600MW一次风压力控制系统

1、摘 要目前，我国的电厂大多数是火力发电厂，煤是发电的主要燃料，锅炉燃烧是发电的重要环节之一。我们要以最经济的方式来利用有限的能源，这就要求我们寻找燃烧的最优方案。 本论文主要针对一次风压控制系统。一次风压控制系统通过I/O卡件接收一次风压变送器信号，经过逻辑运算输出控制指令，直接通过电动执行机构控制二次风挡板来改变风量，维持一次风压力在给定范围内。关键词：燃烧控制，一次风压，控制系统，逻辑运算ABSTRACTAt present, most of the power plant in China is the thermal power plant, coal is the main fuel

2、 for power generation, the boiler combustion is one of the important links in power generation. We are in the most economic way to use the limited energy, which requires us to find the optimal solution combustion. In this paper, a pressure control system. A pressure control system through the I/O ca

3、rd receiving a pressure transmitter signal, through the logic output control instruction, directly through the electric actuator control two windshield plate to change the volume, maintain a wind pressure in a given range.Key words: Combustion control, A pressure, Control system, Logic operations目 录

4、1、 绪论11.1一次风压概述1 1.2一次风压力对象的特性分析2 1.3 锅炉燃烧控制的发展概述22、系统配置52.1概述52.2系统结构图62.3设备清单63、一次风压力控制系统83.1压力设定值生成8 3.2磨跳闸工况前馈设计83.3防失速的平衡回路设计94 控制策略的设计104.1一次风压概论104.1.1一次风压力受到的主要扰动来源104.1.2控制策略设计：104.3系统SAMA图124.4设计方案图124.5系统测点如表4.1135、600MW火电机组DCS系统设计145.2 通信部分155.3 系统接地165.4 软件部分166、系统组态186.1设计一个PIDloop186.

5、2添加I/O模件187、系统人机界面设计197.1画面设计原则197.2设计步骤198、 小结20参考文献21附录一22附录二23附录三241、 绪论1.1一次风压概述 一次风压指空预器后热一次风母管压力。而一次风压调节是指通过控制系统的控制作用保持一次风压的稳定。其风压设定值为“锅炉负荷的函数+运行人员的偏置”，并且有上下限值。 一次风压调节的必要性：在电厂燃煤机组中，一次风是锅炉的燃料输送系统的主要动力来源。一次风压的高低直接影响煤粉的喷射，轻则火焰燃烧不稳，重则引起炉膛灭火甚至炉膛爆炸。一次风机都要保证一次风母管风压的大致恒定，不然磨内存粉会因一次风压不稳而忽多忽少，炉膛负压、主汽压力等

6、关键参数频繁波动。同时一次风压能影响炉膛效率和燃烧的安全性。因此一次风压调节是燃烧过程的任务之一。1.1一次风压力受到的主要扰动来源： 磨煤机热风挡板开度扰动（外扰）下风压调节对象的动态特性：由于煤粉干燥度的变化及锅炉负荷的变化使得挡板开度变化，当开度增大时，风流量增大，一次风压减小。 控制策略设计： 为了实现无静差控制以及快速控制，设计单回路前馈加反馈控制系统。在该系统中，控制量为风机入口调节挡板位置，被控制量为一次风压力。将磨煤机热风挡板位置扰动作为前馈引入系统。该方案简单，能快速响应磨煤机挡板位置扰动并且能维持风压的稳定，但是有节流损失，并且该方案对风门的调节特性以及气压的测量稳定性有比

7、较高的要求。1.2一次风压力对象的特性分析 一次风压力可通过调节排粉机入口挡板来加以控制,当挡板开度变化时,一次风压力的变化相当灵敏。对一次风压力的主要扰动有2个:一是在制粉系统(乏气送粉锅炉)的启动和停止过程中,存在热风送粉和乏气送粉的切换(即倒风),由于阀门开、关时的流量特性不同,必然会对一次风压力造成影响,但这一扰动对一次风压力的影响相对较小,一般在200300 Pa,依靠PID控制能够及时消除;二是排粉机出口一次风小风门的开启或关闭,随着机组负荷的升、降,需要投入或切除火嘴,对应的小风门需要开启或关闭,而这种操作对一次风压力的影响很大。会使一次风压力上下波动1 0002 000 Pa。

