ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),1999年第39卷第3期1999,V o l.39,N o.37/3423～26130t /h 煤粉炉计算机监控系统的研制*徐春晖, 徐向东, 吕泽华清华大学热能工程系,北京100084 收稿日期:1998-06-01 第一作者:男,1970年生,博士研究生 *基金项目:国家攀登计划B(85-35)文 摘 针对目前国内大部分工业锅炉效率偏低以及自动化水平低的情况,研究了一套适合于中小煤粉炉使用的先进的计算机监测和自动控制系统。
该系统可实现多冗余、多策略控制,提高了监控系统的可靠性。
针对锅炉和供汽管网组成的系统大滞后、强惯性和严重非线性的特点,在锅炉负荷控制回路中,采用Fuzzy -P I 双模控制器。
即在控制系统中,常规控制与智能控制并存。
该系统除了可进行实时监测及燃烧控制外,还采用了最佳风煤比自学习系统和风煤比在线自寻优策略,维持锅炉的最佳工况工作。
该系统已成功应用于青岛碱厂自备电站130t /h 煤粉炉。
关键词 煤粉炉;模糊控制;计算机监控系统;风煤比分类号 T K 223.7 目前,我国存在着大量的工业锅炉,这些锅炉在使用中普遍存在着效率偏低的问题,主要原因在于: 煤种多变,使得运行工况经常偏离最佳工况; 自动调节水平低,基本上是手动,不能随着外界负荷的变化及时地调整锅炉的出力,影响锅炉的效率。
针对以上情况,我们研究了一套适合于中小煤粉炉使用的先进的计算机监测和自动控制系统。
该系统除了可对锅炉系统进行实时监测及燃烧控制外,还采用了最佳风煤比自学习系统和风煤比在线自寻优策略,维持锅炉在最佳工况工作。
实现了多冗余、多策略控制,提高了监控系统的可靠性。
整体控制系统采用常规控制与智能控制并存方案。
在锅炉负荷主控制回路中,采用Fuzzy -PI 双模控制器。
运行表明,本系统在保证满足外界负荷的同时,可节煤近4%。
1 130t /h 煤粉炉简介型号为B&Bw -130/3.82-M ,自然循环固态排渣煤粉炉,设计效率为91.7%,运行比较稳定。
原有一台给水调整器(KMM 表),一台蒸汽温度调整器(DDZ-Ⅲ型调节器),两台热工保护装置(灭火保护及送引风给粉磨煤联锁装置)。
给水调整器采用三冲量控制算法,蒸汽温度调整器采用串级PID 控制算法,控制效果尚可。
所以我们利用原有模拟调节仪表与新加的燃烧控制来构成计算机监控系统。
2 监控系统主要设备配置及功能2.1 中央控制机Intel586工业控制机一台(主频166MHz,内存32M B,硬盘1.2GB,9cm (3.5″)软驱,53cm (21″)彩色CRT ),附属设备还有一台触摸屏(美国M icr oTo uch 公司产品),一台EPSON1600打印机。
作为整个系统的中心,具有以下功能:1)实现整个系统的高级控制策略,包括用模糊控制的方法调节锅炉出口汽压,以及送风量、炉膛负压和一次风压的常规控制;实现最佳风煤比自学习系统和风煤比在线自寻优策略;2)采集各测点数据信号,向周边设备输出控制信号;3)具有良好的人机界面,包括各种漂亮实用的画面(系统图、流程图、报警画面、实时及历史趋势图、棒图、报表等等);4)定时自动打印,并接受运行人员的指令;5)可与上级微机通过M odem 进行通讯。
2.2 周边设备主要包括有10台IPM PLC(可编程控制器)、数采板三块(PCL-813B,32路全隔离A /D 板)、PCL-725继电器板一块、PCL-72712路D/A 板两块、PCL-747通讯板一块、传感器组、变送器组等,主要实现功能如下。
1)PLC 实现部分数据采集和常规控制策略。
采集的信号包括主汽压力、炉膛负压、烟气含氧量、一次风压、给粉机转速等需控制的量;控制功能有:8台给粉机转速控制、总送风门控制、4个二次风门的控制、两个引风导叶的控制。
这些控制功能只有在中央控制机故障时才投入。
2)3块数采板完成全部的数据采集任务;两块D/A 板完成控制量输出任务;继电器板完成开关量的采集任务;3)传感器组感测温度、压力、压差、流量、烟气含氧量,并通过变送器组转化为4～20m A 的标准电流信号,传送至数采板与PLC 。
4)配电器组负责将部分原有测点信号引入中央控制机。
2.3 监控系统结构示意图监控系统结构示意图见图1。
图1监控系统结构示意图锅炉本体继电器板传感器组变送器柜配电器组A/D 板给粉调速电机送风总阀两个引风阀门四个二次风阀ZC -1A 操作器电气转换器电气转换器电气转换器气动执行器气动执行器气动执行器DK -1B 控制器送风量控制PLC(一台)负压控制PLC(一台)一次风压控制PLC(4台)给煤量控制PLC(4台)PCL -747多通道串口D/A 板工控机CRT打印机3 系统控制策略本系统冗余部分由中央控制机、多个PLC 、原操作系统组成。
