调节给水流量 调节减温水量 调节给煤量 调节一次风量 调节返料量 调节排渣量 调节播煤风量 汽水控 制系统 燃烧控 制系统 循环流化床锅炉汽包水位给定主汽温度给定主汽压力给定炉膛负压给定风室压力给定分离器底压给定床层温度给定 2鉴于以上控制难点，所以在设计控制系统时必须考虑内部的耦合性，同时还要克服大滞后的影响，避免出现系统振荡。此外还要深入分析各回路的过程特点，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，以提高系统的实用性2。 2 控制思路分析 模糊控制因其可以模仿人类的控制经验，鲁棒性好而非常适用于CFBB这种大滞后、非线性的控制对象，因此各控制回路均采用模糊控制器。 2.1 模糊控制器 模糊控制系统的核心是模糊控制器，如下图 虚线所示。误差e和误差的变化ec作为控制器 的输入 ，输出变量采用控制量u。首先根据系统 采样得到系统输出值，计算模糊控制器所需要的 输入值，将输入变量的精确值模糊化为模糊量; 然后根据输入变量(模糊量)和模糊控制规则，按 模糊推理规则计算输出量；最后模糊输出量经反 模糊化计算出精确控制量，经数模转换后送给执 行机构。 图2 模糊控制系统 2.1.1 主蒸汽压力控制回路 在循环流化床中，改变给煤量会影响床温和主蒸汽压力，但是床温允许在较大的范围内变化，而且还可以采用改变给风量等方法控制，因此调节给煤量主要控制的是主蒸汽压力。一方面，主蒸汽压控制系统保证控制平稳和快速；另一方面，由于循环流化床燃烧的是劣质煤，煤质经常变化，因此必须具有较好的鲁棒性。采用模糊控制器可以较好的解决这个问题，其自学模糊控制可以在线调整控制参数，从而适应煤质的变化。 由于给煤变化首先影响床温，再影响主汽压力，为防止锅炉床温和高温过热器入口温度超出范围，将床温信号和高温过热器入口温度信号引入作为主汽压力主调节器的输出补偿信号，在这两个温度过高时减少给煤机的转速，而温度过低时增加转速。由于炉床温度只要调节在允许的范围内即可，因此比例调节器采用阀值控制。将比例调节器的输出作为主蒸汽压力控制回路的输出补偿3。 图3 主汽压控制回路 2.1.2主蒸汽温度模糊控制器的设计 针对CFB锅炉主汽温度对象控制品质要求，保证主蒸汽出口温度为530-545。 (1)输入输出变量的确定 该模糊控制器输入变量为2个，分别为误差e和误差的变化率ec，输出变量为减温水阀门开度的控制量u。模糊语言变量分别为E(温度偏差)，EC(温度偏差变化率)和U(减温水阀门开度)。 (2)模糊化 模糊语言变量E, EC和U的论域均取为(-6, 6，相应的等级依次划分为8, 7和7个，则有模糊子集: A i (i=1,.,8)= NB，NM，NS， NE， PE， PS，PM，PB；依次表示的实际物理意义为:主蒸汽出口温度很低、较低、稍低、正好、正好、稍高、较高、很高； B i (i=1,.,7)= NB，NM, NS， NE， PS， PM，PB；依次表示的实际物理意义为:主蒸汽出口温度变化负的快速增加、负的增加、负的稍微增加、不变、正的稍微增加、正的增加、正的快速增加； C i (i=1,.,7)= NB, NM， NS， NE， PS, PM, PB；依次表示的实际物理意义为:喷水减温阀全关、半关、稍微关小、不动、稍微开大、半开、全开。 （3）模糊规则的编辑 通过详细分析CFB锅炉主蒸汽实际运行情况，全面总结归纳专家的主汽温控制经验和知识，可得到一套控制规则，有56条，如: (a)如果出口温度很高，且温度偏差朝升高的方向快速增加，则喷水减温阀全开对应规则语给煤调 节机构 燃烧系统床温 P自学习 模糊控制器受热面高温过热器 入口温度 给煤机转速主汽力给定 主蒸汽压力 3言:if E=PB and EC=PB then U=PB。 (b)如果出口温度正好，且温度偏差朝升高的方向快速增加，则喷水减温阀半开对应规则语言:if E=PE and EC=PB then U=PM。 (c)如果出口温度太低，且温度偏差朝升高的方向快速增加，则喷水减温阀不动对应规则语言:if E=NB and EC=PB then U=ZE等等。 由这些控制规则即可构造出下列模糊控制规则表4。 图4 控制量U的模糊规则表 3 DCS系统的现场投运 由于本系统的监控对象为新建75t/h CFB锅炉，为提高锅炉监控与管理水平， CFB锅炉自动控制系统采用集散控制系统，利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。 3.1系统硬件组成 系统在硬件上分为上位机和下位机两部分，其中上位机主要完成人机界面协调控制等工作，下位机完成数据采集和过程控制工作。