8、因此,在这种情况下,若排粉机挡板不快速动作,一次风压力波动太大,容易造成锅炉燃烧不稳定,严重时造成锅炉熄火。由于PID调节器的输出不可能在很短时间内变化太大(若PID调节整定太快,会造成闭环系统振荡,甚至不稳定),因此在这种情况下,不能单靠常规的PID控制来进行调节1。而此时模糊控制器是一个比较好的选择,因为模糊控制器不仅能快速调节排粉机的入口挡板,而且还能保证闭环控制系统稳定性。1.3 锅炉燃烧控制的发展概述 锅炉燃烧控制作为实现锅炉安全经济运行目标的有效手段，随着计算机技术、CRT显示技术、通讯技术和自动控制理论应用的迅速发展，为使锅炉燃烧控制系统能统一到机、炉、电控制的高效智能一体化、信

9、息管理与控制集成化中，以及现场总线控制系统（FCS）和智能仪表融入到分散控制系统（DCS）的新型控制和保护策略的网络自动化中，国内外许多公司在这方面都做了有益的探索。 经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论作为自动控制理论发展的三个不同阶段，在锅炉燃烧控制理论的发展上得到了体现。在70年代，其控制过程采用单回路调节器实现，控制策略PID控制，锅炉燃烧控制的研究主要集中在锅炉的动态特性和数学模型，从线性到非线性，从单变量到多变量，从时不变到时变等，都进行了广泛而深入的研究1-5。 使生产一线一部分工人从繁重的体力劳动中解脱出来。增加了生产的平稳性和安全性。 进入80年代以后，计算机技术的迅速发

10、展引起了控制技术的革命，现代控制策略迅速在锅炉燃烧控制系统的实际应用中得到发展，控制策略也得到了长足的发展，特别是智能技术发展，有代表性的有：最优化控制，自适应控制，预测控制，鲁棒控制6-8 等。这些优化控制技术将模型与控制系统的设计结合起来考虑，重点在于使所设计的控制系统具有鲁棒性，而模型则不像先前那样要求得很严格。为解决国内现有中小型燃煤锅炉出力不能随着外界温度的变化及时变化，炉膛温度低、排烟温度较高。风煤比不能及时调整，炉膛换热效率低等问题指明了方向。 随着现代科学技术的迅速发展和重大进步，生产的规模越来越大，使得控制对象日益复杂化，而且人们对控制系统的性能指标诸如控制精度等要求也越来越

11、高，自动控制理论正面临新的发展机遇和严峻挑战。传统的经典控制理论和现代控制理论在应用中遇到不少难题，其主要原因是：（1）这些控制理论都是针对系统精确的数学模型进行研究的，而与普遍带有复杂性、不确定性、不完全性、模糊性、时变性、非线性等的实际系统有一定差距；（2）这些控制理论研究系统时必须提出一些比较苛刻的假设，而这往往与实际不符；（3）对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程，根本无法用传统数学模型来表示，即无法解决建模问题；（4）这些控制理论为了提高性能指标所设计出的控制系统往往很复杂，即增加设备投资，又降低系统的可靠性。与此同时，人工智能的研究得到飞速发展，并迅速渗透到各领域中。自动控制与人

12、工智能的结合产生了智能控制。20世纪90年代，国内外不少学者将智能控制用于锅炉系统的建模、仿真、诊断及控制。智能控制理论9-10主要是以数值计算、逻辑运算、符号推理等为工具，模拟人类学习和控制的能力，对难以建立精确数学模型的复杂系统进行控制研究。 总而言之，以上提到的燃烧控制系统（包括大部分电厂采用的串级控制和新近提出的控制策略）都有其自身的优势，但由于锅炉燃烧过程很复杂,都没有对燃烧过程建立精确的数学模型。锅炉燃烧问题是科技工作者普遍关注的问题，也是发展较快的一个领域。在这方面，发达国家曾经走在最前列，特别是美国、日本等国家，他们研制的各种燃烧设备一度占领了国际市场。现在，发展中国家正以极快

