基于和利時MACS的鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統

劉 勇，虎恩典，雷 婷

LIU Yong1, HU En-dian1, LEI Ting2

（1.北方民族大學 電氣信息工程學院，銀川 750021；2.寧夏大學 機械工程學院，銀川 750021）

0 引言

隨著工業技術快速發展，對工業生產的智能化、分布式控制、集中式管理以及可靠性等要求不斷的提高，DSC系統得到了廣泛的應用，尤其是電力、石化、石油等行業。DCS系統是集散型控制系統，也稱分布式控制系統，它主要以4C技術為基礎，即計算機-Computer、控制-Control、通信-Communication、CRT顯示技術。它將現場控制站、控制中心的操作員站及工程師站等通過網絡連接起來，實現對現場設備的分散控制和集中操作管理。該系統優化了能源利用，提高了自動化程度及安全性與可靠性，提高勞動生產效率。因此，寧夏某4×300MW電廠對#4機組鍋爐控制系統進行升級改造時采用了該系統，選用北京和利時MACS控制系統。

發電廠主要有三大系統，即燃燒系統、汽水循環系統和電氣系統[1]。在汽水循環系統中，過熱器是將飽和蒸汽加熱成具有一定溫度的過熱蒸汽，來提高蒸汽的焓值，以提高電廠熱力循環效率。過熱蒸汽溫度是整個汽水循環系統中工質的最高溫度，若溫度過高，容易燒壞過熱器，也會引起汽輪機高壓部分過熱；而溫度過低，則會影響全廠熱效率（一般溫度降低5℃～10℃，熱效率降低約1%[2]），引起汽輪機末級蒸汽濕度增加，甚至帶水，嚴重影響汽輪機安全運行。因此，在鍋爐運行中，必須嚴格控制過熱蒸汽溫度在給定值（該機組溫度540℃）附近，一般要求溫度的偏差不超過±5℃～±10℃，因此，對過熱蒸汽溫度的控制是非常重要的。

1 MACS控制系統及過熱器結構

1.1 MACS控制系統簡介

和利時MACS控制系統是利用以太網和現場總線技術的控制網絡，將各工程師站、操作員站、現場控制站、數據服務器連接而成的綜合自動化系統。系統硬件主要由監測控制層和現場控制層組成，監測控制層由工程師站、操作員站、通訊控制站、監控網絡等組成，該層主要對相關參數進行監測，將操作指令下傳到下層及實現工程設計等功能，現場控制層由主控單元和I/O單元等組成，這一層將現場采集到的數據進行運算處理，輸出相應的控制指令到執行器，并將需要的數據傳遞給監測控制層，接收上層來的指令。系統基本組成結構如圖1所示，各單元均采用冗余配置。

應用系統的開發需要通過工程師站組態軟件產生，該電廠選用和利時最新的開發應用平臺MACS V6.5.1，工程師組態軟件包括組態管理、其他組件和工具三部分，組態管理是工程師站的主要工具，由工程總控、圖形編輯器和Auto Think三個軟件組成，工程總控用來部署和管理整個系統，它集成了工程管理、數據庫編輯、用戶組態、報表和節點組態、編譯下裝等功能，工程管理器是面對域的，即一個工程對應著一個域。圖形編輯器生成在線操作的流程圖和界面模板。Auto Think是控制器算法組態軟件，它集成控制器算法的編輯、管理、仿真、在線調試以及硬件配置等功能，該軟件代替了集成的第三方軟件[5]，極大提高了系統軟件間的配合性和穩定性。整個工程建立的流程如圖2所示。4#機組共設立1個工程師站，8個操作員站，組建了31個現場控制站，共有18636個點。

圖2 組態流程

1.2 過熱器結構

鍋爐的過熱器一般采用低溫、屛式和高溫過熱器，或對這三種過熱器進行交替串聯布置的結構[6]，該300MW機組采用組合式過熱器，即低溫、屛式和高溫過熱器依次排布，屛式和高溫過熱器均為A、B兩側對稱分布，屛式過熱器位于爐膛頂部，以輻射熱為主，高溫過熱器位于爐膛出口水平煙道，以對流換熱為主，隨鍋爐負荷增加時出口蒸汽溫度上升。其結構如圖3所示。這種結構過熱器管道變長，主汽溫度的滯后和慣性大大增加，為了提高系統的控制品質，因此采用分段控制[7]，即在屏式過熱器和高溫過熱器入口分別安裝一、二級噴水減溫器，通過兩級噴水減溫調節，減小蒸汽溫度的延遲和慣性，防止溫度的急劇變化，確保機組安全可靠的運行。一級減溫控制屛式過熱器出口溫度，二級減溫控制高溫過熱器出口溫度，即主汽溫度。

