工业锅炉DCS控制系统设计研究

自动化 与仪器仪表 2 01 2年第 1期 总第 1 5 9期 工业锅炉D C S 控制系统设计研究 梁 长 志 中国神华煤制油化工有限公 司鄂 尔多斯煤制油分公 司检维修 中心 内蒙古鄂 尔多斯 O 1 7 0 0 0 摘 要 针对 用户现场锅 炉硬 件系统 的实际情 况 控制系统工作方式 分为手动和 自动两种 以工业 以太 网 现场总线 计 算机和组态软件为核心设计了D C S控制系统 按照操作 管理层 过程控制层 现场检测层三层 结构 的 模式进 行结构规划和 系统配置 关键词 锅炉 模糊 P I D 模糊 白寻优 Ab s t r a c t I nt h i s e s s a y i nv i e w o f t h eu s e r s a c t u a l s c e n e s i t u a t i o no f b o i l e r h a r d wa r e s y s t e m t he c o n l r o l s y s t e m wo r k i n gh a s b e e n d e s i g n e da s ma n u a l a n d a u t o ma t i ct wo wa y s T a k i n g the i n d u s t r y e t h e me t the fie l d b us P L C the c o mp u t e r and thec o n fi g u r a ti o n s o ft wa r e a s t h e c o l e the DCS c o n l r o l s y s t e m Was d e s i gn e d T h e s t r u c t u r ep l a n andthe sys t e m d i s p o s i ti o nwe r e c a r d e d o na c c o r d i n g t o the t h r e e s t r u c t u r e p a t t e ms t h r e e s t r u c t u r e p a t t e ms a r e o p e r a ti o n ma n a g e me n t l e v e l p r o c e s s Ke ywo r d s Bo i l e r F u z z yP I D F u z z y s e l f o p lL mi z i n g 中图分类号 T P 2 7 3 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 9 2 2 7 2 0 1 2 0 1 0 0 0 3 0 3 0 引 言 目前 我 国大 多数 工业锅炉采用人工 设定 参数控制 例 如设定鼓风机频率 引风机频率 炉排频率 在这种情 况下 虽然应用 了变频器 但并没有起 到变频器应该起到 的作用 能源浪 费还是相 当严重 所以对锅炉系统运用有 效控制方法进行 自动化控制不仅可 以节能减排 还可 以提 高锅炉运行 的安全性 改善 人工作环境 以及提高劳动生 产率 工业锅炉的D C S自动控制系统 是近年来研发的一 项新技术 工业锅炉采用智能控制算法和D C S 控制系统相 结合 与传统控制相 比具有 明显 的优 势 本 文综 合考虑现场情况 生产管理和控制三个方 面 确定控制方案 拟采用D C S系统 分为三层结构 操作管理 层 过程控制层 现场检测层 根据锅 炉系统是 比较 复杂 的 不确定性的非线性系统 拟采用模糊 P I D控制方法对 出水温度进行控制 模糊 自寻优控 制方法对风煤 比进行控 制 鼓风量前馈 P I D控制方法对炉膛负压进行控制 常规 P I D控制方法对回水压力进行控制 1 系统整体设计 根据用 户捉 出的任务要求 综合考虑系统 的可靠 性 效率 以及可维护性 