基于中控ECS―700系统的动力站软件系统的设计

摘 要：文章简要概述了控制系统组态及组态软件VisualField。在此基础上，分析了锅炉汽包水位控制、蒸汽压力控制、燃烧控制、炉膛负压控制等模拟量控制系统。

关键词：锅炉控制系统；中控ECS-700；DCS

1 概述

1.1 控制技术及DCS技术简介

随着自动化技术的飞速发展，在石化、电力、冶金等连续过程工业中，自动化装置已成为决定企业生产效益的核心。过程控制技术已经成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。由于工业过程本身的特点和各类扰动导致的不确定性，使得过程控制十分复杂。同时由于工业技术的发展和生产工艺的提高，人们对工业过程的要求也随之提高。

1.2 锅炉设备特点及控制发展历程

目前在国内主流采用了DCS、FCS等先进的控制技术。日益显著的能源问题和不断扩大的生产规模迫使锅炉控制技术进行变革。工业锅炉具备非线性、多输入输出、内部关联强、随机扰动频繁等特征，且具有明显的时间滞后特性[1]。20世纪50年代为锅炉控制的纯手动控制阶段，整个系统的运作完全是锅炉操作人员凭借生产实践经验通过手动操作来完成的。锅炉控制系统使用经典控制理论，研究系统多为单输入和单输出的线性定常系统，研究方法主要有传递函数、频率特性分析、根轨迹法等[2]。60至70年代，工业控制中开始出现以现场仪表和传感器等构成的控制系统，该系统成本低，易维护，可靠性高，可以适应工业生产设备的日益大型化与连续化需要，在工业控制中得到了广泛应用。但锅炉控制系统绝大多数仍被当作单输入单输出系统，并采用经典控制理论的方法进行控制。由于单元组合仪表存在低精度和低可靠性的特点，因此只能采用简单的控制算法和技术。70年代后，单片机、PLC和工控机在工业生产过程中得到了广泛应用，计算机控制系统可以提高控制精度和运算速度，并且具有较强的记忆功能，能够进行分时操作、逻辑判断[3]。控制理论发展为现代控制理论，从线性定常系统扩展为非线性时变系统，现代控制理论可以解决多输入多输出（MIMO）问题，为生产实际中遇到的一些复杂问题提供了解决方法。21世纪以来，为锅炉自动化控制系统的集成化管理、网络化监控和远程控制的智能控制阶段，当环境或过程参数改变时，系统可以及时做出判断，并且选择最优的控制决策。较好的锅炉控制理论包括传统PID控制，智能控制理论 （如模糊控制系统、专家控制系统和神经网络控制系统等），以及与传统控制方式相结合的控制策略[4]。智能控制阶段，解决了传统控制算法无法解决的问题，具有满意的应用效果和广阔的应用前景。

1.3 锅炉装置控制目标

安全、稳定、准确、经济是工业过程控制追求的目标。锅炉控制系统的主要目标是确保产生蒸汽的温度、压力等参数满足负荷需求，同时维持炉膛负压和汽包水位的稳定性以保证安全运行，此外要使燃烧充分，以提高生产率、防止环境污染。

1.3.1 保持汽包水位范围

水位影响汽水分离的速度及蒸汽质量，是锅炉装置安全生产的重要指标。水位过高会导致产生蒸汽带液现象，饱和水蒸气温度快速下降，使得管壁上的结垢增加，蒸汽质量降低，进一步影响锅炉经济和安全生产；水位过低会影响汽水循环，使汽包内的水量减少甚至全部汽化，可能会引发水冷壁管的破裂，导致干锅，损坏汽包，造成重大事故。

1.3.2 维持蒸汽压力在预定值

蒸汽压力是衡量蒸汽生产量与负荷消耗量平衡的指标。蒸汽压力降低，说明负荷蒸汽消耗量大于锅炉的生产量；蒸汽压力升高，说明负荷蒸汽消耗量小于锅炉的生产量。蒸汽压力过低或过高都不是理想状态。压力过高容易导致锅炉受损；压力过低则无法为负荷设备提供合格的蒸汽。

