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东北大学硕士学位论文摘要 蒸汽链条锅炉计算机分散控制系统 摘要 本文以“东北大学基础学院3 台l o t h 供暖锅炉计算机分散控制系统”为背景， 对供暖锅炉计算机分散控制系统进行了深入讨论。本文首先对锅炉的工艺过程、 国内外锅炉控制发展状况进行了较广泛的了解，在此基础上讨论了供暖锅炉计算 机分散控制系统的发展趋势。 接着针对东北大学基础学院3 台l o t h 供暖锅炉计算机分散控制系统的工艺流 程及其技术要求，对总体结构进行了设计。将整个系统分为两级：过程优化级和 基础自动化级。其中过程级主要是根据目标值与过程模型来计算优化设定值，而 基础自动化级的任务是用于锅炉的热工检测和自动化控制。着重介绍了上位机监 控画面的设计和实现。 在此基础上，本文着重对整个计算机控制系统进行了总体结构设计。按照系 统先进性、安全性以及易用性的开发原则，对数据库和开发软件进行了选择。 最后，本文重点讨论了锅炉运行中的优化控制策略。在对锅炉运行工艺过程 和机理进行深入分析的基础上，采用建模与控制相结合的思想，提出了锅炉运行 这一复杂过程的基于目标值的建模优化设定的集成控制技术。它是以锅炉运行目 标值为依据，通过建立优化设定模型来对控制回路的设定值( 风煤t e ) 进行优化 设定，从而使锅炉运行在最佳状态。此外，本文又进一步讨论了控制参数的工程 整定方法。通过现场调试与运行，该系统大大提高了各项技术指标，得到良好的 供暖效果。 关键词供暖锅炉监控画面数据库 优化控制参数整定 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c o m p u t e r d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m o fs t r e a m c h a i nb o i l e r a b s t r a c t 0 nt h eb a s i so f t h ec o m p u t e rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mo f t h r e e1 0 th e a t i n gb o i l e r s o ft h es c h 0 0 1o fg e n e r a le d u c a t i o nn o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y , t h ec o m p u t e rd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e mo fh e a t i n 2b o i l e ri ss t u d i e di nd e t a i li nt h i st h e s i s t h et h e s i sm a k e sa e x t e n s i v e c o m p r e h e n s i o na b o u t 恤ec r a f i w o r k o fb o i l e ra n dt h e d e v e l o p m e n to f b o i l e r - c o n t r o la th o m ea n da b r o a d ，t h r o u g hw h i c ht h et e n d e n c yo fh e a t i n gb o i l e r c o m p u t e r d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d t h e n ，t h ed e s i g no ft h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h r e ei o th e a t i n gb o i l e r sc o m p u t e r d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi s p r e s e n t e da c c o r d i n gt o i t sc r a f t w o r ka n dt e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t s t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e ao ft w ol e v e l s ：p r o c e s so p t i m i z a t i o nl e v e l a n db a s i ca u t o m a t i o n1 e v e l t h ep r o c e s s1 e v e lm a i n l yc o m p u t e st h eo p t i m a ls e t t i n gv a l u e a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c tt a r g e tv a l u ea n dt h em o d e lo