(重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 400053)

近年來，隨著火電機(jī)組單機(jī)容量的迅速增大及電力企業(yè)自動(dòng)化控制水平的逐漸提高，我國(guó)已進(jìn)入大機(jī)組、高參數(shù)、高度自動(dòng)化的時(shí)代[1]。由于600 MW、1 000 MW等大容量機(jī)組的監(jiān)控參數(shù)越來越多，集散控制系統(tǒng)(DCS)中由功能塊搭接的控制回路越來越龐大，控制系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，給電廠熱工維護(hù)人員及時(shí)進(jìn)行事故分析帶來了不便，容易造成故障[2]，同時(shí)也給學(xué)生學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)分析帶來極大困難。

思維導(dǎo)圖(mind mapping)是直觀的知識(shí)組織與表征工具。它運(yùn)用圖文并重的技巧，把各級(jí)主題的關(guān)系用相互隸屬與相關(guān)的層級(jí)圖表現(xiàn)出來[3]，思路明朗，條理清晰，已廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域，并取得了卓越的成效[4]。將思維導(dǎo)圖應(yīng)用于熱工控制系統(tǒng)分析，可幫助學(xué)生和熱工人員理清分析思路、找準(zhǔn)關(guān)鍵點(diǎn)，從而有效引導(dǎo)其分析控制系統(tǒng)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

1 控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)

控制系統(tǒng)起始于20世紀(jì)40年代，其前身由早期的現(xiàn)場(chǎng)基地式儀表和后期的繼電器構(gòu)成。到70年代中期，隨著“4C ”(計(jì)算機(jī)、控制、通信、CRT )技術(shù)的興起，火電廠熱工自動(dòng)化技術(shù)得到了相應(yīng)的發(fā)展，其中最有代表性的是集散控制系統(tǒng)(DCS)。DCS 自誕生伊始，便展示出蓬勃生機(jī)，日益發(fā)展完善，并廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大型機(jī)組[5]。近年來，隨著火力發(fā)電機(jī)組向高參數(shù)、大容量發(fā)展，火電廠熱工自動(dòng)化控制也朝著高速化、智能化方向快速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)(FCS)、智能控制技術(shù)等[6]。雖然FCS在結(jié)構(gòu)、性能上優(yōu)于傳統(tǒng) DCS，但面對(duì)控制對(duì)象非常復(fù)雜且運(yùn)行可靠性要求又極高的火電廠，F(xiàn)CS的優(yōu)勢(shì)不一定能充分發(fā)揮，其在火電廠大范圍推廣應(yīng)用還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。而DCS控制系統(tǒng)卻在不斷采用新技術(shù)和先進(jìn)控制策略等來完善自己，發(fā)展至今已相當(dāng)成熟和實(shí)用，故其仍為現(xiàn)代火電廠控制系統(tǒng)的主流[5]。

目前，火電廠集散控制系統(tǒng)(DCS)已實(shí)現(xiàn)了模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)以及汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)等方面的功能。其中，MCS主要對(duì)鍋爐、汽輪機(jī)以及輔助系統(tǒng)的有關(guān)模擬量參數(shù)進(jìn)行連續(xù)閉環(huán)控制，使被控模擬量參數(shù)值維持在設(shè)定范圍或按預(yù)期目標(biāo)變化。其主要特點(diǎn)表現(xiàn)為功能龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各子控制系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，抽象難懂、邏輯性強(qiáng)。

對(duì)于模擬量控制系統(tǒng)SAMA圖，尚未見相關(guān)文獻(xiàn)資料闡述其分析方法，熱工人員普遍根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來讀圖識(shí)圖。熱工學(xué)徒和學(xué)生在面對(duì)控制系統(tǒng)時(shí)普遍認(rèn)為晦澀難懂、無從著手，在分析控制系統(tǒng)時(shí)則缺乏條理、思路混亂、毫無邏輯。

2 思維導(dǎo)圖概念及其結(jié)構(gòu)

