基于和利时MACS的锅炉过热蒸汽温度控制系统

刘 勇，虎恩典，雷 婷

LIU Yong1, HU En-dian1, LEI Ting2

（1.北方民族大学 电气信息工程学院，银川 750021；2.宁夏大学 机械工程学院，银川 750021）

0 引言

随着工业技术快速发展，对工业生产的智能化、分布式控制、集中式管理以及可靠性等要求不断的提高，DSC系统得到了广泛的应用，尤其是电力、石化、石油等行业。DCS系统是集散型控制系统，也称分布式控制系统，它主要以4C技术为基础，即计算机-Computer、控制-Control、通信-Communication、CRT显示技术。它将现场控制站、控制中心的操作员站及工程师站等通过网络连接起来，实现对现场设备的分散控制和集中操作管理。该系统优化了能源利用，提高了自动化程度及安全性与可靠性，提高劳动生产效率。因此，宁夏某4×300MW电厂对#4机组锅炉控制系统进行升级改造时采用了该系统，选用北京和利时MACS控制系统。

发电厂主要有三大系统，即燃烧系统、汽水循环系统和电气系统[1]。在汽水循环系统中，过热器是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽，来提高蒸汽的焓值，以提高电厂热力循环效率。过热蒸汽温度是整个汽水循环系统中工质的最高温度，若温度过高，容易烧坏过热器，也会引起汽轮机高压部分过热；而温度过低，则会影响全厂热效率（一般温度降低5℃～10℃，热效率降低约1%[2]），引起汽轮机末级蒸汽湿度增加，甚至带水，严重影响汽轮机安全运行。因此，在锅炉运行中，必须严格控制过热蒸汽温度在给定值（该机组温度540℃）附近，一般要求温度的偏差不超过±5℃～±10℃，因此，对过热蒸汽温度的控制是非常重要的。

1 MACS控制系统及过热器结构

1.1 MACS控制系统简介

和利时MACS控制系统是利用以太网和现场总线技术的控制网络，将各工程师站、操作员站、现场控制站、数据服务器连接而成的综合自动化系统。系统硬件主要由监测控制层和现场控制层组成，监测控制层由工程师站、操作员站、通讯控制站、监控网络等组成，该层主要对相关参数进行监测，将操作指令下传到下层及实现工程设计等功能，现场控制层由主控单元和I/O单元等组成，这一层将现场采集到的数据进行运算处理，输出相应的控制指令到执行器，并将需要的数据传递给监测控制层，接收上层来的指令。系统基本组成结构如图1所示，各单元均采用冗余配置。

应用系统的开发需要通过工程师站组态软件产生，该电厂选用和利时最新的开发应用平台MACS V6.5.1，工程师组态软件包括组态管理、其他组件和工具三部分，组态管理是工程师站的主要工具，由工程总控、图形编辑器和Auto Think三个软件组成，工程总控用来部署和管理整个系统，它集成了工程管理、数据库编辑、用户组态、报表和节点组态、编译下装等功能，工程管理器是面对域的，即一个工程对应着一个域。图形编辑器生成在线操作的流程图和界面模板。Auto Think是控制器算法组态软件，它集成控制器算法的编辑、管理、仿真、在线调试以及硬件配置等功能，该软件代替了集成的第三方软件[5]，极大提高了系统软件间的配合性和稳定性。整个工程建立的流程如图2所示。4#机组共设立1个工程师站，8个操作员站，组建了31个现场控制站，共有18636个点。

图2 组态流程

1.2 过热器结构

锅炉的过热器一般采用低温、屛式和高温过热器，或对这三种过热器进行交替串联布置的结构[6]，该300MW机组采用组合式过热器，即低温、屛式和高温过热器依次排布，屛式和高温过热器均为A、B两侧对称分布，屛式过热器位于炉膛顶部，以辐射热为主，高温过热器位于炉膛出口水平烟道，以对流换热为主，随锅炉负荷增加时出口蒸汽温度上升。其结构如图3所示。这种结构过热器管道变长，主汽温度的滞后和惯性大大增加，为了提高系统的控制品质，因此采用分段控制[7]，即在屏式过热器和高温过热器入口分别安装一、二级喷水减温器，通过两级喷水减温调节，减小蒸汽温度的延迟和惯性，防止温度的急剧变化，确保机组安全可靠的运行。一级减温控制屛式过热器出口温度，二级减温控制高温过热器出口温度，即主汽温度。

