員三妮

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075）

在化工生產(chǎn)運行過程中，其中鍋爐是非常重要的動力設(shè)備，主要任務(wù)是在生產(chǎn)過程中根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要提供一定量規(guī)格的蒸汽，不僅是重要的熱源更是動力源。一般常見的鍋爐水位控制系統(tǒng)，如圖1 所示。在火電廠運行過程中，在確保鍋爐安全生產(chǎn)時首要任務(wù)就是控制其水位高度在額定值之間使過熱蒸汽的溫度保持穩(wěn)定，將鍋爐中爐膛負(fù)壓值維持恒定值，并保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟性、高效性和有效性等。其水位的高度值與對燃燒的控制、蒸汽溫度的控制以及蒸汽壓力的控制密切相連。如果在運行的過程中汽包水位值降到警告值以下，水的氣化速度將會非?？焖?，氣泡內(nèi)水量變化會比正常情況變化快，如果水位過高將會導(dǎo)致管壁結(jié)垢而遭到破壞，因而鍋爐控制系統(tǒng)中的重中之重就是對汽包水位的控制。

圖1 鍋爐水位系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

1 鍋爐氣泡水位的控制方案

鍋爐的運行過程中根據(jù)其容量、調(diào)節(jié)精度及負(fù)荷變化速度的相關(guān)要求,目前鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)通常有單沖量控制系統(tǒng)、位式控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)、三沖量控制系統(tǒng)等。

1）單沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)具有設(shè)計成本低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)整定便捷等優(yōu)點。但在實際的生產(chǎn)過程中會有“虛假水位”的存在，在生產(chǎn)中如果突然增加用氣量時，實際的水位值是下降的，而這種單沖量控制系統(tǒng)的反饋卻是上升的，當(dāng)系統(tǒng)接收到這種錯誤信號后會減少水的流入量及減少閥門的開度。等“虛假水位”現(xiàn)象消散之后，會導(dǎo)致其水位發(fā)生驟降而引起安全事故。這種控制系統(tǒng)不適用于蒸汽流量變化較大的大中型鍋爐。

2）雙沖量水位控制系統(tǒng)目前采用的是“前饋-反饋”的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在長期生產(chǎn)實踐探索中得出：直接利用蒸汽流量的變化作為輸入量，不經(jīng)過閉環(huán)通道，直接作用于水閥門，從而進(jìn)行相關(guān)補償，這樣就會有效的解決了單沖量汽包水位控制系統(tǒng)中難以解決的問題，高效抑制了“虛假水位”對系統(tǒng)的影響。

3）三沖量水位控制系統(tǒng)是根據(jù)“汽包水位、蒸汽流量、給水流量”的變化控制汽包的水位，并通過給水調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)水位變化達(dá)到穩(wěn)定的目的。

在鍋爐啟動過程中就對過熱器、汽包、省煤器、水冷壁、再熱器等相關(guān)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

對汽包的保護(hù)：嚴(yán)格控制上水溫度及上水速度；嚴(yán)格控制汽包上、下壁溫度差及內(nèi)、外壁溫差低于規(guī)定值；嚴(yán)格控制升溫及升壓速度。

三沖量水位控制系統(tǒng)，如圖2 所示，目前這種控制系統(tǒng)采用的是“串級-前饋”復(fù)合結(jié)構(gòu)。在控制系統(tǒng)中將給水流量、汽包水位作為系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)部分，副調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)則在前饋通道中進(jìn)行補償，在副回路中完成穩(wěn)定調(diào)整。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)有效的滿足了系統(tǒng)對“穩(wěn)準(zhǔn)快”的要求，抑制了“虛假水位”。具有系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾性強等特點，普遍適用于大中型鍋爐。

圖2 三沖量控制框圖

2 控制系統(tǒng)硬件

本次設(shè)計控制系統(tǒng)硬件部分采用DSP2407A 作為控制核心,在整個系統(tǒng)中需要采集相應(yīng)的輸入信號：包括汽包水位值、給水流量、飽和蒸汽流量、飽和蒸汽壓力、汽包壓力。將這些信號輸入到控制器采集后進(jìn)行輸出，電動執(zhí)行器的位置信號作為輸出控制的控制參量。

通過對鍋爐汽包水位控制對象的性能分析后，本文提出了基于DSP 為控制核心的模糊自適應(yīng)PID控制方案，在硬件系統(tǒng)中包含2407 控制器、SCI 接口、CAN 總線、顯示模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、JTAG 接口模塊、電源模塊、擴展存儲器RAM 模塊等，如圖3所示。

