Symphony系统在锅炉控制中的应用--控制网



Symphony系统在锅炉控制中的应用
企业：控制网 日期：2004-06-08
领域：电源 点击数：1414

 

周  弈

1  前言

 

    攀钢热电厂有4台130T/H锅炉，产生蒸汽供给两台瑞士风机，为高炉鼓风，另还配有3台1.2万kW/h的发电机。4台锅炉于1989年投产，自动化控制采用美国西屋的WDPF系统，经过十年的运行，系统老化，于2002年进行改造，采用ABB-Bailey的Symphony系统来替换原系统。

 

    Symphony系统是Bailey在1996年推出的Infi90 Open的基础上开发的，它体现了当今DCS系统流行的一些特点，比如操作员站硬件采用通用PC, 以Windows NT为软件平台，采用通用的@aGlance/IT与管理系统接口，同时秉承了Bailey公司DCS系统一贯的高度可靠性。可惜的是Symphony与WDPF不兼容，笔者经过努力重新编写了锅炉的控制策略，并将部分电气设备的控制纳入计算机系统，成功地完成了这一替换过程。

 

2  锅炉的控制策略

 

(1)  汽水系统

    热电厂的工艺流程是水量经给水门后分两路，一路经中间门直接为汽包供水，另一路经减温水门，到减温器，为蒸汽降温，然后再到汽包，两路供水在到汽包前均要通过烟道内的省煤器预热。给水门调节给水量，保持汽包水位的稳定，减温水门与中间门协同动作，调节减温水量，保证汽温稳定。给水量的调节会影响到减温水量，减温水量的调节又会影响到给水量，这是这个系统最难调的一个方面。

 

    ①  水位系统

    水位调节控制策略图如图1所示，水位控制采用典型的三冲量串级控制系统，汽包水位两个测点取质量较好的一点参与控制。这个策略将主环水位调节器的输出与蒸汽流量相加，作为副环给水调节器的设定值，当水量与汽量平衡，水位稳定在设定值附近时，水位调节器的输出在零左右变化，蒸汽流量有多少，就该补充多少水量，蒸汽流量一旦发生变化，副环调节器就会做出反应，令给水门开大或关小，使给水量跟上蒸汽负荷的变化，保证水位的稳定。由于给水压力的变化引起的给水量波动，也会令副环PID做出反应，改变给水门开度，维持给水量的稳定，使之不会影响到水位。当副环调节器克服不了扰动，引起水位波动时，主环PID才开始发挥作用，其输出向正或负的方向增减，以保持水位的稳定。

    比较特殊的是，这里用了一个Smith预估，这是沿用重庆设计院在WDPF系统上的做法，实际调试中发现不用这个Smith预估，水位很难在热电厂频繁的扰动因素下保持稳定。预估模型中T=600S，τ=120S，τ/T=0.2，是属于普通PID能够调节的范围。这可能与热电厂的工艺有关，汽包供水经过了省煤器预热，一部分给水还经过了减温器，这些曲折的供水路径可能带来了较大的时间常数和纯滞后。而热电厂使用高焦炉煤气及煤粉混合燃烧，烧煤粉会受到经济条件制约，烧煤气又因为攀钢其它煤气用户太多，煤气供应不稳定，这样导致热电厂的燃料改变频率特别的高。工况的不稳定给汽水系统带来太多的扰动，因此只有充分考虑了对象控制通道中的时间常数和纯滞后，水位调节才能有效地对抗频繁的扰动。

 

    ②  汽温调节（参见图2、3、4）

    主环汽温调节器的输出作为副环给定值与减温水量比较，副环减温水调节器的输出经两个函数发生器分别控制减温水门和中间门的开度。

 

    图1描述了给水调节阀的配置情况，减温水门的过水量较小，给水主要通过中间门供给汽包。这样，在中间门开大的情况下单独开大减温水门，减温水量不会显著增加，因此中间门和减温水门只有一开一关的协同动作，才能有效改变减温水量，两者的协同关系依靠两个函数发生器来实现。

 

    热电厂的130T/H锅炉与其它类似容量的锅炉一样采用表面式减温器，减温水对汽温的影响具有较大的时间常数及纯滞后，因此在汽温调节中增加了一个Smith预估，与水位调节使用的形式相同。

图2  汽温调节控制策略框图

 

    这里用的Smith预估与书上常见的略有不同，书上常见的形式其传递函数见图3。

图3  常见Smith预估传递函数框图

    其中Gc(S)为调节器传递函数，为对象控制通道传递函数，其预估模型Mode=OUT

，过程值PV = 干扰 + OUT；

   

    如预估模型足够准确，To=T，τ0 =τ，Kco = Kc，

    那么，PV+Mode=干扰+OUT

 

    由于消掉了控制对象特性中的纯滞后项，使调节品质得到改善。该项目在汽温调节中使用的Smith预估转换成传递函数框图见图4。

图4  实际用的Smith预估传递函数框图

   

