锅炉控制系统的DCS优化分析_薛文彬.pdf

201917 科研开发 112Modern Chemical Research 当代化工研究 锅炉控制系统的DCS优化分析 ＊薛文彬1 刘昊城2 曹皓崴2 （1.辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司 辽宁 123000 2.辽宁工程技术大学机械工程学院 辽宁 123000） 摘要通过DCS系统对模糊PID控制器进行组态改进使其输出更佳的控制过程。在对原有锅炉控制系统分析的基础上，提出对其控制系统 改造的控制方案；并在本次研究中加入了新的控制算法，将模糊PID控制算法与PID控制及温度控制相结合，运用到锅炉相关控制上，对其 进行仿真并对比分析；以此得到更佳的控制效果，并通过仿真与传统PID相比较，得出模糊PID控制的优越性能。 关键词功能实现；DCS集散控制系统；模糊PID控制；优化分析 中图分类号T 文献标识码A DCS Optimization Analysis of Boiler Control System Xue Wenbin1, Liu Haocheng2, Cao Haowei2 1.Liaoning Datang International Fuxin Coal to Natural Gas Co., Ltd., Liaoning, 123000 2.Liaoning University of Engineering and TechnologySchool of Mechanical Engineering, Liaoning, 123000 AbsrtactThrough the DCS system to improve the configuration of the fuzzy PID controller to make its output better control process. Based on the analysis of the original boiler control system, this paper puts forward the control scheme for the transation of its control system； and in this study, a new control algorithm is added, which combines the fuzzy PID control algorithm with PID control and temperature control, applies it to the boiler related control, simulates it and makes a comparative analysis at the same time； in order to achieve a better control effect, and further Compared with the traditional PID control by simulation, the superiority of fuzzy PID control is obtained. Key wordsfunction realization；DCS distributed control system；fuzzy PID control；optimization analysis 引言 目前，我国锅炉的控制系统均采用集散式控制系统 DCS系统，它具有非常多的优点，可以对锅炉进行集中监 控，也为锅炉的安全生产和经济效益带来了非常积极的影 响。因此，对于锅炉来说DCS系统的设计是至关重要的。 1.锅炉DCS控制系统的硬件特点及可靠性设计 1锅炉DCS系统硬件的特点 2号锅炉DCS分布式控制系统除具备传统DCS系统的基本 性能外，还具备以下特点。 ①可靠性高 系统采用“无主”设计，既没有主机和通讯管理器， 系统内各站同等级。这使得发生任何故障都只会波及到自身 有限范围而不会导致系统瘫痪；系统内的任何部件都有明确 的标准设计生产，特别在选件、老化、测试、调试等生产环 节，增加了针对电力系统质量要求的工艺和质检要求，保证 了系统的可靠性。 ②通用性及扩充性提高 A.操作站和工程师站硬件均选用通用性、兼容性及先进 性更高的产品，更新换代容易。 B.DCS的系统软件在国际知名软件平台上开发的OPU、 ENG、DPU等应用软件与其他计算机公司的软件兼容，可以更 加方便的借鉴其他软件，促进软件升级。 C.DCS系统容易互连，方便构成厂级实时监控信息系统 （SIS）[1]。 ③先进的组态软件和强有力的控制手段 为用户提供全方面的工程组态软件，各组态功能只需 在窗口中通过简单基本操作即可完成。提供传统PID、模糊 自寻优、模糊PID控制、模糊控制等各种控制策略，满足具 有大延迟、非线性、控制参数耦合强复杂系统自动控制的要 求。 ④完善的自诊断和事故追忆功能 I/O模件采用智能化设计，实现状态检测及故障诊断等 功能。系统以CRT画面形式提供自诊断信息。