以最 少投 资为 目的 使设计 的系统能 够将锅炉生产过程 中的J 二 艺参数控制在规定 的范围内 本 着 分散控制 集 中管理 的特 点 控制系统按3层结构的 模式 进行结构规划和 系统配 置 1 1 操作管理层 操作管理层由 2个操作员站组成 操作员站的硬件平 台为S u n y P C C 8 0 0 系统 g l A 4 激光打印机 操作员通过操作员 站能够观察过程回路参数状态 历史趋势和报警情况 实 现对 设备启 停 过程 回路操 作和参数调整 的集 中管理 止常运行情况下 每个操作员站只显示相应过程控制站的 实时 r 况 方便操作员及 时监视 管理 当有某操 作员站 发生异常时 其操作可 由另 一 个操作 员站代替 不会产生 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 2 0 系统 失控现 象 1 2 过程控 制层 过程控制层主要由2个过程控制站组成 完成对2个 锅炉房控制 系统的安全联锁控 制 回路调节 顺序控制 逻辑控制和综合报警 过程控制层 的各 P S站 一方面通过 P o r f i b u s D P 现场总线网络与现场检测层的远程 I O 站进 行通讯 采集系统相 关的现场 传感器 变送器 执行机构 和其他设备的实时运行数据和状态信号 控制相关设备 的 运行 如调节鼓风机 引风机 和炉排的运行速度等 另一 方面将系统 的数据信 息通 过工业 以太 网上传到操作管理 层的 工作 站进行处 理 同时执行操作 员站发 出的操作命 令 1 3 现 场检 测层 现场检测层由两套S i m e n e S 公司的E T 2 O O M 系列远程 I O站组成 按每 台锅炉就地配置 1 套远程 I 0站的原则进行 设计 E T 2 0 0 M 远程I 0站作为各过程控制站的从站 具体 负责与现场各开关量及传统仪表的接口 并通过P r 0 f i b u S D P现场 总线 网络与过程控制层进行数据 交换 实现两 台锅炉系统所有现场设备 仪表 的信号数据采集和控制等 功能 1 4 硬件选择 1 4 1 网络 结构 S u n y P C C 8 O 0系统是一套新型 实用的分级递阶式多处 理器智能化控制系统 由管理网i N e t 系统网S Ne t 和控制 网C N e t 三层网络构成 由于 I 0 模块实现 了智能化 因此 在 I O凋理模板内部还有 一层到端子的网络 灵巧总线 S m a r t B u s S u n y P C C 8 0 0 系统还可以成为一体化工作站形式 即控制站 操作站 工程师集成在 一起 可就地安装 现场控制站构成现场控制级 进行数据采集和分散 控制 其中I O 模块 控制网C N e t 利控制模板 电源组件均 可实现冗 余配置 操作站 工程师站通 过冗余化系统 网 S N e t与现场控制站相连 完成工业过程的集中监测管理 操作 操作站 工程 师还可 以经管理连 接到管理站 构成 一 个集 生产 管理 经 营于一体 的全厂生产综合 自动化系 3 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 上业锅炉D C s控制系统设计研究 梁长志 统 1 4 2 现 场控 制 站 现场控制站是 1 n y P C C 8 0 0 系统的核心 土要 由机柜 机笼 各类板卡 散热单兀 以及机柜 附件组成 一切 过程 数据 的采集 运算和控制均 由安装在现场控制站 中的 I 0 模板 与控制模板来完成 现场控制站直接与现场 设备 是 个大规模的 I 0处理系统 它吸取了国外多家D C S在现 场控 制站的技术特点 具有 叮靠性 高 可冗余配置的技术 特色 1 4 3 操作站 工程师站 操作站 I 程师站为高叮靠性 I 业摔制计算机 运行 十w i n d o w s 2 0 0 0 N T 操作系统的S u n y T e c h 6 业控制应 用软件平 台 町 