DCS在锅炉监控中的应用

侯 慧， 刘宇航

（内蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017314）

引言

集散控制系统（Distributed Control System，简称DCS）从诞生以来其产品在工业大生产和民用工程自动化应用中的主要地位优势越来越明显。如今社会对工业产品质量要求越来越高，各种规模不同、类型不同的DCS在各个行业和各个领域得到广泛应用，尤其是自动化与信息化不断融合更加促进了集散控制系统的发展。工业锅炉是极为重要的热能动力设备，我国的锅炉生产和使用量在世界上排在首位，通过自动控制提高锅炉效率，并且降低其污染物的排放，减少能源的巨大浪费，是我国工业锅炉努力追求的目标。本文采用Honeywell公司Experion PKS系统对锅炉过程进行自动控制和状态监视。

1 锅炉过程工艺

锅炉的目的是提供蒸汽的装置，锅炉设备主要是由“锅”和“炉”两部分组成的。作为汽水系统的“锅”，其主要任务是吸收燃料放出的热量，使水加热、沸腾并最后变成具有一定参数的过热蒸汽。作为燃烧系统的“炉”，主要任务是使燃料在炉内良好地燃烧，释放热能。锅炉过程系统包括燃料燃烧系统、汽水系统、引风系统及辅助系统等，工艺流程如图1所示。

2 锅炉过程控制方案

2.1 汽包水位三冲量串级控制方案

此种控制是由主、副两个调节器和三个冲量（给水流量、汽包水位、蒸汽流量）构成的。其中，主调节器为汽包水位调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量为前馈信号。实际上此控制系统应该准确地叫做为三冲量前馈—反馈串级控制系统。这种控制方案的优点是：倘若蒸汽流量突然变化，控制系统将提前于水位的偏差进行前馈控制，并且它能够通过控制调节阀的给水流量来跟踪蒸汽流量的变化，从而维持进出汽包的物料平衡，进而抑制水位的动态偏差有效地克服虚假水位对系统的影响。假如说蒸汽流量不变，则由给水流量作为副被控量构成一个副回路，这样可及时消除给水压力波动引起的给水流量的波动。汽包水位作为此种控制系统的主被控量，主调节器采用PID调节规律。在控制系统的动态调节过程中，主调节器根据水位偏差设定给水流量的值；当系统达到稳态时，主调节器可使汽包水位等于设定值，三冲量控制流程图如图2所示。

图1 锅炉工艺流程图

图2 三冲量控制流程图

2.2 过热蒸汽温度控制方案

针对存在的问题，设计简单控制系统已经无法满足生产工艺的要求。为此，为了保证控制质量需要设计较为复杂的控制系统。一种可行的控制方案就是设计较为复杂的串级控制系统。这种类型的控制系统是将减温器后的蒸汽温度信号作为副被控参数构成一个副控制回路。由于惯性小当减温水自身出现波动时，通过副回路能马上做出调节[1]。当主蒸汽温度因受其他干扰而偏离我们的给定值时，主回路的温度传感器又可以将温度信号反馈回控制器，主调节器发出控制指令调节副调节器的设定值，副调节器动作输出控制信号控制调节阀，进而使主汽温在允许范围之内波动，使控制质量得到保证，过热蒸汽温度控制流程图如图3所示。

图3 过热蒸汽温度控制流程图

2.3 锅炉燃烧过程控制方案

燃料供应量的波动与蒸汽负荷的变化是影响蒸汽压力的主要外界因素。较小的燃料波动情况或对经济性要求不高的场合可以采用调节燃料量以控制蒸汽压力的简单控制方案。倘若燃料量波动较大、又—比值控制方案。由于这种控制方式的燃料量是伴随着蒸汽负荷而变化，应把它作为主动量，因此送风量就为从动量。要实现燃烧的充分性和经济性的要求，如果蒸汽负荷突然减小、压力增大时，通过低值选择器LS先减少燃料量，然后再减少空气量，这样可以避免燃料的浪费。另外倘若蒸汽的负荷增加、压力减小的时候，又可以采用高值选择器HS先增大空气供应量，再加大燃料量，让燃烧更为充分[2]。

