摘 要: 介紹DCS系統在熱水鍋爐自動控制中的應用,針對實際調試中程序控制方面的一些問題,提出解決方案,并在實際運行中取得成效。
關鍵詞: 熱水鍋爐; DCS監控系統; 智能控制; 反量程處理
中圖分類號: TP273文獻標識碼: A文章編號: 1009-8631(2010)03-0092-03
一、概述
DCS集散控制系統是一種以微處理器為基礎的分散型綜合控制系統,它綜合了計算機技術、網絡通訊技術、自動控制技術、冗余及自診斷技術等多門類學科,目前已成為工業過程控制的主流系統。在新建熱水鍋爐房時,我們考慮并實施以DCS作為熱水鍋爐主要監視控制系統,輔以必要的獨立保護和控制裝置構成對整個鍋爐系統的監視控制系統,將水泵工作電流信號、備妥信號、運行中及運行否信號、故障信號、起停信號等送入DCS控制系統、并提供相關聯鎖及報警信號。在集中控制室內,運行人員以DCS的操作員站為主要監視和控制手段,輔以必要常規監控盤、DCS系統控制機柜、UPS電源柜及強電操作柜等。
二、DCS監控系統綜述
1. 硬件系統
該DCS系統是一個綜合的、集成的、標準化的過程控制和管理系統,網絡是冗余雙系統網絡;所有模擬量輸入I/O卡件采用全萬能輸入、單點隔離、全配電設計(現場變送器不需再另外配置DC24V電源)。
操作站具備不同級別的操作權限,操作權限由操作員密碼方式限定,操作權限由管理人員設定和修改。操作站可以運行組態軟件或用作工程師站的仿真終端,并配有工程師鍵盤使其能進入工程師組態環境,并可對網絡上的設備進行診斷和維護。如圖1
2. 監控系統軟件功能
監控系統軟件能完成實時數據監視、歷史曲線分析、歷史報表與實時報表生成、硬件檢測、數據修正、控制曲線分析、實時控制、自動聲光報替和報誓記錄分析等功能。
參數設置頁面:
在參數設置頁面中,設置了鍋爐出水溫度、二次水循環系統出水壓力和風煤比系數,并且可以顯示鍋爐設定出水溫度曲線、實際出水溫度曲線、實際回水溫度曲線、二次水循環系統設定出水壓力曲線和實際出水壓力曲線。另外還顯示實際鍋爐出水流量、爐膛溫度、爐膛負壓、鍋爐排煙溫度。
供暖系統運行流程頁面:
在該頁面中可以控制各個設備的運行,同時可以顯示供暖系統的整個運行流程畫面及各個設備的工作狀態畫面。當鍋爐點火后,該頁面上會出現鍋爐燃燒的畫面;當循環水泵、鼓風機、引風機和爐排電機運轉后,該頁面上會出現電機轉動的畫面;并且在畫面中的每個設備旁同時還顯示該設備的相關數據。
歷史曲線頁面
在歷史曲線頁面中可以顯示一定時間內的鍋爐出水溫度、出水壓力、出水流量、鍋爐回水溫度、爐膛溫度、爐膛負壓、鍋爐排煙溫度、二次循環水泵出水壓力等曲線。
3. 數據采集的運行情況
系統通過DCS實現現場溫度(熱電阻、熱電偶);壓力(壓變);給水流量、耗煤量、循環泵給水流量、電機運行參數采集顯示。同時系統并行安裝數顯儀實現對鍋爐進出口水壓、水溫及爐膛負壓的數據采集顯示。
現場測量參數,經計算機數據采集系統進行處理,通過流程畫面提供給運行人員,監視設備運行,同時又給控制系統提供調節依據。參數顯示方式有數字、曲線、棒狀圖、參數表及動畫等;顯示多樣、切換靈活、實時監測、動態變換。系統投入至今,檢測率始終保證在98%以上,數據轉換精度優于0.1%,軟、硬件故障率(儀表因素除外)為零,存盤記錄的準確率為100%。
4. 報警與聯鎖控制情況
本系統通過對鍋爐及對整個熱網內的各種設備運行工況實施監測,不但實現了鍋爐水、煤、電、熱等主要能源進行統計與分析功能。而且實現了以下連鎖報警功能。