图3 过热器结构

2 过热蒸汽温度控制系统分析及硬件设计

2.1 控制系统分析

由工艺结构可知，每级A、B侧都是一个独立的控制单元，第一级减温是实现主蒸汽温度的粗略控制，二级减温实现主蒸汽温度的精确控制。每一个单元采用的控制策略也是相同的，在此主要以二级减温A侧进行说明。在设计控制系统时，选择延迟和惯性都小于过热器出口温度T2的减温器出口处蒸汽温度T1作为辅助被调量，称为导前温度信号，来提前反应调节效果，过热器出口温度T2作为主调量。先前的系统采用导前微分控制策略[11]，即引入减温器出口蒸汽温度的微分信号，作为调节器的前馈，该信号与主蒸汽温度变化趋势一致，过热器出口温度作为调节器的反馈信号，其控制框图如图4所示。GR(s)为调节器传递函数，GD(s)为微分器传递函数，KZ为执行器放大系数，KZ为喷水阀放大系数，G1(s)为导前区传递函数，G2(s)为惰性区传递函数。

图4 导前微分控制框图

实践表明，该控制策略温度能够控制在540℃±10℃范围内，调节的质量还有待于进一步提高。对图4进行串级分析，得到等效的控制框图[9]如图5所示，从等效框图可知，它相当于一个串级控制，设微分器和调节器的传递函数分别为，，进行串级等效后，主调节器传递函数为：，副调节器等效：，由此可知，主副调节器均采用PI调节，而实际的串级控制，为了提高副回路的快速性和加强校正作用，副回路采用P调节器或PD调节器，主回路采用PI调节器，所以导前微分控制系统的跟踪性和校正作用不强。

图5 导前微分控制等效框图

系统延迟和惯性较大且外扰频繁，要求实现较高的调节质量，因此选择串级控制系统，控制目标是将温度控制在±5℃内，串级控制系统有两个调节器，减温器出口温度作为副回路的反馈量，主调节器的输出为副调节器的给定值，过热器出口温度作为主回路的反馈量，控制框图如图6所示。副调节回路采用P或PD调节器，相当于一个随动系统，当减温器出口温度、喷水压力、蒸汽压力发生改变或其它扰动引起减温器出口温度波动时，副调节器就能及时动作来调节喷水阀，维持过热器入口温度的稳定，当扰动发生在副回路之外，引起过热器出口温度偏离给定值时，主调节器输出校正信号，通过副调节器回路去改变减温水流量，使过热蒸汽温度恢复到给定值。

图6 串级控制框图

经过长时间现场试验得到相关对象的传递函数如下所示：导前区传递函数：

惰性区传递函数：

根据上述两种控制策略在MATLAB中建立仿真模型如图7所示，图中上半部分为串级控制，下半部分为导前微分控制。

串级控制系统中，主调节器采用PI控制，副调节器采用PD控制，经过参数整定，主调节器中，KP1=1.5，TI1=0.01，副调节器中，KP2=1.2，TI2=2；导前微分系统中，调节器KP=2.5，TI=0.2，微分器TD=5，在Simulink中仿真得响应曲线如图8所示，其中图8(a)为在蒸汽流量扰动作用下的响应曲线，图8(b)为在烟气流量扰动下的响应曲线。

图7 参数整定后控制系统仿真模型

图8 系统响应曲线图

由响应曲线可知，串级控制系统的超调量明显小于导前微分控制，调整时间明显比导前微分控制要快，抗扰动性也优于导前微分控制。由此而得，采用串级控制策略的控制品质要优于导前微分。

2.2 控制系统硬件设计

二级减温A测温度控制系统属于10号控制站，系统整体硬件结构如图9所示，主控DPU选用SM203（虚线框内），主要完成对AO卡件的数据采集和运算并将控制量送到DO卡件，并和上位机之间进行实时通信。SM203主要配置为：采用嵌入式32位处理器，主频400MHz，主、从冗余配置，双DP通讯收发器，系统双网冗余，10M以太网双机数据交换，支持ProfiBus-DP,通过64针连接器与基笼底板相连，DP主站采用DSP与高速UART实现DP通讯，DSP与PC数据交换采用双口RAM。SM203共有三个10M以太网，一个用于冗余双机交换数据，其余两个互为冗余用来与服务器交换数据。

