控制系统设计2(2)

1、计算机控制系统设计n受控对象受控对象 n控制基本结构控制基本结构n控制过程的基本步骤控制过程的基本步骤n控制目的控制目的u连续过程：不间断的生产过程连续过程：不间断的生产过程 如：火电厂的锅炉燃烧过程、脱硫过程、如：火电厂的锅炉燃烧过程、脱硫过程、 合成氨的生产过程合成氨的生产过程; ; 该过程中典型的控制量有该过程中典型的控制量有: : 温度、时间、压温度、时间、压 力、力、流量、速度、成分等随时间变化的量。流量、速度、成分等随时间变化的量。 本课本课程主要讲述过程的控制技术程主要讲述过程的控制技术u 离散过程离散过程u 批次（量）过程批次（量）过程u降低原材料消耗降低原材料消耗u 提高生产

2、率提高生产率u 提高产品质量提高产品质量u 减轻劳动强度减轻劳动强度u 实现其他要求（如环保）实现其他要求（如环保）u 燃煤锅炉的计算机控制系统燃煤锅炉的计算机控制系统u 循环流化床干法烟气脱硫控制系统循环流化床干法烟气脱硫控制系统u 燃煤锅炉的计算机控制系统燃煤锅炉的计算机控制系统实例一实例一: : 燃煤链条锅炉的计算机控制燃煤链条锅炉的计算机控制挡板挡板挡板挡板省煤器省煤器空气预热空气预热控制作用控制作用给水阀给水阀空气空气鼓风机鼓风机给水泵给水泵水水除除尘尘器器引风机引风机烟气烟气烟烟囱囱煤斗煤斗电动机电动机空气空气蒸蒸汽汽引风引风水水炉炉排排负微压负微压供气（发电机组）供气（发电机组）

3、炉炉膛膛物流物流 u煤块煤块炉排炉排在炉膛燃烧在炉膛燃烧加热汽包加热汽包产生蒸气产生蒸气u 空气空气鼓风机鼓风机空气预热器空气预热器炉膛炉膛u 引风引风省煤器省煤器除尘脱流除尘脱流引风机引风机烟囱烟囱u 水水给水泵增压给水泵增压省煤器预热省煤器预热汽包水位汽包水位 u 煤量调节：通过改变炉排走速实现煤量调节：通过改变炉排走速实现 u 送风量调节：调节鼓风挡板开度或变频调节送风量调节：调节鼓风挡板开度或变频调节 u 引风量调节：调节引风挡板开度或变频调节引风量调节：调节引风挡板开度或变频调节 u 给水调节：保持汽包水位在允许的范围内给水调节：保持汽包水位在允许的范围内u 特点：蒸汽负荷变动频繁且

4、不稳定特点：蒸汽负荷变动频繁且不稳定u 控制系统设计目标：控制系统设计目标： 蒸汽压力稳定，温度满足要求蒸汽压力稳定，温度满足要求 节煤节煤可靠性高，维修、操作方便可靠性高，维修、操作方便系统特点和控制目标系统特点和控制目标 3/三个相互关联的子系统：三个相互关联的子系统：汽包水位控制；热负荷控制；汽包水位控制；热负荷控制；燃烧燃烧控制（控制（经济性，炉膛负压控制）经济性，炉膛负压控制）主要四个调节量：主要四个调节量：给水量给水量 送风量送风量引风量引风量 给煤量给煤量子系统与控制量子系统与控制量 4/控控制制系系统统煤煤/ /风风 比比.14243反馈信号反馈信号 蒸汽压力蒸汽压力水位水位炉

5、膛负压炉膛负压含氧量含氧量 给水阀给水阀鼓风挡板鼓风挡板引风挡板引风挡板炉排速度炉排速度给煤量给煤量引风量引风量送风量送风量给水流量给水流量 汽包水位汽包水位蒸汽压力蒸汽压力蒸汽流量蒸汽流量炉膛负压炉膛负压烟气含氧量烟气含氧量炉膛温度炉膛温度M实例一实例一: : 燃气锅炉的计算机控制燃气锅炉的计算机控制实例一实例一: : 燃气锅炉的计算机控制燃气锅炉的计算机控制物流过程物流过程u燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定温度的过热蒸汽然后经过热器，形

