田建文
(華能新疆吉木薩爾發(fā)電有限公司,新疆 昌吉 831700)
燃料輸送作為大型火電廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中的重要環(huán)節(jié),對(duì)火電廠的穩(wěn)定運(yùn)行與發(fā)展具有較大影響[1]。燃料輸送過程復(fù)雜,存在較多不確定與不可控因素,對(duì)燃料輸送的操作效率會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響[2]。基于此,該文在傳統(tǒng)燃料輸送控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),以S大型火電廠為例,設(shè)計(jì)了一種全新的燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),為提高大型火電廠燃料輸送的效率、促進(jìn)火電廠的高速發(fā)展提供參考。
該文設(shè)計(jì)的燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用3層控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),為控制系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障??刂葡到y(tǒng)采用局域網(wǎng)接入的S系列的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),其尺寸為45 mm×440 mm×290 mm,交換容量為56 Gbps,RAM內(nèi)存為128 MB。配置24個(gè)千兆R(shí)J45端口,自適應(yīng)IEEE 802.3af PoE或IEEE 802.3at PoE+端口,能夠自動(dòng)檢測(cè)并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備提供所需功率[3]。管理員可以在控制系統(tǒng)圖形界面中配置、監(jiān)控和排除燃料輸送設(shè)備故障[4]??刂葡到y(tǒng)數(shù)據(jù)中心電源采用在線式UPS類型的電源,其輸出功率容量為6 000 VA/5 400 W。數(shù)據(jù)中心電源前面板LCD界面能顯示控制系統(tǒng)燃料輸送過程中UPS狀態(tài)、電壓、頻率以及備用時(shí)間等,LED屏可顯示控制系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備運(yùn)行交流電輸入/輸出電壓、電池電量和輸送設(shè)備故障狀態(tài)。
上述燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)完畢后,該文又對(duì)控制系統(tǒng)各項(xiàng)軟件功能進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì),具體步驟如下。
燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能作為該文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中的重要組成部分,對(duì)燃料輸送的效率具有直接影響。該文先對(duì)大型火電廠的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況與特征做出全面分析,初步獲取了燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線控制邏輯。然后分別從控制系統(tǒng)物理地址與邏輯地址2個(gè)角度出發(fā),描述燃料輸送過程中系統(tǒng)脈沖信號(hào)的變化情況[5]。再根據(jù)脈沖信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化和控制系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)狀態(tài)條件, 設(shè)定燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能的開/關(guān)命令。在此基礎(chǔ)上,輸入大型火電廠燃料輸送的狀態(tài)條件,設(shè)計(jì)燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能的設(shè)備操作窗,如圖1所示。
如圖1所示,設(shè)定燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制標(biāo)題與操作按鈕,實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)合PID控制原理,設(shè)定燃料輸送模擬量穩(wěn)定值,根據(jù)大型火電廠燃料輸送量的需求調(diào)節(jié)設(shè)備操作窗的滑塊位置,修改燃料輸送模擬量,使其接近穩(wěn)定值。通過控制系統(tǒng)設(shè)備操作窗實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸送量與輸送時(shí)間,實(shí)現(xiàn)燃料輸送模擬量自動(dòng)化控制的目標(biāo)[6]。
在此基礎(chǔ)上,實(shí)時(shí)分析總線控制系統(tǒng)中燃煤輸送床層壓力指令的動(dòng)態(tài)變化,將系統(tǒng)輸出的壓力指令與實(shí)際燃料輸送需求進(jìn)行對(duì)比,獲取系統(tǒng)輸出指令的偏差。將輸出指令偏差通過系統(tǒng)的乘法器進(jìn)行增益處理,獲取輸出指令的增益系數(shù),上傳至總線控制系統(tǒng)的PID控制器中,作為燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能的控制指令。燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能控制指令的表達(dá)式如公式(1)所示。
