DCS系统中串级三冲量系统的故障预处理与完善

DCS 系统中串级三冲量系统中串级三冲量 系统的故障预处理与完善系统的故障预处理与完善 关键词 关键词 串级三冲量串级三冲量 超调超调 系统负载系统负载 漏流量漏流量 故障预处理故障预处理 For a long time the vessel water level of boiler have been finished in common instrument There are three variables in this system so it s called three variable control system It can be achieved more easily in DCS with the developing of programmable controller Lots of articles explain the way of realizing it But most of them only created a composition We ll perfect the control system on the base to improving the ability of pre judging and pre handling in this article 引言 引言 在锅炉的自动控制中 汽包液位的控制是最具有典型特色的一个控制回路 由于在控制中 涉及的液位 温度和压力中 有些具有严重的滞后性 同时生 产工艺参数变化对控制系统的影响很大 所以控制难度大 系统稳定性差 因 此 汽包水位的控制在众多控制理论书籍中都被作为一个典型案例进行分析讲 解 在传统的常规仪表控制中 串级三冲量的控制是通过操作器 调节器 执 行机构之间的硬接线建立起来的 通常是将给水信号正接 蒸汽流量信号反接 求差后作为调节器的前馈 汽包水位作为主调信号进行设计 并根据实际控制 效果进行参数的设定 很少有使用两个控制器串联使用的 因此 对照串级控 制的定义 此种控制方略中由于只有一个控制器 并不能算做串级控制 只能 算作一种带有前馈的单回路控制 伴随着 DCS 技术的兴起与完善 传统的控制设备逐步被 DCS 所代替 完 全意义上的串级三冲量控制得以在不增加成本的前提下实现 所以 串级三冲 量调节在 DCS 上的组态再次成为了热控专业期刊和论坛中讨论的热点 笔者查 阅了很多资料 发现大部分讨论都流于理论层面上对系统整定的分析与探讨 在实际工程中具有很大的缺陷 在笔者经历的工程实践中 也见到多家设计院 在 DCS 中对汽包液位串级三冲量控制的诠释 但也大都是为了完成工程而对系 统做的简单基础建构 对生产工艺中遇到的工艺问题的应变能力不强 本文将 以 130T 锅炉水位串级三冲量控制系统为基础蓝本 讨论整个控制系统的完善 问题 理论基础理论基础 在对控制方案进行讨论之前 首先对基础概念进行一下明确 串级 顾名思义 就是将两个或两个以上的控制器串联在一起 三冲量就 是指在控制过程中 有三个测量信号影响最终的控制输出 它的基础结构如下 主调节器 主信号 副调节器 调节信号 1 调节信号 2 执行机构 图中 由调节信号 1 调节信号 2 副调节器构成的回路为副回路 由主信 号 主调节器及副调节器构成的回路为主回路 在锅炉汽包水位控制中 汽包 水位为主信号 给水流量和蒸汽流量分别为调节信号 1 和调节信号 2 软硬件平台软硬件平台 本文所做的论述所使用的 DCS 设备为日本山武 DOPCII 处理器 软件平台 使用 RTC2 1 DEO 中文版 系统完善应考虑哪些问题系统完善应考虑哪些问题 在 DCS 中对系统的完善 应该从哪些方面进行考虑的 首先 需要考虑 DCS 设备的负载能力 即改造不能大幅度的增加控制系统的负担 就如同让马 去拉火车 即使再好的骏马 也不可能拖动火车的 DCS 硬件负荷的允许是系 统完善的物质基础 其次就是上层建筑了 我们就要考虑控制系统对突发事件 的自适应性和安全性 针对上面的两个方面 我们来分别进行分析 首先 我们来看一看 DCS 设备本身的负荷 在通常的工程设计中 DCS 设 备的 CPU 负载率通常维持在 30 左右 输入输出接点的冗余度应不低于 20 对于 DCS 的 CPU 来说 