思維導(dǎo)圖又叫心智圖，是由英國(guó)著名心理學(xué)家、教育學(xué)家托尼·博贊(Tony Buzan)于19世紀(jì)70年代提出的[7]。其把思維導(dǎo)圖定義為“放射性思維的表達(dá)，也是人類思維的自然功能。它是一種非常有用的圖形技術(shù)，是打開大腦潛力的萬(wàn)用鑰匙。思維導(dǎo)圖可以用于生活的各個(gè)方面，應(yīng)用它改進(jìn)后的學(xué)習(xí)能力和清晰的思維方式會(huì)改善人的行為表現(xiàn)和思維習(xí)慣”[8]。思維導(dǎo)圖通常從一個(gè)主題開始，對(duì)彼此間有關(guān)聯(lián)的信息進(jìn)行分層、分類管理，逐步建立一個(gè)有序的發(fā)散思維圖，對(duì)思維過程進(jìn)行導(dǎo)向和記錄。從知識(shí)表示的能力看，思維導(dǎo)圖呈現(xiàn)的是一個(gè)思維過程，是知識(shí)和思維過程的圖形化表征，學(xué)習(xí)者可以通過思維導(dǎo)圖迅速掌握整個(gè)知識(shí)架構(gòu)，從而有利于直覺思維的形成、促進(jìn)知識(shí)的遷移[4]。

思維導(dǎo)圖的特點(diǎn)是易讀形象性、聯(lián)想發(fā)散性。它強(qiáng)大的圖形工具和非線性的記錄方式容易活躍思維，從而創(chuàng)造出比較有價(jià)值、有意義的設(shè)想和想象，有助于問題的研討，并得以順利解決[9]。它有利于構(gòu)造一種積極交流、生動(dòng)有趣、輕松活潑的學(xué)習(xí)氛圍。現(xiàn)代教學(xué)應(yīng)用中，“思維導(dǎo)圖普遍作為一種可視化教學(xué)輔助工具，利用文字、符號(hào)、圖像等呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的核心概念與邏輯關(guān)系，幫助教師設(shè)計(jì)教學(xué)流程、優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生形成良好的知識(shí)體系和思維能力”。[10]

思維導(dǎo)圖主要由圖像、關(guān)鍵詞、分支、顏色4個(gè)要素構(gòu)成。構(gòu)建思維導(dǎo)圖時(shí)，首先用圖像或關(guān)鍵詞將中心主題描述出來，并置于圖像中央；然后，根據(jù)中心主題聯(lián)想相關(guān)次級(jí)分支主題，依次添加并將其連接起來；最后，使用符號(hào)、文字、圖像等內(nèi)容充實(shí)各分支主題。若次級(jí)分支主題還有子主題，則繼續(xù)延伸添加，以此類推。本文以“思維導(dǎo)圖”為中心主題，構(gòu)建思維導(dǎo)圖如圖1所示。該思維導(dǎo)圖主要介紹了“思維導(dǎo)圖”相關(guān)概念，包括思維導(dǎo)圖的創(chuàng)始人、定義、特征、構(gòu)成要素、用途及基本軟件等。

3 思維導(dǎo)圖在控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用

傳統(tǒng)分析系統(tǒng)的原則：從上往下，從左往右。但對(duì)于電廠模擬量控制系統(tǒng)來說，若按照以上原則分析，則往往抓不住核心關(guān)鍵，思維混亂，毫無邏輯可言。顯然，該原則不再適用。

模擬量控制系統(tǒng)抽象且邏輯性強(qiáng)，其核心所在為PID控制器，只有理清控制系統(tǒng)中PID控制器之間的關(guān)系并確定其結(jié)構(gòu)、分析出PID控制器的輸入輸出等，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量控制系統(tǒng)的有效分析。本文結(jié)合模擬量控制系統(tǒng)特點(diǎn)以及教學(xué)所得控制系統(tǒng)分析方法，使用MindManager繪制出分析模擬量控制系統(tǒng)的思維導(dǎo)圖，如圖2所示。