以捉供 个灵活 方便 强大的 程 具 以实各 种控制 策略 操作 站用于对 生产过程 的监 视 管 理 程师站用十对应用系统进行功能组态 组态数据下 载 也能代 替操作 员站 发挥监视 管理的作 用 石油大学 锅炉监控参数有 7 6个点 系统中 设计 1个操作站 工程 师站 1 5 系统技 术规格 1 5 1 系统构成 Dc S设备包括 C R T操作站 包括外围设备打印机 现 场挎制站 通信控制装置 过稗输入 输 出接 口 系统 内部 电源 系统 内部电缆 程师站 n J 与操作站兼用 落地 式操作台或桌面式操作 台 除C R T 操作站 打印机外 所有D C S 组件都安装在 自 立 式机柜内 所有设备均安装在操作室或机房 内 通信母线 及其 卒 制装置可采用双重化 串接在通信母线上 的任何设 备 可以断开其连接而不对母线有所影响 能与上位机通 讯 留有通讯接 口 并与其他D C S系统通讯 S Un y Te c h 6 0系统软件包括回路组态 各种 显示画 面 报警和流程 画面 以及趋 势和其他 历史数据等 留有 用户可 以方便地从 上位机对 D C S数据进行存取的接 口 1 5 2 系统供 电 电源规格 使用U P S电源 电压 2 2 0 V 1 O A C 频率 5 0 H z 1 H z D c s供电根据需要可为与 D C s 连接的现场变送器等提 供 电源 系统 电量需 求 每套控制站 7 5 O W 每套操作站5 0 0 W 1 5 3 可靠性和冗余措施 1 系统设备有 自动诊断功能 2 主控模板C P U冗余 3 主控制器模板可整体冗余配置 4 操作站互为后备 5 外部设备可根据需要配置后备 6 通信控制器利电缆可双重化配置 7 系统 电源模板可双重化配置 8 软件及通讯广泛采用容错技术 9 系统 中的冗余部分能够实现 自动转换 在转换过 程 不能影响系统 的 F 常 L 作 1 0 调节 口 l 路 I 0 卡件具备 1 1 冗余功能 4 2 系统运行方式 综合考虑锅炉的控制特性和绎过现场调研 系统提供 自动和 手动运行方式 l J 作方式 町通过操作 台上的转换 I 关进 行切换 控制系统 f 作 方式大体上可 以分为两种 1 自动方式 控制系统的控制核心 S U n Y P C C 8 0 O根据 现场传感变送器反馈 同来的现场信号 出水温度 炉膛温 度 炉膛负压 同水压力等 根捌程序算法 输 出控制量 调节变频器的输 出大小 商变频器 的输出大小直接控制炉 排运行频率 鼓风运 行频率 引风量运 行频率 补水泵运 行频率 这就是锅炉系统 的 自动运行方式 为了保 征特殊 场合 需要 我们在 自动方式 中加入另外 一种工作方式 我 们称之为上位机控制方式 所谓的上位机控制方式 是由操 作人 员直接在上位机上设 定炉排 鼓风机 引风机 补水 泵的运行频率 这些控制命令通过S m a r t B U S 控制变频器的 转速 2 手动方式 操作员对系统进行控制 操作员根据 操作台上显示仪表显示的现场信号 出水温度 炉膛温度 炉膛 负压 同水压力等 根据需要 分别调节操作 台面板 上的炉排 鼓风机 引风机 补水泵调速旋钮 调速旋钮 调节相应变频器的输 出大小 I n J 变频器的输 出大小直接控 制炉排运行 频率 鼓 风运行频率 引风量运行频率 补水 泵运行频 率 这样就可实现锅炉系统 的手动方式运 行 3 基于P l D 控制系统的锅炉系统控制方法 3 1 出水温度模糊P I D 控制系统 出水温 度受负荷变化 和煤质变化 的影 响 负荷 变化 反映在同水温度上 负荷变大 回水温度低 负荷变 小 口 l 水温度 高 煤 质变化 反映在 炉膛温度上 煤质变好 炉膛 温度 高 煤质变差 炉膛温度低 受针对这 一特 点 对锅 炉出水温度采取模糊 P I D控制 模糊控制器 以出水温度偏 差和 同水温度作 为输入量 其控制系统原理如 图1所 图1 出水温度控制系统框图 3 2 风煤比 自寻优控制系统 