1.3.3 保持炉膛负压范围

炉膛负压衡量锅炉系统引风量与送风量的关系。炉膛负压太小，会导致炉膛内热烟气甚至火焰向外冒出，对设备和人员安全构成威胁；负压太大会使得炉膛吸入大量冷空气，增加热量损失。

1.3.4 维持过热蒸汽温度恒定

由于项目中的锅炉是与汽轮机配套使用的，过热蒸汽温度过高或过低都会影响汽轮机正常工作，一般要求过热蒸汽温度波动保持在±5℃之内。

1.3.5 维持锅炉燃烧的经济性

空燃比是用于衡量锅炉热效率的指标。空气过少会使燃烧不完全，降低燃烧效率；空气过多，会导致热量流失。因此，必须将空气和燃料比例控制在一个适当的范围，在使得燃料煤充分燃烧的基础上，又不造成过多的热损失，从而提高锅炉燃烧经济性。

从上述锅炉控制需求可以看出，锅炉控制系统的模拟量控制需包含给水控制系统、锅炉负荷控制系统、炉膛压力控制系统、过热蒸汽控制系统等。同时，依托于项目实际需求，系统设计过程中还需要考虑氧量控制、磨组控制、过热器喷水减温控制等。

根据锅炉装置控制要求与本厂实际生产需要，锅炉控制系统需包括人机接口、数据通讯系统、数据采集功能（DAS）、模拟量控制功能（MCS）、顺序控制功能（SCS）和锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）等部分。

2 软件设计

本项目DCS的组态应用VisualField（简称VF）系统软件，对汽包水位控制、蒸汽压力控制、炉膛负压控制等模拟量控制系统进行了组态设计，在ECS-700系统中完成系统组态和实时监控等功能。包括组态逻辑设计和人机画面设计两部分。

模拟量控制系统是DCS中重要的控制系统，平稳运行时需要控制参数在合理的数值范围内；发生扰动时也不能偏离给定值过大，需能实现正常的系统功能。模拟量控制系统在调节过程中要求实现控制的稳定性、快速性、准确性。本项目模拟量控制系统主要包括汽包水位控制、蒸汽压力控制、经济燃烧控制、炉膛负压控制等。

2.1 系统组态概述

系统组态指在工程师站上为控制系统设定各项软硬件参数。DCS具有通用性和复杂性，因此，系统的许多功能及匹配参数需据具体场合而定。图1为系统组态流程。

2.2 VisualField系统软件

本项目DCS的组态应用VisualField系统软件，针对系统的工艺要求，循序渐进地完成系统组态。VisualField（简称VF）系统软件基于Windows操作系统，是一个自动控制应用软件平台，在ECS-700系统中完成系统组态和实时监控等功能。在系统结构上支持控制分域和操作分域，支持多人组态，支持单域导入导出、单控制站导入导出、单控制站组态备份、支持在线调试和在线下载，支持多个数据库。VisualField软件包具有系统组态软件和系统监控软件。系统组态功能由系统组态软件、位号组态软件、组态管理软件、控制方案组态软件、监控组态软件共同完成。

2.3 锅炉汽包水位控制系统

由于只有保持锅炉汽包水位在一定的范围内，锅炉才能安全运行，因此，锅炉汽包水位是一个十分重要的被调量。锅炉汽包水位调节即通过使给水量和蒸发量维持一定关系，从而保证汽包水位在规定的范围内变化。

本项目汽包水位控制采用串级三冲量控制，即控制汽包水位、给水流量、蒸汽流量三个量来达到控制汽包内的水位的目的。工作原理如图2所示，控制系统框图如图3所示。该系统为前馈-串级控制，主回路为定位调节系统，副回路为随动调节系统。主调节器根据对象操作条件和负荷情况的变化随时校正副调节器的给定值，最终保持主参数恒定。其中，汽包水位是主变量，给水流量是副变量，蒸汽流量信号作为前馈信号。

2.4 锅炉蒸汽压力控制系统

锅炉汽包蒸汽压力可以衡量锅炉中能量的大小，只有当锅炉输入和输出的能量平衡时，压力才能保持稳定。燃料量、引风量、送风量、给水量、蒸汽流量以及各种使燃烧工况变化等等都会引起蒸汽压力变化。主要扰动包括燃料量的改变（称为内扰动）和蒸汽流量的改变（称为外扰动）。