6、成一定温度的过热蒸汽D，汇集，汇集至蒸汽母管。压力为至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。风机送往烟囱，排入大气。 实例一实例一: : 燃气锅炉的计算机控制燃气锅炉的计算机控制输入变量与输出变量之间相互关联输入变量与输出变量之间相互关联图实例一实例一: : 燃气锅炉的计算机控制燃气锅

7、炉的计算机控制u 如果蒸汽负载发生变化，必将会引起汽包水位、如果蒸汽负载发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；u 燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，汽包水位、过燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；u 给水量的变化不仅影响汽包水位，对蒸汽压力、给水量的变化不仅影响汽包水位，对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响等等。过热蒸汽温度等亦有影响等等。u 锅炉是一个典型的多变量对象，要进行自动控制，锅炉是一个典型的多变量对象，要进行自动控制，对多变量对象可按自治的原则和协调跟踪的原则加对

8、多变量对象可按自治的原则和协调跟踪的原则加以处理。大致可划分为三个控制子系统：锅炉燃烧以处理。大致可划分为三个控制子系统：锅炉燃烧控制系统、锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制控制系统、锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统。系统。 n 蒸汽温度控制系统任务蒸汽温度控制系统任务维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。n 过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度控制系统以过热蒸汽为主参数，选择二段过热

9、器前的蒸汽温以过热蒸汽为主参数，选择二段过热器前的蒸汽温度为辅助信号，组成度为辅助信号，组成DMC-PID串级控制系统或双串级控制系统或双冲量气温控制系统。冲量气温控制系统。 汽包水位是一个很重要的参数汽包水位是一个很重要的参数水位过高水位过高蒸汽容积减小，影响汽包的汽水分离蒸汽容积减小，影响汽包的汽水分离 ， 产生蒸汽带水产生蒸汽带水水位过低水位过低汽包本身较小，负荷蒸汽变化大，汽包本身较小，负荷蒸汽变化大， 水量变化速度快，容易全部气化，水量变化速度快，容易全部气化， 出现脱水现象，引起事故。出现脱水现象，引起事故。水位调节任务：保持水位在允许范围内水位调节任务：保持水位在允许范围内; 保

10、持给水量保持给水量稳定稳定控制器控制器执行器执行器汽包汽包X XWNH H水水位位调节器调节器蒸蒸汽汽过热器过热器省煤器省煤器给水阀给水阀X调节器调节器XX X+蒸蒸汽汽过热器过热器给水阀给水阀控制器控制器执行器执行器汽包汽包X XWHH水水位位- -前馈前馈调节器调节器XX X+蒸蒸汽汽过热器过热器给水阀给水阀X X-省煤器省煤器WH水位水位给定量给定量给水阀给水阀汽包汽包调节器调节器- -WN+ +- -蒸汽流量蒸汽流量H水水位位给水给水流量流量+ + n燃烧过程控制任务燃烧过程控制任务 锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程，其锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程，其控制目的是使燃

11、料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最佳经济效益的气量之间保持一定的比值，以保证最佳经济效益的燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。压在一定的范围内。 n燃烧过程控制系统设计方案燃烧过程控制系统设计方案 在多变量对象中，调节量和被调量之间的联系不都在多变量对象中，调节量和被调量之间的联系

12、不都是等量的，对于一个具体对象而言，在众多的信号是等量的，对于一个具体对象而言，在众多的信号通道中，对某一个被调量可能只有一个通道对它有通道中，对某一个被调量可能只有一个通道对它有较重要的影响，其它通道的影响相对于主通道来说较重要的影响，其它通道的影响相对于主通道来说可以忽略。根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统，可以忽略。根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统，可将其大致分为三个单变量控制系统：可将其大致分为三个单变量控制系统：燃料量燃料量汽压子系统汽压子系统送风量送风量过量空气系数子系统过量空气系数子系统引风量引风量炉膛负压子系统炉膛负压子系统 。 n燃烧过程控制系统设计方案燃烧过程控制系统设计方案

13、 在多变量对象中，调节量和被调量之间的联系不都在多变量对象中，调节量和被调量之间的联系不都是等量的，对于一个具体对象而言，在众多的信号是等量的，对于一个具体对象而言，在众多的信号通道中，对某一个被调量可能只有一个通道对它有通道中，对某一个被调量可能只有一个通道对它有较重要的影响，其它通道的影响相对于主通道来说较重要的影响，其它通道的影响相对于主通道来说可以忽略。根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统，可以忽略。根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统，可将其大致分为三个单变量控制系统：可将其大致分为三个单变量控制系统：燃料量燃料量汽压子系统汽压子系统送风量送风量过量空气系数子系统过量空气系数子系统引风量引风