13、的速度发展，争取在这一领域占有一席之地。2、系统配置2.1概述本控制系统规模小，由监控级、控制级和现场级三部分组成。监控级由工程师站（西门子工控机）和操作员站（西门子工控机）组成；控制级由控制器PM860、通讯模块TU810、模拟量输入模块AI810、模拟量输出模块AO810和数字量输出模块DO810构成；现场级由测量变送器和执行机构组成。监控级与控制级之间的通信网络选用以太网Ethernet，控制器与通信模块之间的连接选用Modulebus(光纤)。该控制系统的工作原理：AI810采集现场的过程变量，通过通讯模块送到控制器，控制器根据已设定的控制策略运算得出控制信号，控制信号经通讯模块到AO

14、810，再到执行机构，执行机构动作，从而改变被控量按期望的方向变化。DO810用来输出控制设备启停信号。操作员站有丰富的外围设备和人机界面，操作员通过画面监视现场设备的运行状况。在遇到紧急状况时，按规定流程进行手动操作。工程师站负责进行控制系统的组态、控制模块参数的修改等工作，并能够将控制策略下装到控制器2.2系统结构图ModulebusEthernet工程师站操作员站控制器通讯模块TU810模拟量输入模块AI810TU820模拟量输出模块AO810TU820现场变送器现场执行机构数字量输出模块DO810 图2.1系统结构图 2.3设备清单(1) 监控级 表2.1.1 监控级设备清单序号设备数

15、量备注1SIMATIC IPC547C2操作员站和工程师站(2) 控制级 表2.1.2 控制级设备清单序号设备数量备注1SD 811电源模件224VDC、2.5A2TU810通讯模块1支持双绞线连接3AI810模拟量输入模件1模拟量输入8通道4AO810模拟量输出模件1模拟量输出8通道5DO810数字量输出模件1数字量输出8通道6PM860控制器2与以太网兼容通信7DIN RAIL导轨1安装通讯和I/O模件8GYTA53光纤1连接控制器和通信模件9插槽2安装控制器（3）现场级序号设备数量备注1DBS308压力变送器1测量一次风压力2PTJ501差压传感器 1测量一次风压力3RSYN-8-30角

16、位移传感器2测量挡板的角度4KINAX WT707角位移变送器2测量挡板的角度52SQ3031电动执行机构1改变挡板的角度 表2.1.3 现场级设备清单表3、一次风压力控制系统3.1压力设定值生成为了使一次风量的控制更加有效, 需要通过一次风机入口挡板将空气预热器出口的热一次风压力控制在适当的设定值上。一次风压控制系统通过调节一次风机动叶来控制一次风母管压力。一次风压力测量值三取中, 经过 5 s 滤波后作为一次风压力控制的被调量。一次风压力的设定值是磨煤机运行台数的函数并经过 7 12 kPa 的限幅后自动设定, 可由操作员手动设偏置, 设定值如表 3.1 所示。表3.1.1 不同工况下的一

17、次风压力设定磨煤机运行数/ 台03456压力设定值 /kPa888.599正常运行时, 一次风压设定值变化率为 0. 1kPa/s; 当发生一次风机 RB 或手动停磨时, 一次风压力设 定值变 化率为 0. 05 kPa/ s 。当 发生送、引风机和给水泵 RB 时, 延时 40 s 后发时长20 s 的脉冲, 自动将一次风偏置暂时切换为 0。3.2磨跳闸工况前馈设计主控回路设计了前馈功能, 当磨煤机跳闸( 一次风机 RB 除外) 时, 一次风指令快减的超驰回路和一次风机 RB 时的指令正向叠加。磨煤机跳闸时, 指令快减的前馈量根据磨煤机跳闸台数确定如表 3.2 所示。磨煤机跳闸的前馈磨煤机跳

