1、基于工控機(jī)的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用從汽包液位、燃燒系統(tǒng)、過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力和爐膛負(fù)壓5個方面對鍋爐控制方案進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了合理的配置,給出了硬件結(jié)構(gòu)圖和軟件程序流程圖。通過分析該控制系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果,可知該控制系統(tǒng)投資少,但能夠?qū)﹀仩t系統(tǒng)的各個參數(shù)實(shí)行穩(wěn)定而精確的控制,是工業(yè)鍋爐理想的控制系統(tǒng)。鍋爐是廣泛應(yīng)用于石油化工、熱力發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)場合的蕈要動力設(shè)備之一，其主要作用是提供合格的蒸汽。鍋爐控制系統(tǒng)的任務(wù)是確保蒸汽的溫度、壓力及流量等參數(shù)符合工藝要求；維持汽包水位和爐膛壓力在一定的范圍內(nèi)以保證設(shè)備安全運(yùn)行；保證燃燒充分以提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性、避免環(huán)境污染。因此，鍋爐

2、控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量直接影響著鍋爐的正常生產(chǎn)，是其安全運(yùn)行的重要保障。1 鍋爐控制方案的設(shè)計(jì)11 汽包液位的控制鍋爐汽包液位是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)。液位過高會影響汽、水分離效果，使蒸汽帶液，損壞下游設(shè)備；水位過低，會影響水在汽包中自然循環(huán)的正常進(jìn)行，甚至使部分管壁過熱而爆管。因此必須嚴(yán)格將水位控制在規(guī)定的范圍。該系統(tǒng)汽包液位的控制充分吸收了當(dāng)前先進(jìn)的智能控制思想，采用基于模糊PID的三沖量控制方案，以鍋爐汽包液位測量信號作為主控制信號，構(gòu)成主調(diào)節(jié)回路，以蒸汽流量信號作為前饋信號，構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)回路，以鍋爐給水流量信號作為串級信號，構(gòu)成副調(diào)節(jié)回路。由主調(diào)節(jié)回路、前饋調(diào)節(jié)回路和副調(diào)節(jié)回

3、路共同構(gòu)成鍋爐汽包水位串級三沖量自動控制系統(tǒng)。引入蒸汽流量前饋信號可以消除虛假水位現(xiàn)象對自動控制的不良影響；引入給水流量串級信號可以消除給水側(cè)壓力擾動對自動控制的不良影響?。副回路調(diào)節(jié)器采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)器，根據(jù)蒸汽流量和給水流量比較產(chǎn)生的偏差進(jìn)行常規(guī)PID運(yùn)算，其輸出作用于給水調(diào)節(jié)閥，使水位保持穩(wěn)定。主回路采用模糊PID控制器，根據(jù)水位產(chǎn)生的偏差進(jìn)行模糊PID運(yùn)算，其輸出作為給水流量控制器的給定值，經(jīng)給水流量控制器改變給水量，使水位恢復(fù)到給定值。模糊控制器將鍋爐水位誤差e和水位誤差變化率ec作為模糊控制器的兩個輸入變量，Kp、K1、Kd作為模糊控制器的3個輸出變量，其輸出又作為常規(guī)水位調(diào)節(jié)器

4、的PID參數(shù)的修正值。在運(yùn)行過程中根據(jù)實(shí)時檢測到的e和ec，再根據(jù)模糊控制算法對PID 3個參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時修改，使常規(guī)水位調(diào)節(jié)器不斷獲得最佳PID參數(shù)整定值，從而使水位控制器具有良好的控制品質(zhì)。12燃燒系統(tǒng)控制該系統(tǒng)采用節(jié)能雙交叉燃燒控制方案，是根據(jù)主蒸汽負(fù)荷對鍋爐的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。以蒸汽母管壓力控制為主回路，空氣流量和燃料流量控制為并列副回路，構(gòu)成PID串級控制系統(tǒng)，兩并列副回路又帶有一定邏輯功能的比值控制系統(tǒng)。該方案能保證空氣和燃料的比值在穩(wěn)定工作狀態(tài)時處于最佳?？諝夂腿剂系淖罴驯戎禐镵，即SP2=KSPI，K值可通過試驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)給定。狀態(tài)平穩(wěn)時，蒸汽壓力和給定值一致，蒸汽壓力控制

5、器的輸出一方面通過燃料系統(tǒng)的高、低選模塊HSl、LSl直接作為燃料流量調(diào)節(jié)器FC的設(shè)定值，另一方面通過空氣控制系統(tǒng)的高、低選模塊HS2、LS2乘上一個系數(shù)后作為空氣流量控制器F：C的設(shè)定值，在穩(wěn)定狀態(tài)下，有SP2=KSPl；當(dāng)負(fù)荷增加時，蒸汽壓力下降，蒸汽壓力控制器的輸出信號將增加，引起SPl和SP2同時增加，SPl的最大增量為K1，SP2的最大增量為K4 *K。設(shè)K4>K1，這樣SPl的增加幅度小于SP2的增加幅度。交叉限幅的作用是讓空氣和燃料成階梯狀交叉上升，保證在負(fù)荷增加時，空氣和燃料的配比仍在最佳值附近；當(dāng)負(fù)荷下降時，先減燃料量，后減空氣量。保證在負(fù)荷減少時，空氣和燃料的配比仍在