ft h ep r o c e s s ，w h i l et h eb a s i c a u t o m a t i o nl e v e li si nc h a r g eo fb o i l e rh e a t e x a m i n ea n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h ed e s i g n a n dr e a l i z a t i o no f t h em o n i t o rd i s p l a ya r ei n t r o d u c e de m p h a t i c a l l y b a s e do nt h a t ，t h ew h o l ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ei sd e s i g n e df u r t h e r c o n s i d e r i n g t h ed e v e l o p m e n t p r i n c i p l eo fa d v a n c e m e n t ，s e c u r i t ya n ds i m p l i f i c a t i o n ，t h e d a t a b a s ea n dd e v e l o p m e n ts o f t w a r ea r ec h o s e n f i n a l l y , t h eo p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g i e si nt h ep r o c e s so fb o i l e r - r u n n i n ga r es p e c i a l l y d i s c u s s e d o nt h eb a s i so ft h et h o r o u g ha n a l y s i so f t e c h n o l o g i cp r o c e s sa n dm e c h a n i s m o f b o i l e r - n m n i n g a d o p t i n gt h ei d e ao fc o m b i n a t i o no f m o d e le s t a b l i s h i n ga n dc o n t r o l m o d e ，t h ei n t e g r a t e dc o n t r o lt e c h n i q u eo f m o d e le s t a b l i s h i n go p t i m a ls e t t i n gw h i c hi s b a s e do np r o d u c t i o nt a r g e tv a l u eo fc o m p l e xb o i l e r - r u n n i n gp r o c e s si sp r e s e n t e d i ti s b a s e do nb o i l e r - r u n n i n gt a r g e tv a l u e b ye s t a b l i s h i n go p t i m a l - s e t t i n gm o d e lt or e a l i z e e p i t o m i c a ls e t t i n go f t h ec o n t r o lc i r c u i t t h eb o i l e rr u n si nt h eb e s ts t a t e i na d d i t i o n ，i n t h i s 血e s i s t h ep r o j e c td e s i g n a t i o nm e t h o do fc o n t r o lp a r a m e t e ri sf u r t h e rd i s c u s s e d t h r o u g hd e b u g g i n g a n d r u n n i n g i nl o c a l e ，e a c h t a r g e to f t h es y s t e mi sh e i g h t e n e dh i g h l y a n d g e t st h eb e t t e re 仃e c t k e vw o r d s h e a t i n gb o i l e r , m o n i t o rd i s p l a y , d a t a b a s e ，o p t i m a lc o n t r o l ， p a r a m e t e rd e s i g n e d - - 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 名：硅埒 日期：，二 i i 一 查些茎塑兰竺垒墨 苎二主竺笙 第一章绪论 1 1 链条锅炉概述 锅炉是将燃料内潜在的能量，经过燃烧释放热能或利用其他形式的能量，将 水变成蒸汽或过热蒸汽，或将水加热变成一定温度的热水，或将有机热载体加热 到一定温度而输出的热能设备。 发电离不开锅炉，生产和生活也离不开锅炉。