为提高系统的可靠性，上位机采用冗余系统，选择四台配置相同的计算机，形成C/S结构，Modbus通信协议。两台操作员站（Station），两台工程师站(Server)，两站之间通过以太网进行通讯。 在正常工作状态下，司炉工在操作员站进行操作监视，并控制CFB锅炉的正常运行;工程师站可以监视锅炉运行，同时可根据需要设定不同的权限进行修改数据。工程师站的数据与操作员站的数据通过网络同步，主要提供历史数据存盘、量程修改等管理功能。一台工程师站出现故障，另一台自动无扰切换，保证不影响正常生产。同时，上位机提供与厂级MIS的通讯接口，为系统扩充做准备，如图6所示4。 图5 实时监控与管理系统硬件结构 3.2 系统功能 (1) 现场控制层 现场控制层包括过程控制站、输入输出卡件、各种传感器、变送器和执行器等。主要完成数据的采集、存储、计算和回路控制、逻辑控制等。过程控制站通过网络向操作运转层的计算机传送数据，是整个监控系统的核心。 现场控制站采用美国Honeywell公司的HC900控制器。将CPU卡、电源卡、通讯卡和各种I/O卡件集成在控制柜内，控制器和I/O卡件均支持带电热插拔。为提高系统稳定性，CPU、电源和通讯卡全部采用冗余结构。 从现场过来的各种信号(包括模拟量、开关量、热偶值、热阻值、滑线电阻信号、频率信号等)经变送器直接进各种卡件。然后进行处理和转换，包括软件滤波、输入信号报警超限检测、线性物理量的工程单位转换、热偶信号的冷端补偿、流量信号的温度压力非线性补偿等。再经过CPU控制单元，结合相关控制策略对锅炉的给水、减温水、送风、引风和给煤等进行调节，实现对锅炉水位、主蒸汽温度、炉膛负压、经济燃烧，完成过程控制的自动化。 HC900组态软件作为控制系统的下位机，不同于传统的PLC梯形图编程模式，它具有连续控制、顺序控制的图形组态和在线监视运行数据库、查错流程图等功能。包括各种输入输出模块、控制模块、运算模块、逻辑模块、顺控模块。各模块还包括十分丰富的子功能。如控制方式切换、输入和输出的极限检验等。 （2）操作运转层 由操作员站和工程师站组成，它监视和控制设备的运行，以手动和自动两种方法确保设备的 4安全经济运行。除对锅炉的生产过程进行自动控制监测外，还扩展了以下功能： (a)实时动画模块：CRT显示的画面类型包括系统总貌图、报警、分组、动态流程图、历史和实时趋势及事件记录等。人机界面友好，使操作员可在监控站上实现与常规仪表相同的操作方式。 (b)参数报警模块：对现场数据进行分析判别，产生报警信息，系统报警包括高限、低限报警，高高限、低低限报警，偏差报警，速率报警，开关量变位报警等。另外对各部件故障也进行实时报警，且能指出故障点。 (c)事故联锁模块：锅炉作为高压容器，安全运行是至关重要的，对重要环节设置了事故联锁关机功能。 (d)性能计算模块：该模块对锅炉进行经济性和安全性管理，前者包括锅炉热效率、锅炉标准煤耗量、蒸汽产量等指标计算和统计，考核该炉的运行效益情况。后者包括重要参数实时显示、报警管理、事故追忆和安全保护等。 (e)历史查询模块：对运行数据按时间进行历史查询，数据查询后，按表格、历史趋势图、流程图方式显示。查询后还可计算主要的锅炉运行经济指标。 (f)报表生成模块：支持用EXCEL建立详细报表，这些报表包含了实时数据及历史数据。报表包括班报、日报、月报、季报和年报。报表模块还具有查看、打印功能、打印预览、打印机设置、数据备份打印、情况记载、报警次数统计等功能。 图6综合监控系统结构示意图 该系统上位机部分采用Intellution公司的IFIX组态软件，它提供了Windows应用程序接口(API)、动态连接库(DLL)、开放数据库访问(ODBC), ActiveX组件等技术，摈弃了以往应用程序中将大量代码用于图形界面开发的弊端，非常巧妙的将Windows编程的复杂性封装起来，使在设计阶段即可看到设计效果，编程与调试方便、开发效率非常高，可以高效、快速的构建出Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。循环流化床锅炉的综合监控系统结构如图7所示5。 4 结束语 该系统已经在75t/h循环流化床上投入运行。通过实际运行检验，表明该系统的自控投入效率高，锅炉系统参数控制稳定，床温控制满足生产要求，基本杜绝了结焦事件的发生，提高了锅炉的投用率。下图为上位机锅炉的主画面。 图7循环流化床锅炉流程图主画面 参考文献： 1 牛培峰等.循环流化床锅炉热工自动控制系统与展望。动力工程，1998, 18 (6) : 39-46 2 周以琳等.锅炉燃烧系统优化控制及实现方法。工业仪表与自动