18、闸数 /台1 2 3前馈量 /%-9-14-17当压力控制偏差超过 0. 1 kPa 时, 控制偏差的函数也作用于主控 PID 的前馈, 使一次风压力控制更加灵敏, 防止动态指标超调。控制偏差的前馈函数如表 3.3 所示。表3.2.2 一次风压力控制偏差的前馈控制偏差 /kPa -1-0.5 -0.1 0.1 0.5 1前馈量/ % -4-2 0 02 43.3防失速的平衡回路设计系统设计了 2 台一次风机均自动情况下, 由电流平衡回路来匹配风机出力的功能, 超过死区范围时可以通过平衡回路在一定范围内相应增减风机的动叶开度, 保证 2 台风机出力基本一致,避免发生风机失速。设计还对平衡力度作了

19、限制, 并且当 2 台风机都不在自动或电流信号坏值时, 平衡回路自动切除。当 2 台风机电流偏差过大时, 判定电流小的风机失速, 将该风机动叶撤出自动, 并在当前基础上将动叶关小 5% , 偏差设定为 20 A2 台风机都手动情况下, 风机主控跟踪 A/ B两侧风机指令的平均值。主控调节器的比例带根据一次风机的运行台数进行自动调整。2 台风机都运行时, 主控输出上限 90% 。当喘振闭锁功能检测到一次风机可能发生喘振时, 闭锁一次风机入口挡板指令的增加, 以避免一次风机出现喘振。4 控制策略的设计4.1一次风压概论一次风压指空预器后热一次风母管压力。而一次风压调节是指通过控制系统的控制作用保持

20、一次风压的稳定。其风压设定值为“锅炉负荷的函数+运行人员的偏置”，并且有上下限值。一次风压调节的必要性：在电厂燃煤机组中，一次风是锅炉的燃料输送系统的主要动力来源。一次风压的高低直接影响煤粉的喷射，轻则火焰燃烧不稳，重则引起炉膛灭火甚至炉膛爆炸。一次风机都要保证一次风母管风压的大致恒定，不然磨内存粉会因一次风压不稳而忽多忽少，炉膛负压、主汽压力等关键参数频繁波动。同时一次风压能影响炉膛效率和燃烧的安全性。因此一次风压调节是燃烧过程的任务之一。一次风压力受到的主要扰动来源磨煤机热风挡板开度扰动（外扰）下风压调节对象的动态特性：由于煤粉干燥度的变化及锅炉负荷的变化使得挡板开度变化，当开度增大时，风

21、流量增大，一次风压减小。控制策略设计：为了实现无静差控制以及快速控制，设计单回路前馈加反馈控制系统。在该系统中，控制量为风机入口调节挡板位置，被控制量为一次风压力。将磨煤机热风挡板位置扰动作为前馈引入系统。该方案简单，能快速响应磨煤机挡板位置扰动并且能维持风压的稳定，但是有节流损失，并且该方案对风门的调节特性以及气压的测量稳定性有比较高的要求。4.2系统的结构框图如下： 压力变送器调节器K一次风母管位置变送器管道一次风挡板 图4.2系统机构框图4.3系统SAMA图图4.3为系统SAMA图，详见附录一。4.4设计方案图为一次风压力控制系统图（见附录二）一次风压力控制系统的被调量是进入炉膛的一次风

22、母管压力，测量装置采用双变送器，主、副变送器的切换由转换器T实现。主、副变送器的信号同时送到时偏差器，当某一只变送器有故障超过允许值时，将发出报警信号，提醒运行人员要及时进行检查与修理。一次风母管压力的给定值即控制器PID的给定值是代表锅炉负荷或内扰变化的煤量信号（给煤机转速）经函数器1(x)转换后的指令，1(x)的输出还要经过大值选择器后再作用到控制器PID。大值选择器的作用是保证一次风压力不低于压力6.5kPa，如果一次风压力的测量值与给定值的偏差超过0.3 kPa，将发出报警信号。 主控制器PID的输出作为积分器的给定值指令，积分器的反馈信号是两台一次风机（一次风机A和B）节距信号（代表