模拟量计算对资源的占有率比较高 所以 应 该尽量在程序中减少模拟量的计算 要对三冲量系统在 DCS 中进行完善 必然 要增加一些模拟量的计算 在动手之前 我们必须了解一下增加部分对系统整 体性能的影响 以 130T 燃气锅炉系统为例 硬点和软点总量大致为 1400 点左 右 而我们在系统完善过程中需要涉及的只有 3 个变量的若干运算 不会很大 的增加系统的控制负担 所以一般的控制系统都具备系统完善的基础条件 分析了 DCS 设备的负荷情况 我们再来考虑一下需要在哪些方面提高三冲 量基本架构的适应能力 首先考虑测量设备一次元件 温度和压力的测量比较直接 在此不做过多 论述 流量测量大多使用差压到流量的转换模式 而在计算过程中必然加入开 方计算 开方运算的特点就是小信号测量时 误差在开方之后对计算的结果的 影响相对大 所以 控制中要尽量的避开小信号区域 但一般的锅炉正常生产 时都要求至少有 70 的负荷 更何况锅炉负荷过低也是不可能对液位实现自动 控制的 所以 小信号区域误差对串级三冲量系统的稳定性的影响可以不考虑 但要考虑到小信号区域流量指示可能出现误差特别大的问题 所以 通常情况 下 需要对流量进行小信号切除 在保证各个信号测量无问题的情况下 需要考虑的就是信号故障的预处理 为什么要引入故障预处理呢 前文中已经提到了串级三冲量的基本架构 单纯的从控制理论和控制目标 上来讲 只要在系统调试过程中进行合理的参数整定 它就可以完成控制目标 但是 我们知道 在生产实践中 一切状况都有可能出现的 扰动太大 系统 产生过冲调节了可能出现吧 阀门卡塞可能出现吧 等等林林总总的问题可能 产生在生产过程中 当面临这些问题时 上面的基础系统建构将成为木头人 失去作用 严重的时候还可能导致产生生产事故 所以 对于一个完善的控制 系统 对事故的预判断与预处理时必须要考虑的 首先我们分析一下测量信号出现故障的原因 信号产生故障可能存在三种 情况 短路 虚接和断线 相对来说 短路和断线是两种极端状态 DCS 设备 容易判断 在大多数的 DCS 设备中 都有信号故障判断功能 如本案例中所使 用的设备 模拟量输入卡件上都提供输入信号故障判断功能 只要读取软件的 相关参数就可以判断相应位置的输入信号是否出现故障 而对于信号虚接故障 一般的卡件都无法自主判断 所以我们必须要考虑到 DCS 中信号虚接问题的判 断 通常判断信号虚接的方法都是通过信号的变化率来实现的 我们知道 信 号虚接后的表现就是信号会大幅度波动 所以 信号短时间内的大幅度波动 我们就可以认为其发生了信号虚接故障 其次 要考虑一下控制设备 汽包水位三冲量控制的控制对象通常是给水 泵变频设备器或给水阀门 本文只对使用给水阀门控制给水流量的控制方式进 行讨论 在给水阀门的控制中 控制的直接对象是给水阀门电动执行机构 间接对 象是给水调节阀门 对于控制对象需要分解开来进行故障预分析 首先是电动 执行机构 现有的执行机构大部分使用 III 型电动执行机构 控制信号为直流 4 20mA 执行机构对于系统的影响主要体现在灵敏度和调节裕度上 灵敏度越 高 执行机构对控制信号变化的响应越灵敏 但是 过高的灵敏度不但使被控 信号波动频繁 也会影响设备的使用寿命 所以 在实际使用中 不宜灵敏度 过高 对于执行机构灵敏度的调整 可以使用一次性加入信号的方式进行调整 假如我们需要在控制信号改变 0 5 时动作 那么我们就将信号发生装置按照 0 5 递增或递减的方式变化 调节执行机构灵敏度旋钮 至需要位置即可 执 行机构的调节裕度和阀门的调节裕度我们可以等同来考虑 就是在投入自动模 式后 执行机构或阀门要有调节空间 这个主要是由调节阀的调节特性决定的 因为调节阀在 90 开度以后 继续增加阀门开度 对于流量的变化影响会降低 很多 所以 如果汽包水位达到正常工况下 阀门开度已经达到 90 那么系 统就是存在问题的 一般来说 调节机构在正常工况下 调节裕度要保持上下 行程保留 20 所以 维持正常生产工况下的阀门开度理想状态应维持在 45 左右是比较理想的 另外 调节阀漏流现象也是很常见的 尤其是国产的调节 阀门 很多在使用一段时间以后都会出现漏流现象 对于一台数万的调节阀门 不可能因为有 10 吨 8 吨的漏流量就进行更换 所以 在控制系统中对其进行补 偿 降低其对控制系统的影响也是系统完善的一个考虑方向 