由低到高,可分为4种控制策略。
锅炉原有操作系统:此时计算机自动控制系统不投入,数据采集、监测系统可选择投入。
所有操作均在原操作台上完成。
控制系统下位机手动运行方式:此时各给粉机转速、引风导叶、送风总门、二次风门均可在控制室的CRT 上进行手动无级调节,PLC 处于开环运行方式。
控制系统下位机投入自动方式:此时所有PLC 投入闭环运行,通过采用常规控制或易于实现的智能控制方法实现对给粉机转速、引风导叶、送风总门、二次风门的控制。
自动控制系统全面投入的运行方式:中央控制机投入闭环运行方式,高级控制策略投入使用,整个控制系统协调运行,保持系统运行在最佳工况。
该多冗余、多策略控制系统既具有较高的性能/价格比,又具有很高的可靠性。
在中央控制机故障停机时,可以恢复原有操作系统,切入PLC 手动或自动运行方式。
在PLC 故障停机时,可以把中央控制机输出的控制信号直接切换到伺服机构上,由中央控制机同时实现模糊控制与常规控制。
现场运行表明,本系统具有优良的控制品质,完全可以满足对锅炉稳定、安全、经济运行的要求。
4 控制系统实现方法采用常规控制与智能控制并存设计方案。
具体可分为4个控制回路:锅炉负荷控制,一次风压控制,送风控制和引风控制。
整体的控制系统如图2所示。
24清华大学学报(自然科学版)1999,39(3)(注释:虚线表示实测信号)图2 控制系统结构图4.1 最佳风煤比自学习系统和风煤比在线自寻优策略 最佳风煤比自学习系统是指在运行过程中,根据运行人员的操作数据,进行分析整理,学习各种常见工况下锅炉效率最高对应的风煤比。
这样在动态过程中,利用以前学习得到的较好的风煤比来确定送风量。
另外,这个学习过程是不断地在线进行的。
在稳定运行时,再利用自寻优策略进行微调。
风煤比在线自寻优策略,是通过对送风摄动信号的响应来判别当前的风煤比是否合适,搜索最佳风煤比。
具体说来,就是在稳定运行时,施加送风摄动信号,若炉膛烟温升高,说明新的风煤比比原来的好;否则再施加反向的摄动信号;若两个方向都没有取得更好的指标,则说明当前的风煤比是最佳的。
该策略对负荷及煤种等条件的变化具有自适应性。
4.2 负荷控制器在锅炉负荷主控制回路中,采用Fuzzy-PI双模控制器,主要考虑:1)模糊控制具有模糊逻辑的“概念”抽象能力和强大的非线性处理能力,且对过程参数的变化不敏感,不需对控制对象的物理过程深入了解就可以取得比较满意的控制效果。
由模糊控制特有的优点自然联想到利用人的经验,用模糊控制的方法对主回路进行控制,对锅炉负荷进行粗调。
2)基本模糊控制器固有的缺点是,在系统接近稳态点时,由于输入量在模糊集合上的投影就已经为零,控制器不再发生作用。
系统在此区域的动态特性完全依赖于系统自身的动态特性,使得调节品质变坏,集中表现为在稳态点附近发生小幅度振荡。
而此时系统已接近稳态,动态特性也接近线性,已适于常规控制器进行调节。
又因负荷控制是一个慢过程,因此在稳定点附近选用PI调节器进行微调。
3)模糊控制在中央控制机中实现,PI控制在PLC中实现,这种双模控制器可以保证在中央控制机不投入控制的情况下,也能对锅炉进行基本控制,便于实现冗余功能。
本控制器输入信号为锅炉出口汽压与给定值偏差及其变化率,包含基本模糊控制器模块和PI调节器模块,由一个选通开关控制。
结构示意图见图3。
····d tdeeeeu图3Fuzzy PI双模控制器示意图PI实测汽压+-给定汽压煤量控制器选通器UKFuzzy判决Fuzzy推理算法Fuzzy化CEEK图中EK,CEK,UK分别是误差e,误差变化率e和控制量u的量化因子。
u是煤量。
而煤量控制器是一简单的比例控制器。
4.3 一次风压控制器由于锅炉炉膛燃烧区各处的燃烧情况各不相同,总风煤比最佳并不能保证炉膛燃烧区各处的布风合理。
如何在采用最佳风煤比的同时,合理分配各段风量(一、二次风的比例,一、二次风在各个角的分配),对实现锅炉高效燃烧有着重要的意义。
一次风25徐春晖,等: 130t/h煤粉炉计算机监控系统的研制压控制器有两个任务,即保证一次风箱风压在一定范围内(该范围与锅炉负荷成线性关系),并保证燃烧区4个角二次风量均匀。
4.4 送风控制器要维持锅炉的经济燃烧,提高锅炉的效率,必须使空气和燃料维持适当的比例,即采用最佳风煤比。
在送风量的控制中,最佳风煤比 根据锅炉热负荷的变化情况利用最佳风煤比自学习系统和风煤比在线自寻优策略给出,送风控制器采用简单的PI调节器控制送风阀的开度。
4.5 负压控制器由于引风系统是一个独立的系统,它的时间常数较小,采用PI调节器控制炉膛负压就可以很好地把炉膛负压控制在要求范围内。