目前全国已有各种工业锅炉4 0 多万台。随着国民经济的不断发展和人民生活的不断改善，锅炉台数还在不断增 加。 能源问题是当前世界各国都非常关心的问题。在我国工业锅炉的总耗煤量约 占产煤总量的三分之一。因此，如何节省能源，减少锅炉的烟气对大气的污染， 已成为我国科技攻关课题。主要通过下述三个途径展开了大规模的研究工作，并 取得许多很有实用价值的成果。 ( 1 ) 改进供热的系统结构，提高锅炉效率和热效率，以减少燃料消耗。例如， 不断建立和完善“集中供热、热电联产”的供热方式，逐步取消“小、土、群” 的分散供热方式，即从供热系统结构上研究节能问题： ( 2 ) 改进锅炉结构，提高锅炉本身的热效率，从而降低能耗。例如根据燃料 品质来改善锅炉的燃烧方式和工艺条件等，即从供热装置结构上研究节能问题； ( 3 ) 改进对系统、装置( 如锅炉、汽轮发电机组及热网等) 的操作管理水 平，保证系统、装置在符合节能要求的状态条件下运行，这是运行效率能否趋近 于设计效率的主要因素。然而无论是操作还是管理，均受参与者的人为因素影响。 实践与理论不难证明，操作管理的自动化水平总是同该系统和装置的节能效益相 呼应的，而自动化水平又主要取决于所采用的手段，即从系统、装置的操作管理 手段上研究节能问题。 在我国上述三个方面的节能潜力很大。根据理论计算和部分实际数据表明， 仅从热效率来考虑，这三个节能途径的潜力分别是2 0 3 0 ，5 1 0 干h5 2 0 。 但是挖掘这些潜力所花费的代价( 人力、财力和时间) 却分别是最大、较大和最 小。因此，必须把改进供热系统结构，放在基本建设中逐步解决：在改进装置结 1 ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 构方面，可采用新装置机电一体化和改造老装置并举的原则；在操作管理方面重 点实现以节能为目标的自动化和计算机化，这样长远与近期目标综合考虑，可以 取得最好的经济效益。这是许多国家进行工业锅炉节能方面研究的基本原则。 工业锅炉自动化的实现，对于节省能源，减少污染，减轻操作人员的劳动强 度，保证锅炉安全运行和延长使用寿命等，都具有特殊的意义。目前，我国不少 工业燃煤锅炉尚未实现常规仪表控制，特别是燃烧控制难度较大，采用常规仪表 控制难于得到预想的效果。因此，工业燃煤锅炉自动化的发展方向是计算机控制， 这是控制技术和手段更新换代的必然趋势。 锅炉按介质分类，可分为蒸汽锅炉、热水锅炉、汽水两用锅炉、有机热载体 锅炉；按燃烧设备分类，可分为固定炉排锅炉、链条炉排锅炉、往复炉排锅炉、 抛煤机炉排锅炉、振动炉排锅炉、反烧炉、煤粉炉、沸腾炉、燃油锅炉、燃气锅 炉、电加热锅炉、余热锅炉；按燃料分类，可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅 炉、余热锅炉、电加热锅炉、生物质锅炉。链条炉排有三种结构：链带式、鳞片 式和横梁式，链条炉排炉的历史悠久，结构可靠，运行稳定，获得了广泛的应用。 工业锅炉房一般担负的供热任务有采暖、通风、空气调节用的季节性热负荷 和生产、生活用的常年性热负荷两大类。根据目前国内热介质使用情况，除个别 工厂的生产用电镀槽子使用高温热水( 送水温度1 2 0 ) 外，一般均为蒸汽。而季 节性的采暖、通风和空气调节热负荷，则既有采用蒸汽的，也有采用热水的。蒸 汽采暖系统的基建投资一般较热水采暖系统为低。 表征锅炉在工作时的基本特性的参数，主要有锅炉的蒸发量、压力和温度。 锅炉在额定压力、额定蒸汽温度、额定给水温度、使用设计要求的燃料并保证效 率时的特定条件下所规定的每小时产生的蒸汽量，称为额定蒸发量。垂直均匀作 用于物体单位面积上的力叫做“压强”，在锅炉上习惯上称为“压力”，单位用m p a 表示，锅炉铭牌上标出的压力是锅炉的设计工作压力，表示锅炉内部蒸汽或水的 压力最大允许超过大气压力的数值。锅炉铭牌上标出的温度是指锅炉输出介质的 最高工作温度。 1 2链条锅炉的工艺与设备 1 2 1 链条锅炉的工艺与组成 2 查苎垄兰璺主茎堡垒查 苎二兰竺垒 这种锅炉的特点是蒸发量较小，一般为6 2 0 t h ，大多为低压饱和蒸汽，压力 为0 4 1 6 m p a ，燃烧方式为链条炉排，往往几台锅炉共用根母管供应给水，用 一根母管向外供汽【2 1 。 现以s h 卜1 0 一1 3 3 5 0 型链条锅炉为例，说明锅炉的工作过程，如图1 1 所示。 其主要设计参数为： 图1ll o t h 锅炉结构和工艺流程不意图 f i g 1 1 l o t hb o i l e rs t r u c t u r ea n d p r o c e s sf l o ws k e t c hm a p 蒸发量：l o t j h ；主蒸汽压力 1 3 m p a ；主蒸汽温度：3 5 0 。c ：给水温度：6 0 1 0 5 ；热风温度：1 7 0 ；冷风温度：2 0 ；排烟温度：1 8 0 。c 。 燃煤的煤层厚度通过煤闸板控制，炉排转速可由滑差电机控制。尾部受热面 有省煤器和空气预热器。 给水通过省煤器预热后给锅炉上水，空气经空气预热器预热后由炉排左右两 侧六个风道进入炉膛，烟气通过除尘器除尘后由引风机送至烟囱排放，主蒸汽经 过过热器送至汽包和用汽处。 从可控性观点出发，该炉有以下特点： ( 1 ) 同一母管向三台锅炉的汽鼓供应给水，每炉的水位较难控制； ( 2 ) 当锅炉负荷发生变化时，给煤量应随之改变。