23、风量）之和。在正常情况下，积分器的输出经切换开关T2改变一次风机动叶节距，来改变风机的风量，保证一次风压力为要求的给值。一次风机动叶节距也受逻辑信号闭锁一次风叶开/关动叶节距和开/关一次风机动叶的影响。控制器PID输出的控制信号是开大或关小一次风机动叶节距是通过PTC来控制的。当控制信号大于一次风机动叶节距ZT反馈的信号时，控制信号选通左端，输出开大挡板的信号。反之，选通右端，输出关小挡板的信号。切换开关是用来实现自动手动方式切换，当置一次风压力控制手动信号作用时，选通手动操作信号发生器。小值选择器输入的比较信号是积分器的输出和补偿后总一次风量经函数器2(x)转换后的一次风机动叶节距开度。它的

24、作用是限制过分地要求开大一次风压。总一次风量由进入各台磨煤机的一次风量相加得到。各台磨煤机的一次风量在磨煤机的入口处测量，并用磨煤机入口的一次风温进行补偿。各台补偿后的磨煤机一次风量相加称为补偿后总一次风量。如图所示是补偿后总一次风量（见附录三）。4.5系统测点如表4.1表4.1 系统测点序号类型测点名称信号类型单位变量名称 1AI一次风压力测量信号420mAKPaFENGPRESS 2AI磨煤机热风挡板位置测量信号420mA%HOTPOSITION 3AO 一次风入口挡板位置指令信号420mA%YICIPOSITION4AI一次风挡板位置反馈信号420mA%YICIFEEDBACK 5、60

25、0MW火电机组DCS系统设计DCS系统配置应能满足机组任何工况下的监控要求(包括紧急故障处理)，CPU负荷率应控制在设计指标之内并留有裕度；所有站的CPU负荷率在恶劣工况下不得超过60，所有计算站、数据管理站、操作员站、历史站等的CPU负荷率在恶劣工况下不得超过40；控制站、操作员站、计算站、数据管理站、历史站或服务器脱网、离线、死机，在其它操作员监视器上应设有醒目的报警功能，或在控制室内设有独立于DCS系统之外的声光报警；DCS应采用合适的冗余配置和直至卡件的自诊断功能，使其具有高度的可靠性，系统的任何一个组件发生故障均不影响整个系统工作。DCS系统应易于组态、易于实用和易于扩展；系统的报警

26、、监视和自诊断功能应高度集中在CRT上，控制功能应尽可能在功能和物理上进行分散；主要控制器应采用冗余配置，重要I/O点应考虑采用非同一板件的冗余配置；系统设计应采用各种抗噪声技术、包括光电隔离、高共模抑制比以及合理的接地和屏蔽；分配控制回路和I/O信号时，应使一个控制器或一块I/O板件损坏时对机组的安全运行的影响尽可能小。I/O板件及其电源故障时，应使I/O处于对系统安全的状态，不出现误动；电子设备机柜的外壳防护等级应满足有关标准的规定；机柜内的模件应能带电插拔，而不影响其它模件的正常运行。DCS设计完成后能保证以下安全原则:单一故障不应引起DCS系统的整体故障。单一故障不应引起锅炉或汽机/发

27、电机保护系统的误动作或拒动作。控制功能的分组划分应使某个区域的故障将只是部分降低整个控制系统的控制功能，此类控制功能的降低应能通过运行人员干预进行处理。控制系统的构成应能反映电厂设备的冗余配置，以使控制系统内单一故障不会导致运行设备与备用设备同时不能运行。整个DCS的可利用率至少为99.98%。当DCS系统通讯发生故障或运行操作员站和LCD全部故障时，应能确保安全停机，当控制器单元发生故障时，应能保证稳定负荷下安全停机。5.1 电源部分系统电源应设计有可靠的后备手段(如采用UPS电源)，备用电源的切换时间应小于5ms(应保证控制器不能初始化)，同时，系统电源故障应在控制室内设有独立于DCS之外

28、的声光报警；有条件的机组，DCS应采用隔离变压器供电。系统应设计双回路供电，其中一路电源要采用UPS供电，并应进行定期切换试验；UPS电源应能保证连续供电30min，以确保安全停机、停炉的需要；采用直流供电方式的重要I/O板件，其直流电源应采用冗余配置。5.2 通信部分主系统及主系统连接的所有相关系统(包括专用装置)的通讯负荷率设计必须控制在合理的范围(保证在高负荷运行时不出现“瓶颈”现象)之内，其接口设备(板件)应稳定可靠：连接到系统数据高速公路上的任一系统或设备发生故障都不应导致通讯系统瘫痪或影响其它联网和系统和设备的工作；通信总线应有冗余设置，冗余的数据高速公路在任何时候都能同时工作，通