5 软件编写为了使用户在不需要编写代码程序的基础上就可以生成所需要的应用软件,我们提供了一个功能很强的组态软件。
组态软件和运行软件两部分之间用组态数据文件传递组态信息。
组态功能主要包括:实时数据库生成(记录编辑、记录打印、记录转换、记录连接),历史数据库生成(历史记录的编辑、历史库与实时点连接功能),图形生成(流程画面底图编辑、动态显示点的编辑、动态点与实时点或历史点的连接、趋势曲线配置、棒图配置),报表生成(底表的编辑、数据库点记录值生成、连接),连续调节功能(回路生成、回路与点记录连接)。
6 结束语经现场调试,本系统在锅炉负荷、一次风压、送风和引风4个控制回路及原有的给水、汽温控制回路协同作用下,明显改善了锅炉的燃烧条件,汽压的波动大为减小可节煤近4%。
提高了锅炉的整体运行效率。
本系统经过运行考验,性能稳定可靠,大大减少了运行人员的劳动强度。
参 考 文 献1邵裕森.过程控制系统及仪表.北京:机械工业出版社,19932李友善,李军.模糊控制理论及其在过程控制中的应用.北京:国防工业出版社,19923李士勇.模糊控制和智能控制理论与应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19904冯俊凯,沈幼庭.锅炉原理与计算.北京:科学出版社,19925张亮明,夏桂娟.工业锅炉热工检测与过程控制.天津:天津大学出版社,1992Development of a computer supervisory system for130t/h pulverizedcoal fired boilerXU Chunhui,XU Xiangdong,L U ZehuaDepart ment of T her mal Eng ineering,T sing hua U niver sity,Beijing100084,ChinaAbstract Due t o the ver y low efficiency and low-level auto mation of most of the curr ent domestic industr y boiler s, t his paper pr esent ed an advanced co mputer super viso r y sy st em suitable fo r medium and small sized pulver ized coal fired boiler.T he system r ealized mult i-r edundant and m ulti-strat egy contr ol,w hich incr eased the deg ree of r eliability.A fuzzy-P I contr oller is designed in load contr ol circle accor ding to the la rg e delayed,intensive iner tial and ser io us no nlinear char acter istic of the sy stem invo lv ing the bo iler and st eam supply netwo rk.T hat is,co nv entio nal co nt ro l and intelligent contr ol are concurr ent in t he system. T he system can r ealize r eal time superv ise and co mbustion co nt ro l.A t the sam e time,it adopted t he o ptimal air/fuel r atio self-lear ning system and online self-o ptimizing str ateg y in o rder t o mainta in t he o ptimal st atus o f the bo iler.T he sy st em has been successfully applied in the130t/h pulv erized coal fired bo iler of the Self-supply Po w er Plant of Q ing dao A lkali Co rpor atio n.Key words pulv erized coal fir ed bo iler;fuzzy co ntro l;computer superv isor y sy st em;air/fuel r atio26清华大学学报(自然科学版)1999,39(3)。