为了保持合理的煤层厚度， 必须使炉排速度及给煤挡板开度相应变化，但两者关系较复杂； ( 3 ) 这种炉型，从外界漏入炉膛内的风量较大，这对于校正烟气含氧量是一 个不利因素，特别是在低负荷时危害更大。 3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 链条锅炉的主要机械设备 ( 1 ) 锅炉主要受压部件 ( a ) 锅筒( 汽包) ：是汇集、储存、分离、产汽和提供热水的容器。 ( b ) 汽水分离装置：锅炉产生的蒸汽除了应具有规定的参数特性外，还必 须保证蒸汽的品质。蒸汽带水会使过热器结垢，另外对一些产品的质量也会产生 不良影响，所以必须对蒸汽进行汽水分离处理。 ( c ) 水冷壁：水冷壁是布置在炉膛内的辐射受热面，它直接与火焰接触， 保护炉墙，同时吸收燃料释放的热量，降低炉膛的温度，调节炉膛的出口温度， 是锅炉的主要受热面。 ( d ) 对流管束：对流管束又称排管，布置在上下锅筒或锅筒与集箱之间， 是工业锅炉的主要蒸发受热面，为了充分吸收热量，通常用隔墙把对流管束分成 几个烟气走向，以提高烟气冲刷效果，充分利用受热面。 ( e ) 封头( 管板) ：锅炉两端有封头，封头有球形、椭球形和扁球形封头。 ( f ) 集箱( 联箱) ：集箱可分为上、下集箱；左、右集箱：前、后集箱等。 它们都用于汽和水的进出口连接和分配。在炉排两侧的集箱还有利于防止结焦， 因此又称为防焦箱。 ( g ) 拉撑杆：管板往往用拉撑件来加强，这样即可提高管板强度，降低管 板厚度，也可改善管板与简体连接部位的受力状况。 ( h ) 人孔、人孔盖、手孔、手孔盖：人孔是锅筒上为了方便安装和检修锅 筒内部而专门设计的孔。有一些不能进入的部位，要开手孔、清洗孔、检查孔， 以方便安装、检查、清洗。 ( 2 ) 锅炉配套辅机设备 锅炉辅机设备主要有：燃料输送设备、出渣设备、通风设备、给水设备、除 尘设备等等。 1 3链条锅炉在热力供暖系统的发展概况 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 链条锅炉的应用现状 蒸汽供暖系统是目前广泛使用的一种供暖系统。它不仅用于居住和公共建筑， 而且也用在工业企业厂房中。 近年来，由于对锅炉的自动化要求不断提高，锅炉上配置自动控制的附件仪 表也越来越多，如给水自动调节装置、燃料自动调节装置、鼓、引风机连锁保护 装置、超压及超温保护装置、过程控制装置等等。 工业锅炉自动化是工业锅炉技术进步的重要标志，目前我国工业锅炉的薄弱 环节是自动化水平低，缺少必要的检测仪表，司炉工凭经验观察，影响工作安全， 实际运行效率较低。据统计全国工业锅炉，由于效率低，年多消耗的标准煤近2 0 0 0 多万吨。 工业锅炉热效率低的原因有锅炉本体的制造工艺问题、运行管理和操作水平、 配套控制仪器仪表的精度问题等方面。 工业锅炉的控制要强调可靠性和实用性，首先是锅炉控制系统的可靠性。锅 炉微机控制系统的可靠性不仅涉及到计算机、检测仪表、执行机构、电子元器件 的优选，还涉及到结构工艺、自动控制理论算法。此外在可靠性设计的同时还应 进行抗干扰设计。 工业锅炉的自动控制系统在我国往往不被人们所重视，主要原因有两点：一 是认为一般工业锅炉的吨位较小，搞自动化控制，投资成本大，能够燃烧就行； 二是小锅炉的司炉工普遍文化程度较低往往不会操作使用，反而给制造厂带柬一 些不必要的麻烦；另外我国的很多仪表质量不够好。 1 3 2 链条锅炉的发展展望 工业锅炉运行监控的目的，在于通过一整套包括检测、显示、自动调节、程 控、信号保护等设备组成的一个完整的监控系统，阻确保锅炉的安全、经济运行。 工业锅炉的自动调节控制任务为以下几个方面： ( 1 ) 自动检测 用检测元件和显示仪表，对锅炉的热工参数( 压力、温度、流量等) 进行连 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 续测量和显示，并为自动调节和安全保护提供检测信号。 ( 2 ) 程序控制 它使锅炉的启动、停止及正常运行等一系列操作实现自动化，程序是根据操 作顺序和条件编制的。如燃煤锅炉是按照先启动引风机，再启动鼓风机、炉排的 顺序进行的。 ( 3 ) 热工信号、保护及连锁 当锅炉运行参数超过规定值时，发出声光报警信号，提醒值班人员注意并及 时采取有效措施，以保证锅炉正常运行，如水位过高、过低，蒸汽压力超压采用 声光报警及超压停炉和水位危低停炉连锁保护等功能。 ( 4 )自动调节 对锅炉运行参数进行自动调整，以适应外界负荷和工质参数的要求并使锅炉 保持在较经济的工况下运行。 工业锅炉自动控制水平的高低，直接通过锅炉运行的热效率高低来反映，保 持了控制锅炉运行的统一性，克服了人为因素的差别给锅炉运行带来的影响【2 1 。 1 3 3 链条锅炉的前端科技 ( 1 ) 锅炉自动控制系统 工业锅炉自动化控制从简单的d d z - - i i i 系统仪表、计算机控制系统发展到目 前所采用的p c + p l c 显示控制系统。h m i ( 人机接口) + p l c 显示控制技术是近几 年流行于工业控制中的一种新的技术。 在工业控制中，p l c 主要负责数据采集、控制运算和控制输出。p l c 可以直 接接收标准的过程量，如4 - - 2 0 m a 电流、1 5 v 电压、热电耦、热电阻等模拟信号， 还可以接受开关接点等数字信号。