6、最佳值附近；同時，為提高熱效率，對煙氣氧含量進(jìn)行檢測輸出，自動修正空燃比，使煙氣氧含量保持在最佳范圍之內(nèi)。13過熱蒸汽溫度控制過熱蒸汽溫度是鍋爐正常運(yùn)行的重要參數(shù)，溫度過高會燒壞過熱器水管，影響下游設(shè)備的正常工作和安全；溫度過低又會影響下游設(shè)備的使用。因此必須使過熱蒸汽溫度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，對于中、高壓鍋爐來說，溫度偏差不應(yīng)超出額定值的士10。該系統(tǒng)采用串級控制方案。過熱器出口溫度為主被控變量，減溫器出口溫度為輔被控變量，減溫水流量為操縱變量。由于減溫器后蒸汽溫度滯后較大，因此副控制器選用比例微分調(diào)節(jié)器，主控制器選用比例積分微分調(diào)節(jié)器，主回路的任務(wù)是維持過熱器出口蒸汽溫度恒定。14蒸汽壓力控

7、制蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關(guān)系平衡與否的重要指標(biāo)，其波動應(yīng)控制在±(50-100kPa之內(nèi)。運(yùn)行過程中，若蒸汽壓力降低，說明蒸汽消耗量大于鍋爐蒸發(fā)量，所以壓力變低時，應(yīng)增加燃煤的體積流量以加強(qiáng)燃燒，提高蒸汽蒸發(fā)量；壓力上升時，則相反。由于流量變化后，才引起壓力變化，因此為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號，該系統(tǒng)采用的是前饋一反饋控制方案。15爐膛負(fù)壓控制鍋爐爐膛通常保持適當(dāng)?shù)呢?fù)壓，這樣可以避免觀火孔等局部地區(qū)噴火，有利于安全生產(chǎn)和環(huán)境衛(wèi)生，但如果負(fù)壓太大，又會使大量的空氣進(jìn)入爐子，增大引風(fēng)機(jī)負(fù)荷和煙道氣帶走的熱量，不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒，所以爐膛負(fù)壓一般控制在-20Pa左右。爐膛負(fù)

8、壓通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)擋板的開度來控制，引入送風(fēng)量作為前饋信號。因此，該系統(tǒng)爐膛負(fù)壓采用前饋一反饋控制方案。上述鍋爐控制方案的5個控制回路匯合在一起的結(jié)構(gòu)如圖1所示。點(diǎn)擊圖片查看大圖圖1 鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 系統(tǒng)硬件配置該系統(tǒng)采用了ISA總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。ISA總線有16位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線，最多能擁有16MB可尋址內(nèi)存。ISA總線是應(yīng)用最廣泛的IO總線，因?yàn)閷Υ蟛糠纸涌趹?yīng)用系統(tǒng)來說，ISA卡有著很好的性能，使用的元件也很便宜，是一項(xiàng)得到了證實(shí)的可靠的技術(shù)。鍋爐生產(chǎn)現(xiàn)場的汽包水位、蒸汽流量、汽包壓力、給水流量、煙氣含氧量、過熱蒸汽溫度以及爐膛負(fù)壓等被控參數(shù)均由相應(yīng)的變送器完成檢測并轉(zhuǎn)換

9、成420mA的電流信號后送到AD模板。AD模板采用研華公司的Adam5511系統(tǒng)可以克服長久腐蝕及壽命短等缺點(diǎn)，并應(yīng)用其自帶的軟件與上位機(jī)組態(tài)進(jìn)行通信。Adam551 1是基于PC的可編程微控制器，可獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過多通道IO模塊可完成現(xiàn)場控制、監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集Ho。每臺Adam5511配置16點(diǎn)模擬量輸入，4點(diǎn)模擬量輸出，16點(diǎn)開關(guān)量輸入輸出，可采集16點(diǎn)鍋爐運(yùn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)，組成4個閉環(huán)控制回路。該系統(tǒng)采用兩臺Adam551，先完成隔離和IU變換，把電流信號變換成15V的電壓信號，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入到CPU。CPU給出的減溫水流量、給水閥開度、風(fēng)門開度、爐排轉(zhuǎn)速和引風(fēng)門開度5個控制信號，由

10、Adam55模板先行隔離后再變換成420mA的統(tǒng)一的電流信號，最后送往各執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制。鍵盤、CRT顯示器、打印機(jī)、控制臺上的各種開關(guān)、按扭、數(shù)碼顯示器、指示燈和某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路，都通過相應(yīng)的接口與模板相連，成為整個系統(tǒng)的外部或外圍設(shè)備。鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。點(diǎn)擊圖片查看大圖圖2 鍋爐微機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用鍋爐控制軟件一般采用實(shí)時中斷分時控制的方式，系統(tǒng)由實(shí)時時鐘定時引起中斷，各參數(shù)的檢測和控制均由中斷服務(wù)程序完成。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示，系統(tǒng)在執(zhí)行中斷服務(wù)程序后不斷掃描鍵盤，根據(jù)用戶要求完成修改時間、報(bào)警消聲、報(bào)警試驗(yàn)、隨機(jī)打印、積算清零、顯示參數(shù)以及修改參數(shù)等功能。中斷服務(wù)子程序的功能是每到一定時刻完成對某參數(shù)的采樣和控制，控制回路程序流程如圖4所示。點(diǎn)擊圖片查看大圖圖3 系統(tǒng)主程序流程點(diǎn)擊圖片查看大圖圖4 控制回路程序流程該控制系統(tǒng)應(yīng)用在某工廠蒸汽鍋爐控制中，運(yùn)行結(jié)果證實(shí)，鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)可以對汽包水位、蒸汽溫度和壓力、風(fēng)煤比以及爐膛負(fù)壓等實(shí)現(xiàn)自動控制，能夠快速完成數(shù)據(jù)采集、邏輯分析及精確計(jì)算等?？筛鶕?jù)鍋爐運(yùn)行過程所需的控制和運(yùn)