因为对安全性有要求，所以需要对锅炉负压进行控制。一般采用送风量与引风量组成的串级控制系统，不过送风量的变化总会落后于蒸汽压力的变化，系统延迟较大，调整控制的方案为采用蒸汽压力与引风量构成串级控制系统，可以很好地消除蒸汽压力波动送风量变化引起的炉膛压力变化。由于在燃烧经济性控制过程中使用了串级比值选择控制方案，若再对负压采用串级控制由于两个控制系统各个参数相互耦合，会造成系统不稳定。鉴于这种因素，采用了单闭环控制方案，通过炉膛压力检测控制引风量，从而保证炉、膛负压的要求，燃烧过程控制流程见图4。

3 DCS总体结构

本系统采用霍尼韦尔公司的Experion PKS，见系统构建图5，系统组件包括如下内容。

图4 燃烧过程控制流程图

1）现场控制站。采用PKS系统的C300系列的冗余控制器。负责接受变送器信号和传输DCS执行信号给执行器。

2）操作站。选用Dell工作站T3600平台和霍尼韦尔专用（OEP）操作员键盘。主要负责监控锅炉控制状况。

3）FDM服务器。选用Dell服务器T320平台，采集现场HART智能仪表的配置信息和诊断信息，并统一对现场表进行组态配置。

4）Experion服务器。选用Dell服务器T320平台（兼做工程师站）。主要负责组态、编程。

5）网络系统。控制网络采用霍尼韦尔专利权的容错以太网FTE，由两个Cisco Catalyst 2960交换机组网，提供100 Mb传输速率。操作员站、工程师站等设备直接连接到FTE控制网上，DCS控制器通过防火墙连接到FTE控制网上。

4 DCS组态

4.1 程序组态

图5 Experion PKS系统构建图

控制策略的组态软件Control Builder是一种图形化的面向对象，基于窗口的工程工具，用于控制处理器的控制执行环境和应用控制环境中的控制策略的设计、组态和实施[3]。用于硬件组态如网络、IO模块、控制器、现场设备，以及程序组态所有连续的、逻辑的、电机控制的、顺序的、批量的以及先进的控制功能。Honeywell提供的各种功能块，用以实现不同控制功能。每一个功能块带有一系列的参数，用于直观显示该功能块所具有的作用。功能块之间的互联，可以通过“软接线”的方式非常方便地实现以构筑控制策略或应用。PID组态画面见下页图6。

图6 PID控制回路组态画面

4.2 画面制作

流程图画面组态HMIWeb Display Builder是面向对象的，全集成化的用户画面组态工具，用于生成用户专用的显示图形画面。动态显示可以简单地通过鼠标点击组态迅速生成。系统还提供一个图形库含有如容器、管道、阀门、罐、马达等通用的工厂设备，帮助用户进一步加快图形设计的速度。此外，对于一些多处用到的相似画面，可以用模板画面的功能减少组态时间，通过使用脚本程序可以显著地增强图形画面功能。如高速动画、工具提示、控制操作站作用等都可以通过脚本程序完成。锅炉控制的控制界面见图7。

图7 锅炉控制界面

5 结语

在锅炉过程控制中，由于牵涉的控制系统比较庞大，涉及的控制回路，控制方案比较复杂，在锅炉汽包水位控制、锅炉燃烧过程控制、过热蒸汽温度控制等方案中涉及的控制通道较多，用简单的控制器难以实现复杂控制方案，而且在系统参数设置、监控比较繁琐，可靠性低不利于操作。内蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司采用了Honeywell公司的DCS进行控制使控制过程便于操作监控，使控制系统尽量满足控制要求。采用分散控制、集中管理、系统画面监控报警功能更是保证生产的安全经济，统一的数据库更便于实现企业生产优化，提高经济效益。

[1]潘永湘，杨延西，赵跃.过程控制与自动化仪表：第2版[M].北京：机械工业出版社，2012：253-274.

[2]华东六省一市电机工程（电力）学会.锅炉设备及其系统[M].北京：中国电力出版社，2006：54-112.

[3]周荣富，陶文英.集散控制系统[M].北京：北京大学出版社，2011：140-195.