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        DCS在鍋爐監(jiān)控中的應(yīng)用

        2018-07-04 11:07:12劉宇航
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        侯 慧, 劉宇航

        (內(nèi)蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017314)

        引言

        集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,簡稱DCS)從誕生以來其產(chǎn)品在工業(yè)大生產(chǎn)和民用工程自動化應(yīng)用中的主要地位優(yōu)勢越來越明顯。如今社會對工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高,各種規(guī)模不同、類型不同的DCS在各個(gè)行業(yè)和各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,尤其是自動化與信息化不斷融合更加促進(jìn)了集散控制系統(tǒng)的發(fā)展。工業(yè)鍋爐是極為重要的熱能動力設(shè)備,我國的鍋爐生產(chǎn)和使用量在世界上排在首位,通過自動控制提高鍋爐效率,并且降低其污染物的排放,減少能源的巨大浪費(fèi),是我國工業(yè)鍋爐努力追求的目標(biāo)。本文采用Honeywell公司Experion PKS系統(tǒng)對鍋爐過程進(jìn)行自動控制和狀態(tài)監(jiān)視。

        1 鍋爐過程工藝

        鍋爐的目的是提供蒸汽的裝置,鍋爐設(shè)備主要是由“鍋”和“爐”兩部分組成的。作為汽水系統(tǒng)的“鍋”,其主要任務(wù)是吸收燃料放出的熱量,使水加熱、沸騰并最后變成具有一定參數(shù)的過熱蒸汽。作為燃燒系統(tǒng)的“爐”,主要任務(wù)是使燃料在爐內(nèi)良好地燃燒,釋放熱能。鍋爐過程系統(tǒng)包括燃料燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等,工藝流程如圖1所示。

        2 鍋爐過程控制方案

        2.1 汽包水位三沖量串級控制方案

        此種控制是由主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器和三個(gè)沖量(給水流量、汽包水位、蒸汽流量)構(gòu)成的。其中,主調(diào)節(jié)器為汽包水位調(diào)節(jié)器,副調(diào)節(jié)器為給水流量調(diào)節(jié)器,蒸汽流量為前饋信號。實(shí)際上此控制系統(tǒng)應(yīng)該準(zhǔn)確地叫做為三沖量前饋—反饋串級控制系統(tǒng)。這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)是:倘若蒸汽流量突然變化,控制系統(tǒng)將提前于水位的偏差進(jìn)行前饋控制,并且它能夠通過控制調(diào)節(jié)閥的給水流量來跟蹤蒸汽流量的變化,從而維持進(jìn)出汽包的物料平衡,進(jìn)而抑制水位的動態(tài)偏差有效地克服虛假水位對系統(tǒng)的影響。假如說蒸汽流量不變,則由給水流量作為副被控量構(gòu)成一個(gè)副回路,這樣可及時(shí)消除給水壓力波動引起的給水流量的波動。汽包水位作為此種控制系統(tǒng)的主被控量,主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。在控制系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)過程中,主調(diào)節(jié)器根據(jù)水位偏差設(shè)定給水流量的值;當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),主調(diào)節(jié)器可使汽包水位等于設(shè)定值,三沖量控制流程圖如圖2所示。

        圖1 鍋爐工藝流程圖

        圖2 三沖量控制流程圖

        2.2 過熱蒸汽溫度控制方案

        針對存在的問題,設(shè)計(jì)簡單控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)工藝的要求。為此,為了保證控制質(zhì)量需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)。一種可行的控制方案就是設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的串級控制系統(tǒng)。這種類型的控制系統(tǒng)是將減溫器后的蒸汽溫度信號作為副被控參數(shù)構(gòu)成一個(gè)副控制回路。由于慣性小當(dāng)減溫水自身出現(xiàn)波動時(shí),通過副回路能馬上做出調(diào)節(jié)[1]。當(dāng)主蒸汽溫度因受其他干擾而偏離我們的給定值時(shí),主回路的溫度傳感器又可以將溫度信號反饋回控制器,主調(diào)節(jié)器發(fā)出控制指令調(diào)節(jié)副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值,副調(diào)節(jié)器動作輸出控制信號控制調(diào)節(jié)閥,進(jìn)而使主汽溫在允許范圍之內(nèi)波動,使控制質(zhì)量得到保證,過熱蒸汽溫度控制流程圖如圖3所示。

        圖3 過熱蒸汽溫度控制流程圖

        2.3 鍋爐燃燒過程控制方案

        燃料供應(yīng)量的波動與蒸汽負(fù)荷的變化是影響蒸汽壓力的主要外界因素。較小的燃料波動情況或?qū)?jīng)濟(jì)性要求不高的場合可以采用調(diào)節(jié)燃料量以控制蒸汽壓力的簡單控制方案。倘若燃料量波動較大、又—比值控制方案。由于這種控制方式的燃料量是伴隨著蒸汽負(fù)荷而變化,應(yīng)把它作為主動量,因此送風(fēng)量就為從動量。要實(shí)現(xiàn)燃燒的充分性和經(jīng)濟(jì)性的要求,如果蒸汽負(fù)荷突然減小、壓力增大時(shí),通過低值選擇器LS先減少燃料量,然后再減少空氣量,這樣可以避免燃料的浪費(fèi)。另外倘若蒸汽的負(fù)荷增加、壓力減小的時(shí)候,又可以采用高值選擇器HS先增大空氣供應(yīng)量,再加大燃料量,讓燃燒更為充分[2]。

