控制系统设计2(2)

计算机控制系统设计

杨根科上海交通大学自动化系2011年03月计算机控制技术一般概念受控对象

控制基本结构控制过程的基本步骤控制目的典型工业受控对象连续过程：不间断的生产过程如：火电厂的锅炉燃烧过程、脱硫过程、合成氨的生产过程;

该过程中典型的控制量有:温度、时间、压力、流量、速度、成分等随时间变化的量。本课程主要讲述过程的控制技术离散过程批次（量）过程计算机过程控制目的降低原材料消耗提高生产率提高产品质量减轻劳动强度实现其他要求（如环保）典型工业控制实例

燃煤锅炉的计算机控制系统循环流化床干法烟气脱硫控制系统典型工业控制实例1

燃煤锅炉的计算机控制系统实例一:燃煤链条锅炉的计算机控制物流煤块→炉排→在炉膛燃烧→加热汽包→产生蒸气空气→鼓风机→空气预热器→炉膛引风→省煤器→除尘脱流→引风机→烟囱水→给水泵增压→省煤器预热→汽包水位

煤量调节：通过改变炉排走速实现送风量调节：调节鼓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给水调节：保持汽包水位在允许的范围内工作过程简单描述2/

特点：蒸汽负荷变动频繁且不稳定控制系统设计目标：蒸汽压力稳定，温度满足要求节煤可靠性高，维修、操作方便系统特点和控制目标3/三个相互关联的子系统：汽包水位控制；热负荷控制；燃烧控制（经济性，炉膛负压控制）主要四个调节量：给水量

送风量引风量给煤量子系统与控制量4/控制系统煤/风比......14243反馈信号<给定或优化给定>蒸汽压力水位炉膛负压含氧量<调节参数>给水阀鼓风挡板引风挡板炉排速度给煤量引风量送风量给水流量<控制对象><被调参数>汽包水位蒸汽压力蒸汽流量炉膛负压烟气含氧量炉膛温度M实例一:燃气锅炉的计算机控制实例一:燃气锅炉的计算机控制物流过程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Ds。然后经过热器，形成一定温度的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm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，最后经引风机送往烟囱，排入大气。

实例一: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图实例一:燃气锅炉的计算机控制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；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；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。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系统。

子系统1---过热蒸汽温度控制系统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。过热蒸汽温度控制系统以过热蒸汽为主参数，选择二段过热器前的蒸汽温度为辅助信号，组成DMC-PID串级控制系统或双冲量气温控制系统。

子系统2---汽包水位控制系统汽包水位是一个很重要的参数水位过高—蒸汽容积减小，影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带水水位过低—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，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;保持给水量稳定单冲量调节方案双冲量调节方案

控制器执行器汽包XWHH水位-前馈三冲量调节方案三冲量调节方案/子系统3---燃烧过程控制系统

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。子系统3---燃烧过程控制系统

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，可将其大致分为三个单变量控制系统：燃料量—汽压子系统送风量—过量空气系数子系统引风量—炉膛负压子系统

。子系统3---燃烧过程控制系统

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，可将其大致分为三个单变量控制系统：燃料量—汽压子系统送风量—过量空气系数子系统引风量—炉膛负压子系统

。子系统3---燃烧过程控制系统协调方案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。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来代替时所忽略的变量之间的关联

子系统3---燃烧过程控制系统首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点: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）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）α，即一般情况下，α＞1。子系统3---燃烧过程控制系统首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点: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，应先增加送风量，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。子系统3---燃烧过程控制系统建立交叉限制协调控制系统

子系统3---燃烧过程控制系统其中，Wm1（s）和Wm2（s）是燃料量和送风量测量变送器的传递函数，假设它们都是比例环节，则Wm1（s）=K1，Wm1（s）=K2。由此可得到最佳空燃比α与空气量、燃料量测量信号IV和IB之间的关系如下：