圖3 過熱器結構

2 過熱蒸汽溫度控制系統分析及硬件設計

2.1 控制系統分析

由工藝結構可知，每級A、B側都是一個獨立的控制單元，第一級減溫是實現主蒸汽溫度的粗略控制，二級減溫實現主蒸汽溫度的精確控制。每一個單元采用的控制策略也是相同的，在此主要以二級減溫A側進行說明。在設計控制系統時，選擇延遲和慣性都小于過熱器出口溫度T2的減溫器出口處蒸汽溫度T1作為輔助被調量，稱為導前溫度信號，來提前反應調節效果，過熱器出口溫度T2作為主調量。先前的系統采用導前微分控制策略[11]，即引入減溫器出口蒸汽溫度的微分信號，作為調節器的前饋，該信號與主蒸汽溫度變化趨勢一致，過熱器出口溫度作為調節器的反饋信號，其控制框圖如圖4所示。GR(s)為調節器傳遞函數，GD(s)為微分器傳遞函數，KZ為執行器放大系數，KZ為噴水閥放大系數，G1(s)為導前區傳遞函數，G2(s)為惰性區傳遞函數。

圖4 導前微分控制框圖

實踐表明，該控制策略溫度能夠控制在540℃±10℃范圍內，調節的質量還有待于進一步提高。對圖4進行串級分析，得到等效的控制框圖[9]如圖5所示，從等效框圖可知，它相當于一個串級控制，設微分器和調節器的傳遞函數分別為，，進行串級等效后，主調節器傳遞函數為：，副調節器等效：，由此可知，主副調節器均采用PI調節，而實際的串級控制，為了提高副回路的快速性和加強校正作用，副回路采用P調節器或PD調節器，主回路采用PI調節器，所以導前微分控制系統的跟蹤性和校正作用不強。

圖5 導前微分控制等效框圖

系統延遲和慣性較大且外擾頻繁，要求實現較高的調節質量，因此選擇串級控制系統，控制目標是將溫度控制在±5℃內，串級控制系統有兩個調節器，減溫器出口溫度作為副回路的反饋量，主調節器的輸出為副調節器的給定值，過熱器出口溫度作為主回路的反饋量，控制框圖如圖6所示。副調節回路采用P或PD調節器，相當于一個隨動系統，當減溫器出口溫度、噴水壓力、蒸汽壓力發生改變或其它擾動引起減溫器出口溫度波動時，副調節器就能及時動作來調節噴水閥，維持過熱器入口溫度的穩定，當擾動發生在副回路之外，引起過熱器出口溫度偏離給定值時，主調節器輸出校正信號，通過副調節器回路去改變減溫水流量，使過熱蒸汽溫度恢復到給定值。

圖6 串級控制框圖

經過長時間現場試驗得到相關對象的傳遞函數如下所示：導前區傳遞函數：

惰性區傳遞函數：

根據上述兩種控制策略在MATLAB中建立仿真模型如圖7所示，圖中上半部分為串級控制，下半部分為導前微分控制。

串級控制系統中，主調節器采用PI控制，副調節器采用PD控制，經過參數整定，主調節器中，KP1=1.5，TI1=0.01，副調節器中，KP2=1.2，TI2=2；導前微分系統中，調節器KP=2.5，TI=0.2，微分器TD=5，在Simulink中仿真得響應曲線如圖8所示，其中圖8(a)為在蒸汽流量擾動作用下的響應曲線，圖8(b)為在煙氣流量擾動下的響應曲線。

圖7 參數整定后控制系統仿真模型

圖8 系統響應曲線圖

由響應曲線可知，串級控制系統的超調量明顯小于導前微分控制，調整時間明顯比導前微分控制要快，抗擾動性也優于導前微分控制。由此而得，采用串級控制策略的控制品質要優于導前微分。

2.2 控制系統硬件設計

二級減溫A測溫度控制系統屬于10號控制站，系統整體硬件結構如圖9所示，主控DPU選用SM203（虛線框內），主要完成對AO卡件的數據采集和運算并將控制量送到DO卡件，并和上位機之間進行實時通信。SM203主要配置為：采用嵌入式32位處理器，主頻400MHz，主、從冗余配置，雙DP通訊收發器，系統雙網冗余，10M以太網雙機數據交換，支持ProfiBus-DP,通過64針連接器與基籠底板相連，DP主站采用DSP與高速UART實現DP通訊，DSP與PC數據交換采用雙口RAM。SM203共有三個10M以太網，一個用于冗余雙機交換數據，其余兩個互為冗余用來與服務器交換數據。