        因?yàn)閷Π踩杂幸?,所以需要對鍋爐負(fù)壓進(jìn)行控制。一般采用送風(fēng)量與引風(fēng)量組成的串級控制系統(tǒng),不過送風(fēng)量的變化總會落后于蒸汽壓力的變化,系統(tǒng)延遲較大,調(diào)整控制的方案為采用蒸汽壓力與引風(fēng)量構(gòu)成串級控制系統(tǒng),可以很好地消除蒸汽壓力波動送風(fēng)量變化引起的爐膛壓力變化。由于在燃燒經(jīng)濟(jì)性控制過程中使用了串級比值選擇控制方案,若再對負(fù)壓采用串級控制由于兩個(gè)控制系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)相互耦合,會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。鑒于這種因素,采用了單閉環(huán)控制方案,通過爐膛壓力檢測控制引風(fēng)量,從而保證爐、膛負(fù)壓的要求,燃燒過程控制流程見圖4。

        3 DCS總體結(jié)構(gòu)

        本系統(tǒng)采用霍尼韋爾公司的Experion PKS,見系統(tǒng)構(gòu)建圖5,系統(tǒng)組件包括如下內(nèi)容。

        圖4 燃燒過程控制流程圖

        1)現(xiàn)場控制站。采用PKS系統(tǒng)的C300系列的冗余控制器。負(fù)責(zé)接受變送器信號和傳輸DCS執(zhí)行信號給執(zhí)行器。

        2)操作站。選用Dell工作站T3600平臺和霍尼韋爾專用(OEP)操作員鍵盤。主要負(fù)責(zé)監(jiān)控鍋爐控制狀況。

        3)FDM服務(wù)器。選用Dell服務(wù)器T320平臺,采集現(xiàn)場HART智能儀表的配置信息和診斷信息,并統(tǒng)一對現(xiàn)場表進(jìn)行組態(tài)配置。

        4)Experion服務(wù)器。選用Dell服務(wù)器T320平臺(兼做工程師站)。主要負(fù)責(zé)組態(tài)、編程。

        5)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)??刂凭W(wǎng)絡(luò)采用霍尼韋爾專利權(quán)的容錯(cuò)以太網(wǎng)FTE,由兩個(gè)Cisco Catalyst 2960交換機(jī)組網(wǎng),提供100 Mb傳輸速率。操作員站、工程師站等設(shè)備直接連接到FTE控制網(wǎng)上,DCS控制器通過防火墻連接到FTE控制網(wǎng)上。

        4 DCS組態(tài)

        4.1 程序組態(tài)

        圖5 Experion PKS系統(tǒng)構(gòu)建圖

        控制策略的組態(tài)軟件Control Builder是一種圖形化的面向?qū)ο?,基于窗口的工程工具,用于控制處理器的控制?zhí)行環(huán)境和應(yīng)用控制環(huán)境中的控制策略的設(shè)計(jì)、組態(tài)和實(shí)施[3]。用于硬件組態(tài)如網(wǎng)絡(luò)、IO模塊、控制器、現(xiàn)場設(shè)備,以及程序組態(tài)所有連續(xù)的、邏輯的、電機(jī)控制的、順序的、批量的以及先進(jìn)的控制功能。Honeywell提供的各種功能塊,用以實(shí)現(xiàn)不同控制功能。每一個(gè)功能塊帶有一系列的參數(shù),用于直觀顯示該功能塊所具有的作用。功能塊之間的互聯(lián),可以通過“軟接線”的方式非常方便地實(shí)現(xiàn)以構(gòu)筑控制策略或應(yīng)用。PID組態(tài)畫面見下頁圖6。

        圖6 PID控制回路組態(tài)畫面

        4.2 畫面制作

        流程圖畫面組態(tài)HMIWeb Display Builder是面向?qū)ο蟮模苫挠脩舢嬅娼M態(tài)工具,用于生成用戶專用的顯示圖形畫面。動態(tài)顯示可以簡單地通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊組態(tài)迅速生成。系統(tǒng)還提供一個(gè)圖形庫含有如容器、管道、閥門、罐、馬達(dá)等通用的工廠設(shè)備,幫助用戶進(jìn)一步加快圖形設(shè)計(jì)的速度。此外,對于一些多處用到的相似畫面,可以用模板畫面的功能減少組態(tài)時(shí)間,通過使用腳本程序可以顯著地增強(qiáng)圖形畫面功能。如高速動畫、工具提示、控制操作站作用等都可以通過腳本程序完成。鍋爐控制的控制界面見圖7。

        圖7 鍋爐控制界面

        5 結(jié)語

        在鍋爐過程控制中,由于牽涉的控制系統(tǒng)比較龐大,涉及的控制回路,控制方案比較復(fù)雜,在鍋爐汽包水位控制、鍋爐燃燒過程控制、過熱蒸汽溫度控制等方案中涉及的控制通道較多,用簡單的控制器難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制方案,而且在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控比較繁瑣,可靠性低不利于操作。內(nèi)蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司采用了Honeywell公司的DCS進(jìn)行控制使控制過程便于操作監(jiān)控,使控制系統(tǒng)盡量滿足控制要求。采用分散控制、集中管理、系統(tǒng)畫面監(jiān)控報(bào)警功能更是保證生產(chǎn)的安全經(jīng)濟(jì),統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫更便于實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化,提高經(jīng)濟(jì)效益。

        [1]潘永湘,楊延西,趙躍.過程控制與自動化儀表:第2版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012:253-274.

        [2]華東六省一市電機(jī)工程(電力)學(xué)會.鍋爐設(shè)備及其系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,2006:54-112.

        [3]周榮富,陶文英.集散控制系統(tǒng)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2011:140-195.

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