2.4.1 燃料量改变时蒸汽压力变化的动态特性（内扰特性）

锅炉正常运行时，进入炉膛的燃料量发生变化几乎会立即引发炉膛发热量改变，近似为比例环节。蒸发部分类似于一个储热容器，汽包压力P用于衡量储热量多少。当蒸汽流量D所带走的热量和炉膛发热量Q不等时，汽包压力P就会发生变化。若用汽量D不变，燃料量改变产生内扰，此时蒸汽压力成积分规律变化；若用汽设备调节阀开度不变，则随着汽压P升高，蒸汽流量也将增加，此时蒸汽压力呈指数规律变化，当蒸汽流量带走的热量等于燃料量增加的热量时，蒸汽压力重新稳定于一个新的数值，系再次平衡。

2.4.2 蒸汽流量改变时蒸汽压力变化的动态特性（外扰特性）

蒸汽流量改变对蒸汽压力造成的扰动称为外扰，可以分两种情况，一是负荷设备的蒸汽阀门开度改变，二是负荷设备用汽量的突增或突减。

蒸汽调节阀开度突然开大，则蒸汽流量随之立即增加。但由于燃料量没有增加，因此蒸汽压力逐渐下降，从汽包中流出的蒸汽量也随之逐渐减少，最后蒸汽流量趋于恢复到原值。即平衡状态下，燃料量不变时锅炉供应的蒸汽流量也不变。

若蒸汽流量保持增大后的用量，由于燃料量没有增加，会导致热量不平衡，使蒸汽压力持续下降。此时，只有改变燃料量使产热和耗热相平衡，才能恢复保持锅炉的蒸汽压力。

炉膛温度比蒸汽压力超前很多，且惯性时间常数较小。因此，文章对蒸汽压力的控制采用串级控制系统，炉膛温度为副控参数、蒸汽压力为主控参数。炉膛温度模型近似为一个惯性环节和滞后环节的串联，而蒸汽压力模型近似为一个积分环节和滞后环节的串联。蒸汽压力控制系统结构如图4所示。

2.5 锅炉经济燃烧控制系统

锅炉燃烧控制要实现燃烧经济性，保证获得较高的燃烧效率，达到节能降耗的目的。燃烧的效率高低难以直接测量，烟气成分分析方法滞后时间较长，常用烟气中的含氧量作为表示指标，滞后时间较短[5]。确保最佳的风煤比是锅炉系统最重要的技术指标之一，是锅炉能否最佳燃烧的关键保证，风煤比过低会导致燃煤燃烧不完全，造成热量损失和环境污染；风煤比过高，会造成大量的热量损失在排放的烟气中。锅炉燃烧时的热量损失与过剩空气系数密切相关，如图5所示。为了能够保证充分燃烧，同时防止风量过大引起的热损失，采用双交叉限幅，使锅炉符合一定的升温曲线。双交叉控制系统如图6所示。

2.6 锅炉炉膛负压控制系统

炉膛负压通过改变引风量和送风量进行调节，在改变送风调节阀和引风调节阀的开度后，这两个被控量立即改变，其动态特性可看作是一个惯性环节和一个纯滞后时间很小的滞后环节的串联。炉膛负压回路的扰动是鼓风的扰动，其结构如图7所示。

参考文献

[1]田野.基于西门子S7-200锅炉燃烧控制系统的设计与开发[D].东北大学，2008.

[2]王善武.中国工业锅炉行业现状分析及前景展望[J].工业锅炉， 2004（1）：1-9.

[3]蔡凌，等.锅炉控制系统中PLC和单片机通信设计[J].仪器仪表学报，2008（z1）：696-697.

[4]潘祥亮，罗利文.模糊PID控制在工业锅炉控制系统中的应用[J]. 工业炉，2004，26（3）：38-40.

[5]Mahony B， Millerchip C， Hayes I. A boiler control system： Overview of a case-study in timed refinement[C]. Software Safety： Everybody's Business| Proc. 1993 International Workshop on Design and Review of Software Controlled Safety-Related Systems，1994：189-208.