圖9 主控單元原理圖

從以上分析可知，需要測得二級A側噴水器出口蒸汽溫度（過熱器入口溫度）T1和過熱器出口溫度T2，這兩路溫度采用E分度Ⅰ級熱電偶，將-40℃～800℃溫度轉化為-2.25mV～61.0mV的電壓信號送入AI卡件，第一通道采集減溫器出口溫度T1，第二通道采集過熱器出口溫度T2，AI卡件選用八路熱電偶輸入模塊SM472，它可對多種熱電偶毫伏電壓信號進行線性處理，采用冗余雙通訊收發器。每路通道將采集到的熱電偶信號進行濾波等一系列處理后，進入A/D轉換器，把模擬信號轉換成數字信號，通過現場總線ProfiBus-DP上傳至主控端元（SM203），其工作原理如圖10所示，接線圖如圖11所示。

圖10 SM472原理圖

圖11 溫度采集接線圖

主控制器將AI卡件送來的被測量經過運算輸出相應的控制量到DO卡件，DO卡件選用SM520-8CH八通道輸出模塊，每個通道都是冗余配置，接收到主控制器輸出的數字信號后經過光電隔離器、D/A轉換器、濾波、V-I電壓電流變換器，最后得到4mA～20mA的電流信號，該信號通過64針歐式連接器，將電流信號輸出到現場執行器，控制噴水調節閥開度，其中一路通道工作原理框圖如圖12所示。

圖12 SM520工作原理圖

3 過熱蒸汽溫度控制軟件設計

目前，在工業過程控制中，PID算法由于原理簡單、易于實現、魯棒性好、適用范圍廣等優點[8]，被廣泛應用，本設計中也采用了PID控制策略，過熱器出口溫度作為主調的過程值，主調節器的輸出作為副調節器的給定值，過熱器入口溫度作為副調節器的過程值，同時為了防止主調輸出的大幅度波動，因此對主調輸出設定了上下線限定，上下線是由輸出指令和過熱器入口溫度決定的，最終輸出的控制量經手操器送到噴水執行器調節閥，其流程SAMA圖如圖13所示。

主副調節器均采用MACS V集成的專用PID模塊，算法采用含有實際微分環節增量型算式計算，表達式為[13]：

圖13 控制系統流程圖

主調節器輸出的上下線是減溫水調節指令經過函數f3(x)、f4(x)運算后加上過熱器入口溫度形成的，其中：

x為減溫水調節閥指令。圖13中M/A為手操器，T為手操器手動或自動操作的切換開關，手操器TS為跟蹤開關，TM為強制手操開關，手操器可以實現三種工作方式，即自動方式、跟蹤方式和強制手動方式。

1)自動方式，當TS=0且TM=0時，手操器工作在自動方式，主副調節器正常投入。

2)跟蹤方式，當TS=1時，手操器工作在跟蹤方式，它跟蹤的是TP值，它動作的條件是來自RB指令或是MFT發報警信號，即TS=RB+MFT，手操進入跟蹤模式AV=TP=0，快速關閉噴水調節閥。

3)強制手動方式，當TM=1時，強制切手動方式，噴水閥開度由運行人員手動調節，f2(x)為溫度品質判斷函數，f1(x)為主汽溫度誤差限副函數，該模式提高了系統運行的安全性和可靠性，其條件為設定值與實際值偏差過大、過熱器入口溫度質量壞、主蒸汽流量過小等，判斷邏輯如圖14所示。

圖14 強制手動邏輯條件

在實際控制系統中，負荷變化、蒸汽流量等因素的擾動，可能引起系統輸出較大的偏差，經過積分項累積后，可能使控制量 μ（k ）＞μmax或μ（k ）＜μmin，超過執行機構所能決定的極限，出現積分飽和現象，這種現象會增加系統的調整時間和超調量，控制品質變差，為了防止這種情況的產生，采用積分分離[12]的方法消除飽和效應，即設置一個誤差門限值ε，當偏差大于該門限值時，積分項不起作用，只有誤差小于門限值時，才引入積分作用，消除靜差。

本公司對4號機組改造完成后，啟機并網，幾個月來系統運行穩定，過熱蒸汽溫度控制系統精度也得到了根本性的改善，溫度能控制在540℃±5℃范圍之內，提高工質的熱效應，節約能源。圖15為隨機截取的A側過熱蒸汽溫度運行趨勢圖，從圖A可知，過熱器出口溫度最小值535.358℃，最大值為542.697℃，平均值為538.364℃，由圖B可知，過熱器出口溫度最小值為538.882℃，最大值為542.309℃，對所有趨勢圖進行長時間監測發現平均溫度基本都在539℃±4℃范圍之內，運行非常平穩。

圖15 過熱蒸汽溫度運行趨勢圖

4 結論

通過對4#機組主蒸汽溫度控制系統控制策略的改造，并網運行六個多月，從現場運行趨勢及數據的分析來看，一方面實現了溫度精確的控制，提高了系統的抗干擾能力，穩定性與可靠性均有明顯的提高，系統整體的控制品質得到了改善，另一方面提高了工質的熱效率，提高了產能，降低了運行人員的勞動強度，為其他3臺機組的改造工程提供了寶貴的經驗。

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