提 高锅 炉的效率和经 济性 必须使 气和燃料维 持 适 当的比例 否则 势必增加热量损 失 降低经济技术指 标 并造成对周围环境 的污染 目前风煤 比控制系统大多 采用常规P I D控制 其优点是特性直观 控制迅速 但其缺 点亦很明显 将风煤比简单地看成负荷的单 函数并近似 为比值关系 然而在不同的负荷下合适的过剩窄气系数有 很大变化 因此 单纯的比值控制特 性并不能保证锅炉 存 任何 1 况下达到最佳 的燃烧状态 同时 对于不同的煤种 及煤粉特性 炉排转速 煤层 厚度不均匀等原因引起 的燃 料方面 的扰动 其最佳过剩空气率亦有较大变化 使得单 纯的P I D控制很难实现风煤 比白寻优 锅炉发热 量是通过炉膛温 度表现 出来的 根据燃烧 理 论 炉膛温度与燃 卒比 燃料量 与 气量的比例 反映 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 自动化 与仪器仪表 2 0 1 2年第 1期 总第 1 5 9期 了燃 空比与燃烧效率的峰值特性 燃 空比是否合适 从 炉膛温 度可以得到反映 通过最佳燃 空比可 以保证燃烧 的经济性 利用热效率与空 燃 比之间 的单峰极值特性 以炉膛温度为被控制量 采用模糊 自寻优控制 自动搜索 最佳风煤 比 风煤 比 自寻优控制系统原理如图 2所 示 图2 风煤比自寻优控制系统框图 3 3 炉温寻优控制系统的实现 抛 煤机链 条炉和燃气 燃油锅炉的主要区别在于 抛 煤机链条炉 中 煤在炉排上 的燃烧是 以层燃方式 进行的 当煤进 入炉膛 时 它不像燃气 燃油锅炉那样燃料立刻燃 烧 生热 而 是分区 分段缓慢 进行的 所 以燃煤 锅炉燃烧 系统的燃烧过程长 具有较大滞后 通过改变风量改善炉 内的燃烧 状态 影 响到 出 口温 度 也需要经 过 比较 长的 时 间 所 以采用热效率为 目标 函数 的寻优方法寻优周期 比较 长 而且在 寻优过 程中入 炉水温有变化 时 由于效率的滞 后现象 对 效率的计算会产 生影 响 而炉膛温度 比出口温 度要超 前的多 在燃料量一定的情 况下 炉膛温度和锅炉 热 效率有 一 一 对应关系 根据燃煤热水锅炉 的实 际情 况 打算 以锅炉的炉膛温度作为 目标函数 在燃煤量一定 的前 提 下 通过 改变 风量的大小 寻找炉膛温度 的最 高点 此 时的过剩 空气 系数即为 当前负荷下 的最佳值 3 3 1 炉温寻优 应满足的条件 炉温 寻优 前应满足 的条件要 进行寻优之 前 应满 足 以下条件 1 锅炉 出口水温应达到精度要求 氧含量和炉膛负 荷维持在要求的范围内 即整个实时控制系统处于相对稳 定状态 2 寻优过程 中维持给煤机转速不变 即燃料量要相 对稳 定 3 寻优过程 中锅炉 的热负荷不应有大的波动 供暖 热 水锅 炉这个条件 一 般 可 以满足 否则必须重 新寻优 4 由于炉内温度分布场的存在 测取炉温时最好测 量有代 表性 的点 或 多点测 量然后求其平 均值 3 3 2 寻优算法 假定锅炉初始工作点在a 初始 的寻优步长为r a t e 0 每次风量 阀位 改变的百分数 寻优过程如下 1 为防止 由于寻优方 向错误而导致 的锅炉 昌黑烟 第一次改变风量时 以r a t e 0为步长 向风量增加 的方向 进行 工作点 白a 转移到 b 注意r a t e 0的选取要保证第一 次改变风量时 既不能超过极值点 但r a t e 0也不能太小 2 等待炉温有变化时 比较工作点a和b的炉温均值 T 和 T b 3 如果T T 说 明寻优方向正确 下次寻优继续以 r a t e 0为步长 向同一方 向进行到点 c 如此进行 假设到 d 点 T T 说明超过极值点 lJ r a t e 1 2 r a t e O 反向寻优 到e点 如此进行 直到r 8 t e r a t e m i n 允许的最小阀位 改变的百分数 或两次炉温的差值的 绝对值IT 一 r I l T 说明寻优方 向错误 为了加快寻优速