(1)供熱系統補水定壓自動調節(由變頻裝置內置PID宏實現)(2)巡回檢測:對供熱系統的各種溫度、壓力、流量、熱量、轉速、以及各種設備的啟、停狀態進行采樣、巡檢、顯示、記錄、累計、報警和打印。(3)聯鎖:依次起動順序為循環水泵、重型板鏈、重型框鏈出渣機、爐排、引風機、鼓風機,停止時為反方向。(4)自動停爐:當鍋爐出水壓力低于0.4MPa或鍋爐出水溫度高于140℃時,自動依次停止爐排、鼓風機、引風機,為防止同時停止鼓、引風機引起爐膛正壓,應設停鼓風機時延時停引風機功能。(5)聲光報警;當鍋筒壓力低于0.6MPa、鍋爐出水溫度高于130℃時自動發出聲光報警信號。
在系統中我們考慮了分優先報警和一般報警,提醒運行人員注意,采取相應措施及時調整,報警方式有顏色、表格、記錄及聲光,主要報警還實時顯示在每幅操作畫面的報警區,以體現其參數的重要性。如果參數報警未能及時處理與糾正,計算機則自動發出啟動或停止相應運行設備的指令,從而保證正常生產,同時聯鎖內容通過CRT畫面顯示相關設備狀態,并提供手動方式的操作指導,以做到人工干預的優先。
三、鍋爐控制及調節中存在問題的解決方法
1. 鍋爐燃燒系統存在問題的解決
鍋爐的燃燒系統是一個多參數對象、多擾動,各參數交叉影響的系統。鏈條式鍋爐存在較大的不確定性、復雜性、不穩定性,以及較大的容量滯后和較長的滯后時間。因此,采用常規的PID調節很難達到控制要求,甚至無法投入自動運行。分析現有許多鍋爐自動控制系統和熱水鍋爐的運行情況,主要存在以下控制難點:
1.1 鏈條式熱水鍋爐從給煤量的變化到其燃燒產生的熱量,并使鍋爐出口水溫度發生變化需要較長的時間,即鍋爐出口水溫度純滯后時間長、容量滯后大,用簡單的PID控制很難獲得理想的效果。
1.2 煤質的變化,造成風-煤比的改變,采用一般的定值控制系統無法使系統始終運行在最佳或次最佳的燃燒狀態。
1.3 燃燒過程機理復雜,影響燃燒工況的因素較多,對象變化較大,很難準確地建立單一的控制模型。
針對上述情況我們制定出以下控制方案
熱水鍋爐燃燒系統調節如圖2所示:
(1)加入自尋優控制方案
鍋爐燃燒系統調節的主要任務是保證水溫的穩定,同時保證鍋爐的安全運行。除此之外,關鍵在于如何保證經濟燃燒,這也是熱水鍋爐節能降耗的關鍵所在,眾所周知,經濟燃燒問題,實質上就是進煤量和進風量的配比問題,如果能保證適當的風-煤比,就可以實現最高的燃燒效率,實現經濟燃燒。如果空氣量不足造成不完全燃燒,產生CO,這種情況除污染環境外還造成嚴重的熱能損失;反之,當空氣量過多時,一方面使爐膛溫度低,另一方面也是最重要的是使煙氣換熱損失增加。由于現階段的檢測手段和檢測設備尚不能方便地測得精確的進煤量和進風量,給整個風-煤比的自動控制造成一定的難度,但進煤量與爐排轉速、煤層厚度存在著一一對應的函數關系,而進風量同樣與鼓風機的轉速存在同樣的關系,這可以巧妙地避開這一難題。使風-煤比在整個運行過程中始終保持在最佳或次最佳狀態,還存在另一個難題,由于煤質的變化同樣會造成風-煤比比值的漂移,那么一個定值控制系統是無法適應煤質變化這一干擾的,所以在這里我們加入了自尋優控制方案,初次投運時,可根據經驗和摸索初步設定調風-煤比的給定值,系統投入自動并穩定后,定時啟動自尋優功能,根據爐膛溫度的變化和煙氣含氧量的變化自動微調風-煤比至最佳或次最佳,達到經濟燃燒。
(2)根據所需熱量調節鍋爐燃燒系統