式中:D為輸出指令的增益系數(shù),即燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能控制指令;qa、qs和qc分別為總線控制系統(tǒng)的床層壓力、燃料儲(chǔ)存鍋爐床壓與燃料控制層壓力;qM為燃料儲(chǔ)存爐膛密相區(qū)的壓力;Tc為函數(shù)器轉(zhuǎn)換系數(shù);hm為燃料輸送控制料層高度;r為總線控制系統(tǒng)運(yùn)行增益系數(shù)。在總線控制系統(tǒng)燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能處于穩(wěn)態(tài)時(shí),qc等于零,此時(shí),控制指令如公式(2)所示。
通過燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能實(shí)時(shí)控制燃料的輸送量與系統(tǒng)床壓偏差,保證總線控制系統(tǒng)燃料輸送的效率。
在上述燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能設(shè)計(jì)完畢后,實(shí)現(xiàn)燃料輸送量實(shí)時(shí)自動(dòng)化控制的目標(biāo)。在這個(gè)基礎(chǔ)上引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),對(duì)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全方位設(shè)計(jì),保證系統(tǒng)通信、數(shù)據(jù)交換與傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與高效性。
該文在燃料輸送控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中,以主、從站控制的形式為主,在系統(tǒng)主站與上位機(jī)、從站之間建立通訊連接。在連接中,以Profibus DP/PA總線協(xié)議為主要通信協(xié)議,布設(shè)大型火電廠燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備,使現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)組件與控制系統(tǒng)上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備之間能進(jìn)行高效實(shí)時(shí)通信?,F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。。
為了提高控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量與效率,該文在燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線DP網(wǎng)段設(shè)計(jì)中采用菊花鏈型結(jié)構(gòu),在PA網(wǎng)段設(shè)計(jì)中采用樹型結(jié)構(gòu)。選擇5 Mbits/s的穩(wěn)定可重復(fù)性網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)中設(shè)置一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)點(diǎn),保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性。
整體的燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)以分布式配置為主,遠(yuǎn)程控制燃料輸送控制系統(tǒng)中各項(xiàng)設(shè)備的參數(shù)設(shè)定需要結(jié)合燃料實(shí)際輸送狀況,調(diào)整系統(tǒng)的控制策略與程序。
上述控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省=酉聛?,該文?duì)系統(tǒng)中燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能進(jìn)行了設(shè)計(jì),以實(shí)時(shí)監(jiān)控大型火電廠燃料輸送設(shè)備的輸送操作狀況,掌握輸送現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),為火電廠燃料的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供保障。
首要的是確定燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能的監(jiān)控對(duì)象,對(duì)監(jiān)控對(duì)象的運(yùn)行方式進(jìn)行全面分析,掌握其運(yùn)行特征。該文設(shè)定燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能的相關(guān)參數(shù)見表1。
表1 燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能參數(shù)設(shè)計(jì)
表1中的相關(guān)參數(shù)具有較高的功能集成度與軟件結(jié)構(gòu)清晰度。在此基礎(chǔ)上,該文設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面,選取4個(gè)不同顏色來描述燃料輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài):紅色表示燃料輸送機(jī)處于輸送操作狀態(tài);綠色表示燃料輸送機(jī)處于停止運(yùn)行狀態(tài);黑色表示燃料輸送機(jī)處于故障檢修狀態(tài);藍(lán)色表示燃料輸送機(jī)處于選中即將投入輸送操作狀態(tài)。顏色劃分的方式可使燃料輸送機(jī)當(dāng)前狀態(tài)在控制系統(tǒng)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面中顯示得更加直觀清晰。
在火電廠燃料輸送過程中,總線控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)控燃料機(jī)運(yùn)行時(shí)燃料儲(chǔ)存鍋爐供油噴嘴的工作狀態(tài)變化與爐內(nèi)介質(zhì)溫升變化。在監(jiān)控功能中,設(shè)定總線控制系統(tǒng)的報(bào)警閾值,當(dāng)燃料儲(chǔ)存鍋爐供油噴嘴運(yùn)行異常和介質(zhì)溫升異常時(shí),系統(tǒng)監(jiān)控功能通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。燃料儲(chǔ)存爐內(nèi)介質(zhì)溫升計(jì)算如公式(3)所示。