圖2 模擬量控制系統(tǒng)思維導(dǎo)圖

依據(jù)圖2所示的思維導(dǎo)圖分析模擬量控制系統(tǒng)時(shí)，主要從控制系統(tǒng)的“控制任務(wù)”“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“PID控制器”“前饋控制”“超馳控制”“其他功能”6個(gè)方面進(jìn)行分析。

控制任務(wù)：在面對(duì)一個(gè)待分析的模擬量控制系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)弄清這個(gè)控制系統(tǒng)的控制任務(wù)或控制目的是什么。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：準(zhǔn)確分析控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是通過PID控制器確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。即理清控制系統(tǒng)中PID控制器的個(gè)數(shù)以及其相互之間的關(guān)系，以確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

如果控制系統(tǒng)中只有一個(gè)PID控制器，那么該系統(tǒng)就一定是單回路控制系統(tǒng)。

如果有兩個(gè)，則分析其之間有無聯(lián)系。若一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的輸入，則系統(tǒng)為串級(jí)控制系統(tǒng)；若兩個(gè)PID控制器輸入輸出之間毫無關(guān)聯(lián)，則系統(tǒng)就由兩個(gè)單回路控制系統(tǒng)構(gòu)成。對(duì)于系統(tǒng)中含有3個(gè)或3個(gè)以上控制器的，采用上述同樣的方法去判斷。

無論系統(tǒng)是單回路控制還是串級(jí)控制，只要其含有前饋信號(hào)(沒有經(jīng)過PID控制器直接作用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的信號(hào))，該系統(tǒng)就屬于復(fù)合控制系統(tǒng)。

比值控制系統(tǒng)是指含有兩種或兩種以上物質(zhì)量保持一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，對(duì)于電力行業(yè)熱工控制系統(tǒng)，汽包鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的風(fēng)煤比或直流鍋爐的水燃比均屬于比值控制系統(tǒng)。

PID控制器：確認(rèn)控制系統(tǒng)中各PID控制器的給定值和測(cè)量值分別是什么。

前饋控制：若系統(tǒng)中含有前饋信號(hào)，確定前饋信號(hào)是什么。前饋信號(hào)通常在M/A 站之前、PID控制器之后引入，多數(shù)控制系統(tǒng)含有前饋。

超馳控制：是指當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)接到事故報(bào)警、偏差越限、故障等異常信號(hào)時(shí)，超馳邏輯將根據(jù)事故發(fā)生的原因立即執(zhí)行自動(dòng)切手動(dòng)MRE、優(yōu)先增PLA、優(yōu)先減PLW、禁止增BI、禁止減BD等邏輯功能，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到預(yù)先設(shè)定好的安全狀態(tài)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。超馳控制邏輯信號(hào)來自順序控制系統(tǒng)SCS，一般用虛線表示，其優(yōu)先級(jí)高于模擬量控制系統(tǒng)。

其他功能：查看控制系統(tǒng)中是否含有其他功能，如增益調(diào)整與平衡(BALANCER)、聯(lián)鎖切換等。

顯然，基于以上思維導(dǎo)圖法對(duì)模擬量控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，思路清晰、條理分明，方法簡(jiǎn)便，有助于學(xué)生和熱控人員對(duì)控制系統(tǒng)的理解和掌握。

4 小結(jié)

本文依據(jù)熱工控制系統(tǒng)特點(diǎn)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將思維導(dǎo)圖引入熱工控制系統(tǒng)分析中，提出了一種新的基于思維導(dǎo)圖的熱工控制系統(tǒng)分析方法。該方法從“控制任務(wù)”“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“PID控制器”“前饋控制”“超馳控制”“其他功能”等6個(gè)方面對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和梳理，直觀明了，富有條理性，易被廣大學(xué)生和熱控人員理解和掌握，可有效指導(dǎo)其對(duì)火電廠熱工控制系統(tǒng)的分析和理解。