通过提供的信 息，用户可对故障位置进行及时、准确的定位，同时将维修 时间减小到最小，计算机储存的大量信息可为事故分析提供 可靠数据。 ⑤系统开放性强 系统网络采用Ethernet网，该网络通信速率为100Mbps/ 1000Mbps，遵循IEEE 802.3协议。系统网络可直接连接在其 他Ethernet网通信系统，也可通过网关接入厂级信息管理系 统（MIS）[2]。 2锅炉DCS系统硬件的可靠性设计 ①I/O模件 提高I/O模件的可靠性是提高整个DCS系统可靠性指标的 主要途径，为此，在2号锅炉DCS分布式控制系统中加入远程 智能数据采集模件。采集模件采用电气隔离技术，使采集模 件、网络通信线和过程控制站相互之间完全电气隔离，从而 彻底避免了多I/O共地可能引起的地线回流所带来的电磁干 扰。 每个模件与网络在电磁上相互隔离，当单一采集模件故 障时，运行人员可带电更换，迅速排除故障，使整个DCS系 统的可靠性大为增强。 ②控制和操作用计算机 操作员站（OPU）、工程师站ENG采用当前市场最主流 ChaoXing 201917 科研开发113 Modern Chemical Research 当代化工研究 的计算机。过程控制站（DPU）则采用工业化设计的产品， 具有工业级品质。 ③网络可靠性设计 现场总线层网络采用总线型拓扑结构，I/O模件和过程 控制站都通过各自的通讯接口连接到通讯网络上。网络和各 采集模件、主机之间在电气上是完全隔离的，可有效避免网 络上各种电路间的相互干扰，网络的平均故障间隔时间MTBF 可达120000小时。 局域控制层和系统管理层网络选用国际上通用的Ethe- rnet网，通信速率为100/1000Mbps，管理层网络可直接与其 它Ethernet网络连接。 2.基于模糊PID控制的锅炉控制系统的仿真及分析 1温度控制系统的仿真 根据采集数据，供水温度最高为70℃，最低为63℃，回 水温度最高为65℃，最低为57℃。根据温度控制模型数学参 数取K的值为1.2，T的值为150、τ的值为30，则控制对象的 数学模型为公式（1）。 （1） 2温度控制系统仿真结果分析 运用MatLab中的Simulink将PID和模糊PID的模型放在一 起对比，图1为仿真图 图1 PID和模糊PID的温度调节仿真图 Fig.1 The simulation diagram of PID and fuzzy PID temperature regulation 通过对比两种控制方案的仿真曲线得出常规PID控制 系统的超调量较大，为16.9，控制系统上升时间为480s， 其调整时间达到1149s；模糊PID控制系统的超调量微小，它 的上升时间为500s，调整时间也只有930.4s；通过对仿真曲 线得出的以上数据进一步分析可以得出相对稳定性上模糊 自适应PID控制更具优势。 通常情况下，工业生产中的生产环境非常恶劣复杂，控 制系统会不断受到干扰。为了验证对于温度系统所提出的两 种控制方案在外界干扰情况下的抗干扰能力，对其施加赋值 为1的方波来模拟外界干扰，然后对其进行仿真[3]，结果如 图2所示。 从仿真曲线可以看出，常规PID控制的超调量为16.9， 调节时间约为1149s；模糊PID控制的超调量约为13.1，调 节时间约为930.4s。在1500.3s时，突加幅值为10阶跃扰 动，可以得出，模糊PID控制相比常规PID控制系统在超调量 和调节时间及抗干扰性能上都要占一定优势。 图2 PID和模糊PID的温度调节仿真图 Fig.2 The simulation diagram of PID and fuzzy PID temperature regulation 3.锅炉DCS控制系统的软件选择及设计 1上位机软件的选择 2号锅炉有三台操作员站（OPU1、OPU2、OPU3），三台 操作员站功能相同。运行人员可通过操作员站（OPU）对锅 炉进行监视、控制及查看有关历史信息。2号锅炉DCS系统所 有文字信息均采用汉字显示。 2上位机监控画面的设计 ①操作界面的功能 A.操作界面的功能控制、调整、监视各运行设备的状 态、参数。 B.汽水操作界面汽水系统三（或二）个给水调节门的 操作及有关参数监视。 C.汽温操作界面四（或三）个减温水调节门的操作及 有关参数监视。 D.烟风操作界面送引风调节门的操作及有关参数监 视。 E.燃烧操作界面给粉机的启、停、调节，给粉电源操 作及参数监视。 F.制粉操作界面制粉系统的所有操作及参数监视。 ②工艺界面的功能 A.工艺界面的功能按照工艺流程控制、调整、监视各 运行设备的状态、参数。 B.汽水工艺界面汽水系统的工艺流程图、相关参数的 监视及阀门的操作。 C.烟风工艺界面送风系统的工艺流程图及相应设备参 数监视、调整；也可进行引风调整（8个火焰监视均可在此 界面中显示）。 D.汽温工艺界面给水、减温系统的工艺流程图、相关 参数的监视及调节。 E.实时累积功能在汽温工艺画面中，有2个实时累积 器，实时累积主汽流量和给水流量，自动累加，直到工程师 设定上限数值后，自动清零再累加。 F.制粉工艺界面制粉系统的工艺流程图、相关参数的 监视及设备的操作、调整。 G.燃烧工艺界面燃烧系统的工艺流程图及相应设备参 数监视、调整。 