14、量炉膛负压子系统炉膛负压子系统 。u 协调方案协调方案u 不少多变量系统可以利用自治原则来进行简化，不少多变量系统可以利用自治原则来进行简化，但并非分解成多个单回路控制系统后，问题就但并非分解成多个单回路控制系统后，问题就全部解决。因回路之间往往还存在着联系和要全部解决。因回路之间往往还存在着联系和要求，必须在设计中加以考虑。求，必须在设计中加以考虑。u 协调跟踪的原则，就是建立回路之间相互协调协调跟踪的原则，就是建立回路之间相互协调和跟踪的关系，以弥补用几个近似单变量对象和跟踪的关系，以弥补用几个近似单变量对象来代替时所忽略的变量之间的关联来代替时所忽略的变量之间的关联 u 首先考虑到燃料量

15、与送风量子系统间应满足以首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点下两点:u 锅炉燃烧过程中燃料量与空气（送风）量锅炉燃烧过程中燃料量与空气（送风）量之间应保持一定比例，实际空气（送风）之间应保持一定比例，实际空气（送风）量大于燃料需要空气量，他们之间存在一量大于燃料需要空气量，他们之间存在一个最佳空燃比（最佳过剩空气系数）个最佳空燃比（最佳过剩空气系数），即，即一般情况下，一般情况下，1。u 首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点下两点:u 为了保持在任何时刻都有足够的空气以实为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧，当热负荷增大时，

16、应先增加现完全燃烧，当热负荷增大时，应先增加送风量，后增加燃料量；若热负荷减少时，送风量，后增加燃料量；若热负荷减少时，应先减少燃料量，再减少送风量。应先减少燃料量，再减少送风量。u 建立交叉限制协调控制系统建立交叉限制协调控制系统 u 其中，其中，Wm1（s）和）和Wm2（s）是燃料量和）是燃料量和送风量测量变送器的传递函数，假设它们都是送风量测量变送器的传递函数，假设它们都是比例环节，则比例环节，则Wm1（s）=K1 ，Wm1（s）=K2 。由此可得到最佳空燃比。由此可得到最佳空燃比与空气量、燃与空气量、燃料量测量信号料量测量信号IV和和IB之间的关系如下：之间的关系如下： BVBVIKI

17、KKIKIBV211221KK21VBIKIKu 假假设机组所需负荷的信号为IQ，当系统处于稳态时，则有：u 设定值 r1=IQ=IV/=IBu 设定值 r2=IQ=IB =IVu 即 IQ=IB ；IV=IBu 当系统处于动态时，假如负荷突然增加，对于送风量当系统处于动态时，假如负荷突然增加，对于送风量控制系统而言，高选器的两个输入信号中，控制系统而言，高选器的两个输入信号中，IQ突然增突然增大，则大，则IQIB ，所以，增大的，所以，增大的IQ信号通过高选器，信号通过高选器，在乘以在乘以后作为设定值送入调节器后作为设定值送入调节器WC2，显然该调节，显然该调节器将使器将使u2增加，空气阀门

18、开大，送风量增大，即增加，空气阀门开大，送风量增大，即IV增增加。对于燃料量控制系统来说，尽管加。对于燃料量控制系统来说，尽管IQ增大，但在此增大，但在此瞬间瞬间IV还来不及改变，所以低选器的输入信号还来不及改变，所以低选器的输入信号IQIV ，低选器输出不变，低选器输出不变，r1=IV/不变，此时燃料量不变，此时燃料量B维持不变。只有在送风量开始增加以后，即维持不变。只有在送风量开始增加以后，即IV变大，变大，低选器的输出才随着低选器的输出才随着IV的增大而增加，即的增大而增加，即r1随之加大，随之加大，这时燃料阀门才开大，燃料量加多。这时燃料阀门才开大，燃料量加多。 u 反之，在负荷信号减