圖3 模糊自適應(yīng)PID 控制器硬件圖

首先系統(tǒng)采集5 個模擬輸入信號，包括：水位差壓信號、汽包壓力信號、蒸汽壓力信號、蒸汽差壓信號以及給水差壓信號。采集信號之后通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，還需要數(shù)字濾波、壓力補償和標(biāo)度變換等環(huán)節(jié)。再輸入給控制器，執(zhí)行相關(guān)的自適應(yīng)模糊控制算法，DSP 經(jīng)過運算后將電動執(zhí)行器的位置信號輸出，通過D/A 轉(zhuǎn)換器稱為模擬信號，傳送給變頻器或著伺服放大器，從而控制水閥門的開度值，保持汽包水位在一定的穩(wěn)定范圍內(nèi)，使整個系統(tǒng)維持在平衡狀態(tài)。

3 控制策略及系統(tǒng)仿真

在自動控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)的PID 算法作為最經(jīng)典的控制算法已經(jīng)有幾十年的歷史了，尤其在工控領(lǐng)域應(yīng)用最多，控制算法依舊是普及最廣的控制策略，其算法簡單可靠、魯棒性好、易學(xué)易懂、適用性強，穩(wěn)態(tài)無靜差。在工控系統(tǒng)控制中我們主要通過改變?nèi)齻€參數(shù)KP、KI、KD 來進(jìn)行對系統(tǒng)的調(diào)整，根據(jù)給定值和實際的輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按照比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，從而可使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

但是對于復(fù)雜的系統(tǒng)而言，由于有多個因素的影響，并且輸入量較多，只用PID 進(jìn)行控制時就無法滿足控制要求。例如鍋爐正常運行時發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸汽流量和給水流量擾動不存在時，傳統(tǒng)的控制策略將無法滿足控制要求，非常容易存在靜態(tài)誤差，調(diào)整參數(shù)時很難達(dá)到精度要求。傳統(tǒng)的PID 控制無法滿足這種隨機信號的大噪聲干擾，因為這種控制方法不具備自整定、自適應(yīng)性等特點。而模糊控制策略則具有相應(yīng)特性，改善系統(tǒng)性能，因此采用模糊控制PID 控制策略，如圖4 所示。

圖4 模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)圖

當(dāng)檢測系統(tǒng)采用模糊控制算法時，在檢測過程中添加3 個測量信號，有給水流量、蒸汽流量和汽包水位值，利用模糊控制算法計算出控制參數(shù)，應(yīng)用于三沖量系統(tǒng)控制中。在系統(tǒng)中形成兩路閉環(huán)回路，一條是給水流量檢測裝置，在給水流量變送器輸出的信號中加入動態(tài)前饋補償器，比較后輸出給水調(diào)節(jié)閥，用來消除給水側(cè)端的擾動，穩(wěn)定給水流量在一定的穩(wěn)定范圍。在水位控制中起輔助作用，稱之為水流量回路。另外一條由調(diào)節(jié)算法、水位變送器、整個內(nèi)回路及對象控制通道所構(gòu)成的回路，稱外回路。消除外部各種干擾歲水位值得影響，維持汽包水位與給定值接近。在圖中可以看到蒸汽流量是前饋信號，在系統(tǒng)中形成開環(huán)，但是不影響兩個閉環(huán)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)中與給水流量信號配合，達(dá)到期望的水位值，另一方面改善蒸汽量干擾下對水位的控制品質(zhì)，克服虛假水位所引起的調(diào)節(jié)算法的誤動作輸出。

根據(jù)以上系統(tǒng)動態(tài)特征的分析來設(shè)計汽包水位值的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，設(shè)計是必須考慮給水量和蒸汽量的階躍變化，這兩個因素是引起水位值變化的主要因素，調(diào)節(jié)器則根據(jù)水位實際值與設(shè)定值的偏差去控制水位調(diào)節(jié)閥，將水位值控制在預(yù)設(shè)的正常范圍內(nèi)。通過上述分析，在系統(tǒng)中進(jìn)行仿真實驗，如圖5所示。加入模糊控制后能達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。

圖5 模糊控制仿真波形

4 結(jié)語

本文采用了模糊算法結(jié)合PID 控制的方案。主要針對火電廠鍋爐汽包水位對象復(fù)雜，干擾因素多難以控制的問題，在分析被控對象的特性后，首先建立了系統(tǒng)模型，并對PID 的控制系數(shù)按照要求進(jìn)行在線自整定。通過MATLAB 中的simulink 仿真工具箱建立仿真系統(tǒng)模型，對汽包水進(jìn)行控制，可見模糊PID 控制具有過渡時間更短、超調(diào)量更小，能夠快速調(diào)整實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。在蒸汽擾動和給水?dāng)_動下具有較強的抗干擾能力，由此可得在鍋爐汽包水控制系統(tǒng)中模糊PID 控制系統(tǒng)作用效果最好。