29、信负荷率在繁忙工况下不得超过30，对于以太网则不得超过30；通讯高速公路的故障不应引起机组跳闸或使DPU(分散处理单元)不能工作；当数据通信系统发生某个通讯错误时，系统应能自动采取某种安全措施如切除故障的设备或切换到冗余装置等；系统应能在电子噪声、射频干扰和振动都很大的现场环境中连续运行而不降低系统性能。5.3 系统接地DCS的系统接地必须严格遵守技术要求，所有进入DCS系统控制信号的电缆必须采用质量合格的屏蔽电缆，且有良好的单端接地；DCS系统与电力系统共用一个接地网时，控制系统接地线与电气接地网只允许有一个连接点，且接地电阻应小于0.5；重点处理好两种接地：保护地(CG)和屏蔽地(AG)。

30、保护地接至电厂电气专业接地网，接地电阻小于2；屏蔽地当电厂电气专业接地网接地电阻不大于0.5，直接接入电厂电气专业接地网；当电气专业接地网接地电阻较大时，独立设置接地系统，接地电阻不大于2；屏蔽地接地点应远离电厂大电流设备，如给水泵、磨煤机等，距离应大于10m以上；模拟量信号(模入、模出，特别是低电平的模入信号，如热电偶、热电阻信号等)最好采用屏蔽双绞线电缆连接，且有良好的单端接地。5.4 软件部分整个系统应该采用统一的组态技术和方法，操作系统应选用适用于工业控制要求的稳定的系统，应用软件的安全性和稳定性应能完全胜任工业控制；所有算法和系统整定参数应驻存在各处理模件的非易失性存储器内，执行时无

31、须重新装载；系统应留有后继开发应用软件的方式；在工程师站上应能对系统组态进行修改，不论该系统在线或离线，均能对系统组态进行修改。增加或改变系统中的一部分内容应不必重新编译整个系统的程序。在编程或修改完成之后，系统组态程序应能通过数据高速公路装入到各有关处理模件而不影响系统的正常运行；所有程控逻辑的修改都在系统内完成，而无需使用外部硬接线、专用开关或其它替代物作为逻辑的组态输入；应提供方便查阅历史数据的工具软件；应设计有对报警历史、操作员操作历史的记录和查阅程度包；应提供对事故顺序记录的主录和查阅程序包；系统应有对生产过程数据的记录和查阅功能，对于一般过程点应能精确到一秒，重要事件应能记录到毫秒

32、级。系统应有完善的在线诊断和离线诊断能力，查找故障的自诊断功能应至少诊断至模件级故障，报警功能应能使使用人员方便地辨别和解决各种问题。6、系统组态根据设计要求，组态部分可以用一个PIDloop 来实现，具体步骤如下：6.1设计一个PIDloop1. 插入ControlBasicLib 到项目树。右击CBM 里的Library 并选InsertLibrary。添加完毕后，进入Applications程序部分，右击Connected library,选择连接库文件，在下拉框中选择连接ControlBasicLib-1.0-11.lbr。2. 进行策略程序部分设计，选择Applications，在P

33、rograms中有三个选项，fast、normal和slow，本次测试选用normal正常速度。打开后的画面如下图所示，name部分为变量名，data type中填写变量数据类型，description中填写变量的注释。创建一个TAB,以功能块的方式插入此项PID。然后插入一个PID loop。3. 模块上有多条引脚，可以连接变量表中的变量，根据需要进行连接，但是有些引脚是必须连接变量的，如PID模块中的Pv，Out,和InteractionPar三个引脚。如果空置，在编译的时候就会报错，无法完成控制任务。连接以下参数：Name, Sp, Pv, Out 和InteractionPar。6.2添加I/O模件I/O模块的添加是在ModuleBus下添加的，选择添加单元Insert Unit，按照实际DCS