    这样就把对象控制通道中的时间常数和纯滞后一并消掉了，从理论上说，对控制更加有利，在实际运用中效果也是不错的。笔者曾将图3中的Smith预估用于汽温调节，参数Kco、τ0、To与改进方案相同，结果主环PID的输出从最大到最小，又从最小到最大，无法稳定下来，当然这也有可能是因为预估模型不准，但单从理论分析，在对象控制通道特性中保留一个较大的时间常数是有可能产生这样的结果的。

 

    从实际调试来看，中间门、减温水门的协同关系对水位、汽温的调节品质均有重要影响，减温水门开到最大时对应的中间门开度非常重要，如中间门开度过小，汽包供水会受到影响，直接影响锅炉安全，开度过大，不能把足够的水量憋到减温器，汽温的上升也会控制不住。减温水门关到最小或处于中间开度时中间门的配合对汽温调节的品质具有更大的影响。笔者与现场操作人员密切配合，反复尝试，才得到较好的一组参数。

 

(2)  燃烧系统

    由于热电厂锅炉采用高炉煤气、焦炉煤气、煤粉混合燃烧，燃烧调节采用基于热值运算的双交叉限幅控制，辅以烟道含氧校正，以保证不同工况下的热效率。氧量调节器的设定值跟随负荷及燃料配比情况的变化而变化。

 

(3)  引风调节

    这是一个相对独立的小系统，任务是维持炉膛负压的稳定，炉膛压力调节器的输出通过一个负荷分配器到两个M/A（手/自动）站, 调节左右引风的挡板，中间引用左右送风的开度作为前馈。

 

3  Symphony系统结构

 

    系统控制网络Cnet为存储转发环网（10MB/S），见图5，配置有4个PCU，2个ICI, 共6个节点，每个PCU负责一台锅炉的控制。操作员站采用服务器/客户机结构，两个服务器分别经串口通讯从两个ICI节点取环网数据，两个客户机再通过以太网从服务器上取数据。服务器和客户机均作为操作员站使用。MIS接口计算机为用户自购，通用PC即可。

 

(1)  PCU

    PCU是过程控制单元，采取多处理器(MFP)结构，每个PCU最多可带15对冗余配置的MFP,或30个单个的MFP, 热电厂这个系统每个PCU配置了3个，其中一对冗余MFP，用于仪表部分的控制，一个单独的MFP，用于电气部分的控制。每个PCU由一个模件柜和一个端子柜组成，端子柜里安装有很多端子单元，每个端子单元与模件柜中的I/O模件一一对应，现场电缆接到端子单元上，端子单元通过Bailey提供的专用电缆连接到模件柜中的I/O模件上，这就完成了模件到现场的连接。

 

(2)  操作员站

    采用HP工业PC机，监控软件为Conductor NT 4.0，以Windows NT 4.0为软件平台。Conductor NT的功能十分丰富，除了过程的实时监控外，还提供了报警管理，历史趋势，报表打印，历史数据的归档等功能。

Conductor NT 的标签描述可采用中文，操作人员就可通过Conductor NT提供的弹出式标签面板熟悉画面中的过程点名，可省去不少画面中的中文注释。Conductor NT提供的报警窗口因此也容易看懂，不再局限于单纯的流程画面的汉化。

 

    系统采用@aglance/IT与MIS接口，用户只需在Conductor NT Server上安装@aglance /IT Server端，在另一台安装Windows的PC机上安装@aglance/IT客户端（不必安装Conductor NT），即可利用Access、Excel的DDE功能从@aglance客户端取数据，并以此作为与MIS系统的接口，使用十分方便，不需要专门的接口计算机或OPC服务器，降低了用户的成本。

 

    Conductor NT的报表打印也很灵活，用户既可以使用Conductor NT本身提供的事件报表打印，也可以采用Excel，借助Bailey开发的一些特殊功能从Conductor NT的历史数据库或实时标签数据库中取数据，生成用户满意的报表。

 

    Conductor NT 还提供操作权限的管理功能，除了有些功能不希望操作人员进入外，相同级别的操作人员还可以按照各自管辖的工艺区域来划分操作权限。

 

(3)  工程师站

    工程师站不必单独设置，只需把工程师组态软件Composer安装到任意的Conductor NT操作员站即可，当然还需要对应的加密硬狗。Composer的编程界面类似于CAD，Symphony为用户提供了丰富的功能码，组态工程师只需把需要的功能码用鼠标拖到图纸空间中，用线把它们连接起来，绘制成的控制逻辑图经编译后即可下装到MFP中运行。唯一要花点儿时间的是功能码手册需要阅读一下。总之，工程师可以把绝大部分精力和时间放在对工艺过程的熟悉上，系统的学习掌握是非常容易的。

CAB2、4、6、8～PCU2、4、6、8的模件柜

CAB1、3、5、7～PCU2、4、6、8的端子柜

图5  系统结构框图

4  结语

 

    由于4台130T/H锅炉不可能同时停炉，Symphony系统在热电锅炉的安装施工采取一次改造一台锅炉的做法，现已完成3台锅炉的改造，均已投入实际运行，系统运行十分稳定，故障率很低，在工况变化频繁、燃料极不稳定的情况下仍能保持较高的自动率，减轻了操作人员及维护人员的工作强度，有力的保障了锅炉设备的安全可靠运行。
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