上面的鍋爐燃燒是在環境溫度沒有變化的理想狀態下的調節,它所克服的干擾僅是風量的變化、煤質的變化,風的溫度的變化及鍋爐負荷小的變化。但是,我們的熱水鍋爐是用來冬季供熱的,因此在整個冬季室外環境溫度的差別是很大的。有的年份初冷期與深冷期的室外環境溫度差可達到20℃。甚至一天24小時的溫差也可達到10℃左右。這樣就提出了鍋爐必須按不同的環境溫度提供不同的熱量,同時在一天24小時根據不同的時間段提供相應的熱量。鍋爐供水熱量公式為:
當鍋爐回水溫度變化被控制在很小時,我們如果改變鍋爐供水溫度,即使鍋爐出口水溫度隨著室外環境溫度的不同作相應調整變化,就可使熱量達到所需熱量。但人為的隨意改動鍋爐出口水溫度的設定值,不僅缺乏依據和實時性,而且也會給系統帶入較大的人為干擾,也不利于節能降耗。
根據實際情況,結合本地歷年冬季室外環境溫度數據和經驗,我們制定出鍋爐出口水溫度隨室外溫度變化的曲線,使DCS自控系統根據室外溫度的變化自動調整鍋爐出口水溫度的給定值,即做到了實時調整,又避免了人為修改給定值給系統帶來的較大擾動,同時節約能源。另外,考慮到在冬季初冷期和深冷期,白天和晚上所需的的熱量(負荷)不同,因此,我們考慮,可使DCS自控系統自動跟蹤室外溫度變化24小時時間變化來自動來自動無擾改變鍋爐出口水溫度的給定值,至使鍋爐提供出的熱量與所需熱量保持一致其具體的控制方法如下:
將出水溫度的設定值和室外溫度及熱量(負荷)的變化聯系起來,以出水溫度為調節信號,構成回路調節,調節輸出控制爐排轉速和鼓風風量,即改變燃煤量和風煤比,使鍋爐燃燒參數隨之改變,以達到出水溫度和設定值的一致。
設定值隨室外溫度變化規律
設定值在一天當中隨負荷的變化規律(8段分時控制曲線)
2. 爐膛負壓控制
(1)負壓測量的反量程處理:
負壓在鍋爐燃燒系統的控制中是很重要的參量,尤其是爐膛負壓的測量結果,直接參與了燃燒控制過程。一般壓力測量應該是隨壓力增大,變送器輸出電流值相應增加,其圖形曲線的斜率為正;而負壓的測量卻因變送器選型的不同而有差異。我們現在使用的Setra268型差壓變送器來測量爐膛負壓,該表型不能實現的量程遷移。測量時導壓管接正壓室,隨壓力的增大,變送器輸出電流減小,以-200—0Pa為例,其測量曲線斜率為負,這樣的結果不是我們所需要的,如果將其直接送入DCS系統中參與控制,可能引發不可預見的結果。
這時就需要對測量結果采取軟件處理的方式,將變送器隨負壓變化所對應的輸出電流值變化的對應關系相應處理,使計算機中對應的變送器量程向相反區域發生變化,我們將這個處理過程稱為“反量程處理”。
為了使其變化趨勢改變,又不改變其線性關系,我們在DCS軟件中對測量值作這樣的處理:(PI113—為一虛擬位號,PT113—為爐膛負壓測量位號){PI113E｝=1.0-{PT113E｝
由于進入計算機的值不具有單位的百分量數值,可由圖4看出,這樣處理后,原K1線上的A點就變化到B點,將這樣處理后的值連接后,就會形成新的K2線,其變化趨勢為壓力-200—0PA變大,電流值由4—20MA增加,與我們的要求吻合。這樣就完成了負壓測量上的反量程處理。
(2)爐膛內鼓風量和引風量兩者的控制方案:
對于鼓風量,我們采用常規的PID控制,但是煤量的變化是鼓風控制的一個大的干擾,如果鼓風的調節滯后于煤量的變化,那么勢必會造成冒黑煙現象,嚴重污染環境,我們采用的解決方法是把煤量作為鼓風控制的前饋量,這樣可以實現當煤量變化后及時改變鼓風量進行調節,當煤量增加時,提前增加鼓風量這是應該的,但是當煤量減少時,卻不能立即減少鼓風量,這樣同樣會因為鼓風不足,造成冒黑煙,因此必須做出一個判斷,判斷加煤量OP1值是增加還是減少,當加煤量OP1值增加那么立即增加鼓風量OP2值,當加煤量OP1值減少時,卻要等待一段時間,然后在減少鼓風量OP2值。