子系统3---燃烧过程控制系统子系统3---燃烧过程控制系统假设机组所需负荷的信号为IQ，当系统处于稳态时，则有：设定值r1=IQ=IV/β=IB设定值r2=βIQ=βIB=IV即IQ=IB；IV=βIB子系统3---燃烧过程控制系统当系统处于动态时，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，IQ突然增大，则IQ＞IB，所以，增大的IQ信号通过高选器，在乘以β后作为设定值送入调节器WC2，显然该调节器将使u2增加，空气阀门开大，送风量增大，即IV增加。对于燃料量控制系统来说，尽管IQ增大，但在此瞬间IV还来不及改变，所以低选器的输入信号IQ＞IV，低选器输出不变，r1=IV/β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IV变大，低选器的输出才随着IV的增大而增加，即r1随之加大，这时燃料阀门才开大，燃料量加多。

子系统3---燃烧过程控制系统反之，在负荷信号减少时，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②点要求，始终保持完全燃烧。

子系统3---燃烧过程控制系统α是由烟气含氧量来反映的

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。从锅炉控制系统得到的启发10/

了解工艺过程入手，按照控制要求，正确制定控制策略实现控制，要有恰当的控制算法要有实现检测与控制的正确手段要选择可靠有效的计算机控制系统锅炉计算机控制系统的实现

实例二循环流化床干法烟气脱硫控制系统实例二：循环流化床干法烟气脱硫控制系统子系统吸收剂制备烟气系统CFB-吸收塔注水系统吸收剂定量给料电除尘器物料循环副产品排放干法脱硫除尘控制系统规模2/应用于2×300MW机组，共采用两套脱硫除尘岛系统采用分布式IO配置，在现场共安装18个工业控制柜板卡点数近千点：包含DI、DO、AI、AO、RTD(分度热电阻

)、PI(脉冲量输入)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！干法烟气脱硫控制系统平台3/OS站/WinCC机组1

OSM工业以太网光纤交换器S7400417H

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工程师站榆社电厂2x300MW发电机组脱硫除尘岛#1机组

S7400417H

带工业以太网通讯处理器ET200MI/O站分别位于不同工段中#2机组标准以太网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ET200MI/O站分别位于不同工段中PID控制策略的设计与实现4/SO2排放浓度控制吸收塔床层压差控制吸收塔温度控制吸收塔入口烟气流量控制

吸收塔入口烟气流量控制5/吸收塔温度控制6/吸收塔床层压差控制7/SO2排放浓度控制8/SO2浓度排放回路的仿真与优化9/PID算法实际系统仿真模型Matlab仿真DMC或模糊控制算法控制算法优化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IO采集方式由集中式走向分布式在工业上仍然采用以PID，尤其是PI为主的控制算法控制算法正在逐步从经典算法（PID）走向高级过程控制算法（DMC、模糊控制等）从脱硫控制系统了解现代先控10/

实例三：布袋除尘器控制系统烟气室系统挡板系统布袋系统灰斗系统反吹臂系统脉冲阀系统风机系统辅助系统压缩空气脉冲阀系统风机系统清洁烟气室原烟气室反吹臂系统布袋除尘单元清洁烟气烟囱布袋系统原烟气灰斗系统布袋除尘控制系统结构图2/应用与脱硫系统通过Y-Link连接主DCS采用非冗余-冗余的模式可不自带独立上位机ET200M系统OP270ProfibusCPU414-2脱硫DCSY-Link布袋控制的三个典型子系统3/脉冲阀控制系统：分段控制原烟气温度控制系统：自学习模糊控制风机控制系统：有级/无级风机阵列控制脉冲阀控制策略4/压差设定值档位反吹持续时间间隙时间<7hPa停止档N/AN/A7～15hPa低速档150～200ms1～5min15～16hPa标准档150～200ms10～60sec>16.1hPa快速档150～200ms5sec备注：在“间隙时间”内范围的下限即为“最小间隙时间”分段控制策略根据两个烟气室的压力差ΔP选择档位具体反吹时间基于表格参考时间，根据现场情况整定将及时响应报警原烟气温度控制策略5/自学习模糊控制策略核心：基于两个实时数据决定控制量控制输入：温度T温度变化率dT/dt控制策略：根据（T，dT/dt）的位置查表决定控制输出“自学习”：根据工况不断调整“表”值自学习模糊策略简介6/由相应的图表建立坐标区域“表”和“坐标图”将根据系统在运行中的“自学习”而变化

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