式中:Vr為燃料儲(chǔ)存爐內(nèi)可燃混合物的容積;V為燃料儲(chǔ)存爐內(nèi)整體容積;Qr為燃料儲(chǔ)存爐內(nèi)可燃混合物單位容積熱值;Cr為燃料輸送過程中的爐膛介質(zhì)平均比熱容。
通過計(jì)算獲取燃料輸送過程中的儲(chǔ)存爐內(nèi)介質(zhì)溫升變化,溫升異常時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),幫助管理人員快速掌握燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)的情況。通過燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能,可提高燃料輸送的效率,保障輸送現(xiàn)場(chǎng)的安全性與有序性,實(shí)現(xiàn)大型火電廠燃料輸送監(jiān)控、控制與管理的目標(biāo)。
上述內(nèi)容為該文針對(duì)大型火電廠采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)的燃料輸送控制系統(tǒng)的整體流程。在此基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的可行性做出客觀分析,該文進(jìn)行了如下系統(tǒng)測(cè)試。選取某地區(qū)S大型火電廠為研究對(duì)象,該火電廠的建設(shè)規(guī)模較大,包括各種類型的供熱機(jī)組。當(dāng)前的S大型火電廠運(yùn)行過程中,各臺(tái)機(jī)組均設(shè)置了DSC分散控制系統(tǒng),應(yīng)用范圍有限,無法有效滿足燃料輸送的需求。該文將所設(shè)計(jì)的燃料輸送控制系統(tǒng)應(yīng)用到S大型火電廠中,對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。
測(cè)試主要從2個(gè)角度出發(fā),采用黑盒測(cè)試與白盒測(cè)試方法,分別對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行功能與性能進(jìn)行全方位測(cè)試。燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的測(cè)試結(jié)果見表2。
表2 燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)功能模塊測(cè)試結(jié)果
根據(jù)表2可知,該文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)各個(gè)功能模塊運(yùn)行狀況良好,測(cè)試結(jié)果均符合預(yù)期要求,能夠?yàn)槿剂陷斔同F(xiàn)場(chǎng)總線控制提供保障。
在此基礎(chǔ)上,采用白盒測(cè)試的方法對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。為了更加直觀地驗(yàn)證該所設(shè)計(jì)的燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的有效性,該文采用對(duì)比分析的試驗(yàn)方法,將所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比??刂葡到y(tǒng)運(yùn)行過程中網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間周期的3個(gè)時(shí)段如圖3所示。
圖3分別在網(wǎng)絡(luò)刷新預(yù)定時(shí)段、非預(yù)定時(shí)段以及操作維護(hù)時(shí)段內(nèi),對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況做出了分析,判斷各個(gè)時(shí)段內(nèi)燃料輸送控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)S大型火電廠燃料現(xiàn)場(chǎng)輸入工藝的需求與特征,調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與CPU內(nèi)務(wù)處理時(shí)間。設(shè)置燃料輸送量分別為500 m3、1 000 m3、1 500 m3、2 000 m3、2 500 m3、3 000 m3。利用MATLAB分析軟件,分別測(cè)定燃料輸送量不斷增加下3種控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間并進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。
根據(jù)圖4可知,在燃料輸送量不斷增加的趨勢(shì)下,該文設(shè)計(jì)的燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較短,均不超過6 s,比另外2種控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度更快,能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成燃料輸送操作,可行性較高。
通過上述研究,能夠得到以下幾個(gè)方面結(jié)論:1)根據(jù)表1的控制系統(tǒng)功能模塊測(cè)試結(jié)果可知,該文所設(shè)計(jì)的燃料輸送現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊運(yùn)行狀況良好,均符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。2)根據(jù)圖4可知,按照該文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),在燃料輸送量不斷增加的趨勢(shì)下,其運(yùn)行時(shí)間較短,均能夠在6 s內(nèi)完成燃料輸送操作,優(yōu)勢(shì)顯著。