控制爐膛負壓我們主要控制引風量的大小,在這里爐膛負壓作為被控對象,當然這是在鼓風量一定的狀態,那么當鼓風量發生變化的時候,對于引風量的控制同樣可以參照鼓風控制的方案,在這里是把鼓風量作為引風控制的前饋量,當鼓風OP值增加時立即增加引風OP值,但當鼓風OP減少時,卻要等待一段時間,然后再減少引風OP值的大小。
爐膛壓力自動調節框圖如圖5所示
3. 鍋爐溫度回路的控制
從控制理論的角度分析熱水鍋爐,它是一個多變量、非線性、分布參數的和帶時延的復雜對象,它有多個被控變量(溫度、爐膛負壓等)和調節變量(煤量,鼓風量和引風量等)相互之間存在交叉影響,還有媒質,環境溫度和水流量等諸多因數,不難分析燃燒對象具有大的純滯后,特別是回水溫度回路,其滯后時間與PID時間常數相比更大,在控制回路中,其中有三個重要的參量:SP(被控量的設定值),PV(被控量的實際值),OP(PID的操作操作輸出),一般根據SP和PV的偏差E通過PID運算得到OP輸出,進而控制現場的相應設備來調節溫度,使其逼近SP值,當設定回水SP后,由于回水溫度回路滯后時間較長,其起作用的效果至少要等1個小時才能得到(這主要取決于小區供熱面積),這樣大的滯后必然會帶來系統大的超調,甚至造成系統的不穩定,這樣我們采用控制鍋爐的出水溫度,但是為了保證鍋爐回水溫度達到要求,出水溫度的SP值要受到回水的控制,在這里我們采納智能控制的思想,通過我們給出的工藝參數實現對出水溫度SP值的設定?；厮甋P根據供暖要求一般由供暖曲線給出,即根據室外溫度按曲線給出回水溫度的SP預定值,然后將其和回水的實際值PV相比較,如果其絕對值大于偏差上限值,那么如果其值大于0,則把出水的SP值設為SP的最小值,否則設為最大值,如果不大于偏差上限△max,那么如果其值大于0,則把出水SP設定為當前值減去一個偏移量,否則加上偏移量。通過這樣設定出水SP,不僅可以避免系統的超調太大,而且大大縮短了調節時間。
4. 定壓補水控制系統
補水泵控制是保證正常、穩定供熱的重要環節,補水泵泵控制均采用定值調節。根據定壓點的壓力,通過變頻器調節補水泵轉速,及時補充水量,防止系統缺水,保證系統安全運行。通過水泵調節,保持系統供回水壓力穩定,為系統正常供熱提供保障。
一次定壓補水水泵一用一備,當鍋爐間集水器壓力大于0.5Mpa,DCS自動停鍋爐循環泵;當鍋爐間集水器壓力小于0.3Mpa,DCS自動啟動鍋爐補水泵,系統水壓由變頻恒壓控制。
系統恒壓補水回路,其構成框圖如圖所示.
四、結語
綜上所述,該控制系統根據鍋爐的負荷要求,實時調節給水量、給煤量、鼓風量和引風量,使鍋爐經常處于良好的運行狀態,將原來的手工控制造成全自動控制,對于負荷變化大、變化頻繁的鍋爐節能效果很好,一般可達到10%左右;可以在保持足夠溫度的前提下,實時調節輸出熱量,達到節能、環保的目的;實現自動控制,節能效果明顯,可使鍋爐節約20%左右燃煤;提高了設備的可靠性,減小了設備維護工作量,減輕了操作者的勞動強度,由于變頻供電時電機起動電流較小,因而使電機所受的電氣沖擊和機械沖擊大降低,提高了設備的使用壽命,另外,該系統具有完善的監測保護功能,使安全性得到了大提高。
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