基于h m i 技术的p c 机构成了o s 操作员站或 e s 工程师站，主要的功能是数据归档，趋势记录，报警提醒以及参数设定，总之 它提供了运行人员和控制系统的一种交互方式。 现今在国内比较流行和成熟的h m i 软件技术有国内北京亚控公司产品 k i n g v i e w ，国外美国a b 公司r s v i e w 3 2 ，美国g e 公司的i f i x ，德国s i e m e n s 公司的w i n c c 等；提供了全集成概念的p l c 产品有a b 公司的s l c 5 0 0 、p l c 5 ， 德国s i e m e n s 公司的$ 7 3 0 0 、$ 7 4 0 0 等。以上这些技术在国内外的钢铁、电力化 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 工和冶金等各行业都有广泛的应用，为企业的技术革新和发展生产带来了很大的 动力，同时也代表了当今世界控制系统的最新成果和发展动向。 由于在控制系统方面使用了居于世界领先地位的企业生产的控制元件，大大 的提高了锅炉自动控制系统的内在质量。 ( 2 ) 锅炉自动控制技术 针对锅炉这一特殊产品和特定的工艺，涉及到了开关量启、停顺序控制，超 压联锁保护自动控制；模拟量给水系统自动控制，燃烧系统自动控制。 虽然国内对蒸汽链条锅炉过程控制理论方面的研究起步很晚，但随着工业生 产的迫切需求和技术革新，以及近几年集中供热方式的大力推广，在控制技术上 有了长足进步和很大发展。除了采用常规p i d 单回路控制外，还涉及到了串级控 制，智能p i d 等控制算法，同时根据工艺的具体需要在多变量解藕控制，p i d 自 整定，寻优控制和模糊控制等智能算法上也多有应用，并且取得了一定的经济效 益。 1 4 本文的研究背景 随着计算机技术、微电子技术和检测技术的飞速发展，以计算机为核心的自 动化监控技术已成为锅炉运行的重要生产工具，其应用程度从只能完成比较简单 的变频调速和单回路单独控制，到对整个锅炉系统的综合监控及管理。应用计算 机控制的目的是为了提高锅炉的热效率，改善劳动强度及作业环境，降低能耗和 操作成本，提高锅炉供热质量，实现锅炉运行的综合自动化和运行过程的最优化。 东北大学基础学院原有3 台l t r h 热水供暖锅炉，由于设备陈旧，再加之完全 依靠工人手动操作，供暖效果不理想。2 0 0 3 年更新安装3 台1 0 t h 蒸汽锅炉，对锅 炉房进行全面改造并采用自动控制系统控制锅炉运行，以提高供暖的综合效果。 我作为锅炉房的管理人员及技术人员，直接参与整个锅炉改造工程。 结合自己硕士学习的研究方向，在毛志忠老师的指导下，我的硕士论文的题 目定为“蒸汽链条锅炉计算机分散控制系统d c s ”。实现了控制系统安全、可靠、 节能降耗，并实现供暖过程计算机管理。 。7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本文的主要工作 本文以东北大学基础学院3 台l o t h 供暖蒸汽锅炉计算机控制系统为研究对 象，主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 在深入了解供暖锅炉的工艺过程，以及国内外供暖锅炉发展状况，尤其对 东北大学锅炉控制系统研究及现场调试的基础上，讨论了在未来的供暖锅炉发展 中计算机控制将起到的决定性作用； ( 2 ) 论述了东北大学基础学院3 台l o t h 供暖蒸汽链条锅炉计算机控制系统的总 体结构设计： ( 3 ) 介绍了子系统的设计与实现； ( 4 ) 讨论了燃烧过程中优化控制策略； ( 5 ) 详细介绍了控制系统软、硬件设计方案。 8 一 坚壁塑主茎竺笙查 釜三主釜塑竺鱼堡芝盐兰垫坌整墨型垒垫塑塑塾 第二章 蒸汽链条锅炉计算机分散控制 系统的构成 2 1 d o s 控制系统构成 2 1 1 概况 锅炉计算机控制系统是一个技术比较复杂、具有一定系统规模的热工过程计 算机控制系统。 每台炉子有给水、煤闸板、炉排、鼓风和引风共五个控制回路，三台锅炉共 十五个回路，并设有给水母管压力控制，总计十六个控制回路。 锅炉计算机控制系统必须把安全可靠放在首位，其次是节能显著、操作维护 简便和价格适宜【引。 由单台设备( 一台锅炉) 单项节能控制向整体( 一个锅炉房) 综合节能控制 发展，以实现整体的计算机化、网络化和最优化，获得更大的节能效益。 本系统为东北大学基础学院三台l o t 蒸汽链条锅炉的控制部分。 本系统采用分散式控制系统( d c s ) 进行热工监视与控制，并配以少量二次显 示与操作仪表，使系统构成更完善、更合理f 4 j 。 系统主要完成的功能有：数据采集d a s 、模拟量控制m c s 、顺序控制s c s 。 主要监控对象有：锅炉本体及引风机、鼓风机、水泵、给煤机、除渣机、除 氧器、软化水灌等辅机设备。 系统主机设置在锅炉房控制室内。根据本系统规模需要系统配备二个现场控制 站( i o 站) 和一个电气操作员站，一个仪表操作员站，一个工程师站。控制网络 通讯采用西门子m p i 网络，系统管理采用标准以太网，在远端任一站点都可以监 视整套系统的运行情况【”。 2 1 2 系统配置 9 型坠兰堕主兰壁垒墨 第二章蒸汽链条锅炉计算机分散控制系统的构成 整个系统按三级网络进行结构规划和系统配置。这三级网络分别是：现场控 制级、过程控制级、上位管理级。