19、少时，则通过低选器先减少燃料量，待IB减少后，空气量才开始随高选器的输出减小而减小，从而保证在动态时，满足上述第点要求，始终保持完全燃烧。 u 是由烟气含氧量来反映的是由烟气含氧量来反映的 u 保证燃料在炉膛中的充分燃烧是送风控制系统的基本任务。在大型机组的送风系统中，一、二次风通常各采用两台风机分别供给，锅炉的总风量主要由二次风来控制，所以这里的送风控制系统是针对二次风控制而言的。送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率，保证经济性。 u了解工艺过程入手，按照控制要求，正了解工艺过程入手，按照控制要求，正确制定控制策略确制定控制策略u实现控制，要有恰当的控制算法实现控制，要有恰当的控制

20、算法u要有实现检测与控制的正确手段要有实现检测与控制的正确手段u要选择可靠有效的计算机控制系统要选择可靠有效的计算机控制系统 子系统子系统吸收剂制备吸收剂制备烟气系统烟气系统CFB-吸收塔吸收塔注水系统注水系统吸收剂定量给料吸收剂定量给料电除尘器电除尘器物料循环物料循环副产品排放副产品排放 u应用于应用于2300MW机组，共采用两套脱机组，共采用两套脱硫除尘岛系统硫除尘岛系统u采用分布式采用分布式IO配置，在现场共安装配置，在现场共安装18个个工业控制柜工业控制柜u板卡点数近千点：包含板卡点数近千点：包含DI、DO、AI、AO、RTD(分度热电阻分度热电阻 )、PI(脉冲量输脉冲量输入入)等多

21、种类型信号等多种类型信号锅炉汽包侧视图主机锅炉和预除尘吸收塔和脱硫除尘岛俯视预除尘灰斗和仓泵俯视生石灰仓下料秤重计量阀灰斗出料仓泵中央控制楼中控室控制柜谢教授在调试中调试顺利进行，最终完满的达到了98以上的实际脱硫率！OS 站/WinCC机组1 OSM 工业以太网光纤交换器S7 400 417H带工业以太网通讯处理器OS 站/WinCC机组2Y-LINK用于连接吸收剂制备子系统工业以太网光纤环PCS7 工程师站榆社榆社电厂电厂2x300MW发电机组脱硫除尘岛发电机组脱硫除尘岛 #1机组机组 S7 400417H带工业以太网通讯处理器ET200M I/O 站分别位于不同工段中#2机组机组标准以太

22、网OSM 工业以太网光纤交换器Y-LINK用于连接吸收剂制备子系统ET200M I/O 站分别位于不同工段中SO2排放浓度控制排放浓度控制吸收塔床层压差控制吸收塔床层压差控制吸收塔温度控制吸收塔温度控制吸收塔入口烟气流量吸收塔入口烟气流量控制控制 PID算法算法实际系统实际系统仿真模型仿真模型Matlab仿真仿真DMC或或模糊控制算法模糊控制算法控制算法优化控制算法优化u工业控制系统基本上采用三层控制网络：现场总线网络、工业控制系统基本上采用三层控制网络：现场总线网络、工业以太网、标准以太网工业以太网、标准以太网uIOIO采集方式由集中式走向分布式采集方式由集中式走向分布式u在工业上仍然采用以

23、在工业上仍然采用以PIDPID，尤其是，尤其是PIPI为主的控制算法为主的控制算法u控制算法正在逐步从经典算法（控制算法正在逐步从经典算法（PIDPID）走向高级过程控制）走向高级过程控制算法（算法（DMCDMC、模糊控制等）、模糊控制等） n烟气室系统烟气室系统n挡板系统挡板系统n布袋系统布袋系统n灰斗系统灰斗系统n反吹臂系统反吹臂系统n脉冲阀系统脉冲阀系统n风机系统风机系统n辅助系统辅助系统压缩空气压缩空气脉冲阀系统脉冲阀系统风机系统风机系统清洁烟气室清洁烟气室原烟气室原烟气室反吹臂系统反吹臂系统布袋除尘单元布袋除尘单元清洁烟气清洁烟气烟囱烟囱布袋系统布袋系统原烟气原烟气灰斗系统灰斗系统n应用与脱硫系统应用与脱硫系统n通过通过Y-Link连接连接主主DCSn采用非冗余采用非冗余-冗余冗余的模式的模式n可不自带独立上可不自带独立上位机位机ET200M 系统系统OP 270Profi