图9 主控单元原理图

从以上分析可知，需要测得二级A侧喷水器出口蒸汽温度（过热器入口温度）T1和过热器出口温度T2，这两路温度采用E分度Ⅰ级热电偶，将-40℃～800℃温度转化为-2.25mV～61.0mV的电压信号送入AI卡件，第一通道采集减温器出口温度T1，第二通道采集过热器出口温度T2，AI卡件选用八路热电偶输入模块SM472，它可对多种热电偶毫伏电压信号进行线性处理，采用冗余双通讯收发器。每路通道将采集到的热电偶信号进行滤波等一系列处理后，进入A/D转换器，把模拟信号转换成数字信号，通过现场总线ProfiBus-DP上传至主控端元（SM203），其工作原理如图10所示，接线图如图11所示。

图10 SM472原理图

图11 温度采集接线图

主控制器将AI卡件送来的被测量经过运算输出相应的控制量到DO卡件，DO卡件选用SM520-8CH八通道输出模块，每个通道都是冗余配置，接收到主控制器输出的数字信号后经过光电隔离器、D/A转换器、滤波、V-I电压电流变换器，最后得到4mA～20mA的电流信号，该信号通过64针欧式连接器，将电流信号输出到现场执行器，控制喷水调节阀开度，其中一路通道工作原理框图如图12所示。

图12 SM520工作原理图

3 过热蒸汽温度控制软件设计

目前，在工业过程控制中，PID算法由于原理简单、易于实现、鲁棒性好、适用范围广等优点[8]，被广泛应用，本设计中也采用了PID控制策略，过热器出口温度作为主调的过程值，主调节器的输出作为副调节器的给定值，过热器入口温度作为副调节器的过程值，同时为了防止主调输出的大幅度波动，因此对主调输出设定了上下线限定，上下线是由输出指令和过热器入口温度决定的，最终输出的控制量经手操器送到喷水执行器调节阀，其流程SAMA图如图13所示。

主副调节器均采用MACS V集成的专用PID模块，算法采用含有实际微分环节增量型算式计算，表达式为[13]：

图13 控制系统流程图

主调节器输出的上下线是减温水调节指令经过函数f3(x)、f4(x)运算后加上过热器入口温度形成的，其中：

x为减温水调节阀指令。图13中M/A为手操器，T为手操器手动或自动操作的切换开关，手操器TS为跟踪开关，TM为强制手操开关，手操器可以实现三种工作方式，即自动方式、跟踪方式和强制手动方式。

1)自动方式，当TS=0且TM=0时，手操器工作在自动方式，主副调节器正常投入。

2)跟踪方式，当TS=1时，手操器工作在跟踪方式，它跟踪的是TP值，它动作的条件是来自RB指令或是MFT发报警信号，即TS=RB+MFT，手操进入跟踪模式AV=TP=0，快速关闭喷水调节阀。

3)强制手动方式，当TM=1时，强制切手动方式，喷水阀开度由运行人员手动调节，f2(x)为温度品质判断函数，f1(x)为主汽温度误差限副函数，该模式提高了系统运行的安全性和可靠性，其条件为设定值与实际值偏差过大、过热器入口温度质量坏、主蒸汽流量过小等，判断逻辑如图14所示。

图14 强制手动逻辑条件

在实际控制系统中，负荷变化、蒸汽流量等因素的扰动，可能引起系统输出较大的偏差，经过积分项累积后，可能使控制量 μ（k ）＞μmax或μ（k ）＜μmin，超过执行机构所能决定的极限，出现积分饱和现象，这种现象会增加系统的调整时间和超调量，控制品质变差，为了防止这种情况的产生，采用积分分离[12]的方法消除饱和效应，即设置一个误差门限值ε，当偏差大于该门限值时，积分项不起作用，只有误差小于门限值时，才引入积分作用，消除静差。

本公司对4号机组改造完成后，启机并网，几个月来系统运行稳定，过热蒸汽温度控制系统精度也得到了根本性的改善，温度能控制在540℃±5℃范围之内，提高工质的热效应，节约能源。图15为随机截取的A侧过热蒸汽温度运行趋势图，从图A可知，过热器出口温度最小值535.358℃，最大值为542.697℃，平均值为538.364℃，由图B可知，过热器出口温度最小值为538.882℃，最大值为542.309℃，对所有趋势图进行长时间监测发现平均温度基本都在539℃±4℃范围之内，运行非常平稳。

图15 过热蒸汽温度运行趋势图

4 结论

通过对4#机组主蒸汽温度控制系统控制策略的改造，并网运行六个多月，从现场运行趋势及数据的分析来看，一方面实现了温度精确的控制，提高了系统的抗干扰能力，稳定性与可靠性均有明显的提高，系统整体的控制品质得到了改善，另一方面提高了工质的热效率，提高了产能，降低了运行人员的劳动强度，为其他3台机组的改造工程提供了宝贵的经验。

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