如图2 1 所示。 图2 1 系统的馒件配置 f i g 2 1s y s t e mc o n f i g u r a t i o no f h a r d w a r e ( i ) 现场控制级的基本配置 现场控制级设有两个现场控制站，主要用于锅炉的热工检测和自动化控制。 选用德国s i e m e n s 公司s 7 3 0 0 系列控制器作为现场检测控制站。 ( 2 ) 过程控制级的基本配置 过程控制级设有一个仪表操作员站、一个电气操作员站、一个工程师站。操 作员站主机及其外部设备分别安装于控制室内操作台中，采用m p i 通讯进行系统 联接，主要用于对现场控制站采集的工艺参数和设备运转工况进行指示、记录、 1 0 查兰查兰璺兰! ! 堡笙查 苎三主鲞塑竺鱼塑芏盐簦垫坌塑型墨竺塑塑垒 报警、以及数据处理和历史参数存储等6 1 。 工程师站主要用于应用程序的编制和系统组态，亦有操作员站功能，可兼做 操作员站。 在控制室还设有一台汽包水位、压力电视监视系统，可同时监视三台锅炉 实时水位、压力情况，以供司炉人员参考。 ( 3 ) 上位管理级的基本配置 上位管理级为本系统的虚拟部分，对此未作硬件配置和明确的技术规定。按 三级网络进行结构规划，是为了使系统具有更强的网络构架，并在系统中预留出 通讯接口和必要的开放条件，以便进行系统联网时使用。 2 1 3 系统功能 ( 1 ) d a s 系统 可连续采集和处理所有与锅炉有关的重要测点信号及设备状态信号，及时向 运行人员提供有关的运行信息，实现锅炉安全、经济运行。通过c r t 的综合显示 汉化后的字符和图象信息，一旦锅炉发生异常工况及时报警。 d a s 系统具有以下功能： ( a ) 显示功能：具有操作显示、成组显示、棒状图显示、报警显示及趋势显 示等： ( b ) 制表打印功能：定期记录、事故追忆功能等； ( c ) 历史数据库存储和检索功能：每根曲线可在运行区间放大与压缩显示， 并能通过打印机打印。 ( 2 ) m c s 系统 m c s 系统用于对自动调节回路的模拟量经运算处理后，输出控制信号至执行机 构或变频器，实现闭环控制。当调节回路中变送器故障或运行模块故障时，某自 动调节回路无法自动调节，运行人员可通过c r t 及键盘、鼠标进行手动遥控。 m c s 系统包括如下调节控制回路： ( a ) 水位控制( 汽包水位、蒸汽流量、给水流量串级三冲量调节) ： ( b ) 燃烧控制( 蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛压力等协同调节) ； ( c ) 除氧系统控制( 除氧器水位、除氧器压力调节) 。 东北大学硕士学位论文第二章蒸汽链条锅炉计算机分散控制系统的构成 ( 3 ) s c s 系统 顺序控制主要用于启、停锅炉时各设备的启、停顺序，特别在联锁停炉时严 格按锅炉工艺要求进行。 2 2 系统软件选择 2 2 1 操作系统软件平台 系统软件平台采用w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r ，这是目前世界上工业现场应用最 为广泛的视窗操作系统。它安装于操作员站和系统主机中，其用途主要是为w i n c c v 5 1 和s t e p 7v 5 2 提供良好的运行环境。保证其能在系统中稳定可靠的长期运行。 所以选择w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 作为操作系统，是因为w i n c cv 5 1 和s t e p 7 v 5 2 都是基于w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 环境编制的工具软件，与其有着不可分割的 内在联系【i ”。 2 2 2 s t e p 7v 5 2 控制站编程软件 s t e p 7v 5 2 安装在工程师站w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 操作系统上，其用途主要 是为程序员提供应用软件开发平台和编程工具。程序员可借助s t e p 7v 5 2 提供的 平台和工具，按技术要求编制应用程序，确定现场控制站的功能、任务和运行规 则f 1 7 】。 s t e p 7 是德国西门子软件公司针对可编程控制器提供的梯形图编程软件。具有 可靠的通讯方式、强大的编程功能和卓越的诊断能力。作为最终的编程解决方案， s t e p 7 提供西门子人机操作软件w i n c c v 5 1 、通讯设备之间的互操作性”引。 2 2 3w in c cv 5 1 人机界面监控软件 w i n c cv 5 1 是德国西门子软件公司面向过程控制推出的人机界面监控软件。 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章蒸汽链条锅炉计算机分散控制系统的构成 它在系统中运行于操作员站和工程师站中，其用途是为计算机程序员提供应用软 件开发平台及附带的开发工具。计算机程序员可以此为工作平台，编制符合实际 要求的，具有特定功能的应用程序n w i n c cv 5 1 具有强大的系统功能和高品质的人机界面。它的主要特点是： 开放性好、兼容性强、可深度扩展、便于联网通讯【8 。 ( 1 ) 友好的开放环境 开放的图形显示系统通过o l e 容器方式支持a c t i v e x 控件。