在考虑系统的自适应性的同时 安全性能也是一个不容忽视的问题 一般 来说 在对系统进行工程整定的过程中 都是以 10 阶跃信号进行扰动试验的 在外部扰动超过 30 的时候 系统很难自动达到平衡状态 而且很容易产生超 调现象 所以 通常建议外部扰动大于 30 将系统由自动切回手动状态 另 外 实际生产过程中 阀门卡塞等现象也比较常见 在此种情况下 调节系统 不但无法完成调节任务 还会不断的向调节机构发出调节指令 使调节机构长 时间带电 加剧卡塞的同时 还有可能造成执行机构电机损坏 所以 在遇到 这样的情况的时候 系统也应该可以自动切换到手动状态 并通知操作值守人 员 故障预处理故障预处理 在分析了系统运行过程中可能出现的问题后 我们将考虑如何应对这些问 题 完成应对的过程 就是系统完善的过程 一一 扰动过大导致超调的应对扰动过大导致超调的应对 对于一个稳定的无差调节系统 调节过程中一般不会出现超调现象 但当外界扰动过大的时候 调节过程中就可能引起超调 所以 解决了扰 动过大的问题 也就同时解决了整定完成的稳定的调节系统的超调问题 在应对外界扰动过大引发的超调现象时 关键是要判断外界扰动是否超限 当外界扰动超限的时候 将控制系统由自动状态切到手动状态 并以声光 报警的方式通知运行值守人员 就可以避免事故出现 那么 要怎么判断外界扰动是否超限呢 控制信号的扰动可能来源于 给水流量和负荷两个方面 在控制系统中的表现就是信号突然增大或减小 对于信号的突变 这个可以同测量信号的虚接状态合并处理 控制系统组 态软件都有变换率模块 在 RTC 软件中 系统提供了一个 DEV 功能块 此模块用于测量信号单位时间内的变化率 只要将测量信号输入到此模块 中 就可以判断出此信号在单位时间内的变化率 一般来说 虚接情况下 信号短时间内的变化率都是非常巨大的 也是有方向的 所以要对变化率 进行求绝对值操作 将求出的绝对值与设定的变化率限制值进行比较 如 果变化率大于设定值 我们就认为此信号出现了虚接现象或者是外界扰动 过大 那么就有必要对控制系统进行自动状态切除操作了 如图 DEV COMPARE 测量信号 限定变化率 手动 自动 ABS 虽然上面的思路是最直接的 但是 这个总体来说还是个头痛医头 脚痛医脚的办法 如果外界扰动时大 但是在副调节回路中已经进行了削 弱 调节系统可以达到理想的控制效果呢 那么我们的做法是不是就有些 多余了 所以 监测副调控制器的输出才是解决问题的根本 即发现要求 控制阀门骤开或骤关的指令时 我们认为出现调节系统故障 将控制系统 切换到手动 这样就可以从根本上解决问题了 至于为什么要以副调节器 的输出为依据 原因很简单 因为副调节器直接作用于阀门设备 有些软件里可能没有 DEV 斜率判断模块 也可以通过微分模块来实现 因为在数学中 微分的物理意义就是斜率 故障判断出来后 这个输出的手动 自动切换信号送到哪里呢 PID 调 节器模块都有手动 自动切换位 把这个信号送到控制器的手动 自动切换位 就可以了 但是在串级控制中 两个控制器是以 CAS 串级模式连接的 当副调切换到手动的时候 整个控制链条就已经断裂 控制信号将直接被 设置为副调的手动设定值 控制阀门的开度 所以 只需要把这个信号送 到副调节器就可以了 虽然在软件组态中 这样做的结果同把此信号分别 送入到主 副调节器的结果是相同的 但在组态中要养成节省控制器资源 的好习惯 二 阀门卡塞的应对 二 阀门卡塞的应对 阀门卡塞和外界扰动大的应对思路基本是相同的 都是在问题出现的 时候将控制系统切换到手动状态 并以声光报警的方式通知运行值守人员 关键在于阀门是否卡塞的判断 这个判断我们可以通过以下方法实现 将副调节器的输出同阀位反馈 相减后求其绝对值 如果绝对值大于 20 我们就可以认定为阀门动作无 法跟上调节器的输出 阀门发生卡塞 三 信号故障的应对 三 信号故障的应对 在锅炉汽包水位调节的串级三冲量控制中 一般会有 4 个测量信号 分别是给水流量 蒸汽流量和汽包双侧水位 由于汽包体积比较大 左右 两侧水位容易不同 所以大蒸发量锅炉汽包水位信号通常监控汽包两侧的 值 在这 4 个信号中 任何一个发生故障 无论是回零还是最大 对系统 都是一个大的扰动 产生错误的调节动作 所以 这种现象是不允许出现 的 有很多组态软件都提供信号故