H.油系工艺界面包括燃油快关阀、润滑油泵等辅助系 ChaoXing 201917 科研开发 114Modern Chemical Research 当代化工研究 统的工艺流程图、相关设备参数的监视及操作。 ③其他界面的功能 A.挂牌设定表集中显示锅炉所有动力设备的“挂牌” 状态，可进行设备检修“挂牌”（即禁止操作）、设备正 常“运行”（即可正常运行）。动力设备挂牌后，相应操 作器上的控制键消失，出现红色的“禁止操作”。 B.挂、摘牌操作点击“挂牌标志”按钮打开“锅炉动 力设备挂牌设定表”，选择所要挂牌或摘牌的设备，单击对 应的“挂牌”或“运行”，已挂牌的“挂牌”为红色，未挂 牌的“运行”为绿色。 C.系统结构图显示锅炉DCS系统的结构示意图。实时 监测各主要设备运行状态。在该工作面中，DPU工作、备用 和故障三种状态分别用绿、黑和红三种不同颜色来表示；而 对于I/O模块工作状态，当工作正常时将显示绿色（备用正 常时将显示黑色），不正常时将显示红色错误代码。 网络断线诊断功能在系统结构图中，所有OPU和DPU的 连线以及HUB都有工作和故障状态，分别用绿（黄）和红颜 色来表示。 运行参数表按照I/O模块序号集中列表显示锅炉的实 时参数。 报警一览图显示锅炉设备运行参数的实时报警记录。 报警一览图画面上半部分为模拟报警光子牌，设备参数 异常时粉红色闪烁，确认报警后底色变为红色，设备参数正 常后，底色为变灰色。 报警一览图画面下半部分的每一行对应一个报警信息， 从左至右分别为报警日期、报警起始时间、节点名、报警说 明、报警当前状态或当前值。 在任意画面的右下方，有一“小窗口”，显示4条报警 信息，单击此窗口即可弹出20条“大窗口”。 报警一览图画面顶部有一个“报警和事件历史查询” 按钮，单击此按钮即可弹出“报警和事件查询日期选择”子 图，选择日期后单击“Enter”按钮即可查询“报警和事件 历史”。查询完毕后单击“Done”退出。系统自动保留“报 警和事件历史”三十天。 报警确认在“报警一览图”或者“报警小窗口” “报警大窗口”中点击“报警确认”按钮，在本报警窗口 显示的报警均得到确认，同时其他OPU当前画面“报警小窗 口”显示的报警均得到确认。只有当任意一台OPU的“报警 一览图”中未确认报警数为0时，报警音响才解除，并且再 有新报警发生时自动启动报警音响。 4.结论 通过现场调研、勘察，对铁煤集团热电厂2号锅炉进行 现场调研和现场取样，取得第一手现场资料，并进行文献检 索，查阅有关资料，积极开展了DCS系统改造方案的研究工 作。提出现场安装技术条件，特别是提出行之有效的质量保 证体系，确定控制点，参与现场生产工作。完成了2号锅炉 DCS改造的软件安装及画面组态、配置设置、实时数据库组 态、历史数据采集、画面组态及显示组态、控制回路组态、 顺序控制组态以及报表功能。对锅炉的给水控制回路、减温 水控制回路、吸风控制回路、送风控制回路、给粉控制回 路、磨煤机控制、排粉机控制以及控制模式选择等相关内容 进行了DCS改造，并设定了DCS改造所需要的操作员站位置、 工程师站位置、过程控制站位置、现场数据采集站位置，以 及配套所需的控制面板现场就地安装位置，并且保证了现场 网络通讯畅通。改造取消了2号锅炉原有的立盘仪表盘，相 应的数据和操作器进DCS系统显示和操作；取消原有3个操作 台，相应电气操作把手等进DCS系统操作和监视；部分仪表 就地监视，其输出信号进DCS系统显示；在就地布置I/O站， 将部分测点直接进就地控制站。做到锅炉系统的DCS自动控 制。2号锅炉经DCS优化后，基本实现了炉况稳定条件下的自 动控制。取得了显著效果 1安全效益 2号锅炉DCS系统经过改进后达到了预期的技术指标。 2社会效益 ①保证生产稳定，提高供暖质量； ②改善控制室拥挤不堪的局面，使控制室布置简洁明 了，给运行人员营造了一个非常轻松工作环境。 3经济效益 每年可增收节资65万元。 ①节约维护资金通过系统改造，取消常规仪表及电气 的操作把手及按钮等，代之以高精度高可靠性的DCS系统硬 件，一年下来两台炉就可节约维护费用约15万元。 ②提高机组运行的自动化水平和系统稳定性，使效率提 高约0.25，年增加发电量45万度，直接效益15万元。 ③提高了参数质量，保证了参数精度，为运行的决策提 供可靠依据。根据历年机组停运情况汇总，每年可减少故障 停炉2.5次，减少因故障停炉而带来的经济损失25万元。 ④节约人力成本，每台炉可减少操作人员1名，合计可 减2人，每年可节约成本约10万元。 【参考文献】 [1]陈夕松.过程控制系统[M].北京科学出版社,2005,7211- 314. [2]艾红.参数自寻优模糊控制技术在锅炉效率方面的研究意 义.哈尔滨理工大学硕士论文,2002. [3]陈公凯.电站锅炉燃烧自动系统协调优化控制策略的研 究.山东大学硕士论文,2009. 【作者简介】 薛文彬（1989-），男，汉，辽宁阜新人，工程师，辽宁大唐 国际阜新煤制天然气有限责任公司；研究方向机械设计制造及其 自动化。 【通讯作者】 刘昊城（1999-），男，汉，黑龙江省七台河市人，本科学 生，辽宁工程技术大学；研究方向机械设计制造及其自动化。 ChaoXing