用户可从数千种 a c t i v e x 控件中选择已有的解决方案添加到w i n c cv 5 1 项目中。 通过对象模型的开发实现对w i n c cv 5 1 核心功能的调用，同时还允许w i n c c v 5 1 与其它基于组件技术的软件产品实现交互操作。 ( 2 ) 高度的兼容能力 w i n c cv 5 1 通过开放技术达到了与西门子其它软件产品、微软产品以及第三 方应用程序的高度兼容。 可与微软产品实现数据共享。w i n c cv 5 1 的标签配置、报警配置以及数据记 录都与o d b c 完全兼容。 ( 3 ) 灵活的扩展功能 w i n c cv 5 1 采用插件结构，重新定义了人机界面核心功能。在软件包上附有 多种插件，用户可根据需要选择合适的插件进行安装，选入的软件组件直接与 w i n c cv 5 1 内核集成在一起，从而使w i n c cv 5 1 的系统功能得到相应的扩展。 w i n c cv 5 1 还以业界流行的微软c 语言作为内置编程语言，最大限度地实现 对l i n c cv 5 1 项目的扩展和自定义。 ( 4 ) 方便的联网通讯 w i n c cv 5 1 支持o p c 标准。可以快速、方便地与众多生产制造商的硬件设备 实现可靠的系统通讯。同时可作为o p c 服务器向其它o p c 客户端提供服务。 1 3 东北大学硕士学位论文 第三章蒸汽链条锅炉的控制方案 第三章蒸汽链条锅炉的控制方案 燃煤工业锅炉是多变量系统。它的燃烧过程有明显的纯滞后特性和非线性特 性，被控量时变性大，影响因素多，外部扰动频繁而内部关联强【1 0 1 。 控制燃烧的主要手段只有燃料量、鼓风量和引风量，要创造一个最佳燃烧环 境使三个调节量能够协调改变，使风煤配比和炉膛压力同时达到最合适值。 锅炉控制系统是在智能p i d 控制算法的基础上引进了“自学习寻优”算法， 可以较完善地解决燃烧控制问题。 3 1 顺序控制( $ c s ) 对锅炉、给水等主要设备及其辅助设备设计程序启动、程序停止及手动操作 等逻辑，以满足有关设备程启、程停和手动操作的要求。主设备和有关辅助设备 可以设计成具有联锁关系的控制逻辑，也可以设计成单独控制的逻辑。根据实际 需要选择主设备及其辅机的程序控制方式或单独启、停方式。对于不参加联锁启 停的设备，在操作台上设置手动启停开关，直接控制现场设备。 控制系统的j 颐序控制功能可由操作员请示或自动启动和停止。它可根据操作 员的命令或选定的模拟和数字信号自动动作，执行特定功能。如按选定的速度上 升或下降、在定义的时间内保持等，并且可以根据逻辑功能、真值表、定时器、 计数器、假定条件等进行开阀、关阀、启泵、停泵等动作。它还可以对不正常的 条件和中断等进行报警，完成对各种设备的操作、监视及报警。通过c r t 可以监 视顺序执行过程并且可以随时中断顺控过程，在解除危险后可以恢复中断的顺控 过程。 通过操作员站的c r t 和键盘对有关设备进行操作，同时有关设备的运行状态 也可在c r t 上显示。c r t 上还可以显示有关设备的启动条件，启动顺序等帮助信息。 程启或程停过程中，可以人为中断程启或程停过程。顺控过程重新开始时， 将从程序的第一个步序开始执行。如果在程启或程停过程中，非人为中断程启或 程停过程，则程序停在不满足条件的步序，并发出报警信息，提醒操作运行人员 注意。当所停步序的条件满足时，程序不会自动向下步进行，此时要确认是否要 1 4 东北大学硕士学位论文第三章蒸汽链条锅炉的控制方案 继续程启或程停过程，需要继续进行时要重新给出程启或程停指令。 顺控部分的联锁和保护指令具有最高优先级，手动控制指令优先级次之，自 动控制指令的优先级最低。对同一设备，开、关指令之间设计成相互联锁，不允 许同时发出指令。为防止运行人员误操作，重要的手动操作指令设有确认按钮， 只有确认后该指令才能真正送出去动作有关设备。 锅炉控制系统中的主要联锁设备有： ( 1 ) 烟风系统 烟风系统包括鼓风机、引风机和除尘器等主要设备。为保证炉膛的安全运行， 烟风系统启动时按引风机、除尘器、鼓风机顺序开机；停运时则按鼓风机、除尘 器、引风机顺序停机。 ( 2 ) 燃料系统 燃料系统顺控包括给煤机的启动、停止及与烟风系统的联锁，在锅炉运行和启、 停炉各段，为保证炉膛安全，加负荷时要先增加风量再加燃料量，减负荷时要先 减燃料量再减风量。 ( 3 ) 锅炉点火和停炉系统 锅炉点火过程中有关设备需要按照一定的顺序进行动作，并且它们之间具有一 定的联锁关系。同时，紧急停炉时各相关设备也有联锁和顺序动作的关系。某些 设备只有在其它设备动作后才能动作1 1 1 j 。 3 2 模拟量控制( m c s ) 3 2 1 锅炉汽包水位自动控制 汽包水位是锅炉安全运行的重要指标。维持汽包水位在允许范围内，是确保 锅炉正常运行的必要条件。因为汽包水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作， 导致蒸汽带水增多，降低蒸汽品质；汽包水位过低，则会破坏水循环，甚至引起 水冷壁管壁破裂和烧干锅等重大事故。 汽包水位自动控制的主要任务，是使锅炉的给水量与锅炉的蒸发量相适应， 1 5 东北大学硕士学位论文 第三章蒸汽链条锅炉的控制方案 维持汽包中的水位在允许的范围内。 引起汽包水位变化的主要因素有锅炉负荷、燃烧工况和给水压力等。 ( 1 ) 锅炉负荷对水位的影响 汽包水位的变化与锅炉负荷( 蒸发量) 变化有密切的关系。如果锅炉负荷增 加，给水量不变或增加不及时，蒸发设备中水量逐渐被消耗，使水位下降；反之， 水位上升。所以水位变化的幅度反映了锅炉给水量与蒸发量之间的平衡关系遭到 破坏的程度，如给水量大于蒸发量，则水位上升；给水量小于蒸发量，则水位下 降；只有当给水量与蒸发量相等，蒸发设备中物质保持平衡时，水位才能保持稳 定。 在锅炉运行过程中，当负荷突然变化时，水位的变化还有一个特殊的过程。 如负荷突增，水位会很快上升；负荷突减，水位会很快下降，这种水位变化是暂 时现象，称为“虚假水位”。产生“虚假水位”的原因是当负荷急剧增加时，汽压 快速下降，由于炉水温度是锅炉当时压力下的饱和温度，随着汽压的下降，炉水 从原来较高压力下的饱和温度下降到较低压力下的饱和温度，此时炉水和金属要 放出大量的热量，这些热量又用来蒸发炉水，于是炉水内的汽泡数量就会大量增 加，汽水混合物的体积膨胀，所以促使水位很快上升，形成“虚假水位”。当炉水 中产生的汽泡逐渐逸出水面后，汽水混合物的体积又收缩，所以水位又下降。这 时如果不及时增加给水量，则由于蒸发量大于给水量而引起水位很快下降。当负 荷急剧降低时，汽压很快上升，相应的饱和温度提高，用于把炉水加热到新的饱 和温度的热量增加，而用来蒸发炉水的热量减少，炉水中汽泡数量减少使炉水混 合物的体积收缩，促使水位很快下降形成“虚假水位”。当炉水温度上升到新压力 的饱和温度以后，不再需要多消耗液体热，炉水中汽泡数量又会逐渐增多，汽水 混合物体积膨胀，所以水位又上升。这时如果不及时减少给水量，则由于给水量 大于蒸发量，因而水位会很快上升。 ( 2 ) 燃烧工况对水位的影响 在外界负荷和给水量不变的情况下，当燃烧突然加强时，炉水吸收热量增加， 炉水中汽泡增多，体积膨胀，使水位暂时升高，由于产生的蒸汽量不断增加，使 汽压上升，饱和温度也相应提高，炉水中的汽泡数量又逐渐减少，水位又会下降； 相反，燃烧突然减弱时，水位暂时下降而后升高。这是因为燃烧工况的改变使炉 内释放热量改变，因而引起工质状态发生变化的缘故。 ( 3 ) 给水压力对水位的影响 1 6 东北大学硕士学位论文第三章蒸汽链条锅炉的控制方案 如果给水系统运行不正常，给水压力变化时，必然使送入锅炉的给水量发生 变化，从而破坏给水量与蒸发量的平衡，引起汽包水位的变化。 为克服“虚假水位”现象对控制过程的不利影响，汽包水位自动调节系统采 用由汽包水位、蒸汽流量和给水流量组成的串级三冲量给水自动调节系统。汽包 水位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入，蒸汽流量信号经温度、压力修正后 与给水流量信号一起作为副调的反馈输入。 还可以引入多个前馈信号参与控制，如汽包压力、给水压力等。在自动调节 回路中采用了智能p i d 控制算法，可以区别趋向积分与背向积分作用，并能在大 偏差时自动分离积分项，从而取得良好的动态、静态控制效果【l “。 给水自动调节系统框图如图3 1 所示。 给水流量蒸汽流量干扰 图3 1 给水自动调节系统框图 f i g 3 1w a t e r - s u p p l y a u t o m a t i cr e g u l a t i o ns y s t e mc h a r t 计算机可以最大限度的利用系统已有资源，随意进行系统组态，构成各种模 式的控制系统。本文论述的是智能p i d 给水调节系统，它是在典型三冲量p i d 调 节的基础上，加以改进和补充，而形成的一种新型控制算法，具有极大的灵活性 和通用性。该控制算法的显著特点是： ( 1 ) 系统组态灵活 所谓组态，就是设定参与调节的诸变量，组建调节回路的系统结构。这些参 与调节的变量可通过键盘任意修改，而不必重新进行安装接线。这种软布线的组 态方式，具有极大的灵活性和通用性。 ( 2 ) 有多组p i d 参数 1 7 东北大学硕士学位论文 第三章蒸汽链条锅炉的控制方案 本控制算法可以设置几组不同的p i d 参数值。将系统的偏差范围由小到大， 划分为几段偏差范围区，每个范围区都设有一组与偏差范围对应的p i d 参数。程 序运行时，系统按照实际偏差的当前值，选择与之对应的偏差范围区，采用该区 予置的p i d 参数进行控制运算。若偏差值发生变化，进入另一偏差范围区，程序 将自动跟踪至新的偏差范围区，用新区的p i d 参数进行控制运算。 ( 3 ) 具有抗积分饱合功能 本控制算法融入了双向积分理论。双向积分就是将积分时间分成两个子项。 当偏差值背离设定值有增加趋势时，称为背向积分时间；当偏差值趋向设定值有 减小趋势时，称为趋向积分时间。根据控制对象的动态特性，设定两个不同的积 分时间。即背向积分时间和趋向积分时间。程序可根据偏差的变化情况自动选取 积分作用时间。选用两个不同的积分时间可有效的抑制积分饱合，使调节系统的 过渡过程得以平稳。 ( 4 ) 能对执行机构步长进行限定 执行机构的步长限定，是通过设定控制参数的步长而实现的。最大步长是指 执行机构每次可以动作的最大幅度。对最大步长进行限定，可以防止执行机构因 每次调节量过大而造成的系统振荡；最小步长是指执行机构每次可以动作的最小 幅度。对最小步长进行限定，可以避免执行机构的频繁动作，延长设备使用寿命。 ( 5 ) 可实现双向限幅 双向限幅是通过设置输出信号的最大值和最小值来限定调节