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周 弈
1 前言
攀鋼熱電廠有4臺130T/H鍋爐，產生蒸汽供給兩臺瑞士風機，為高爐鼓風，另還配有3臺1.2萬kW/h的發電機。4臺鍋爐于1989年投產，自動化控制采用美國西屋的WDPF系統，經過十年的運行，系統老化，于2002年進行改造，采用ABB-Bailey的Symphony系統來替換原系統。
Symphony系統是Bailey在1996年推出的Infi90 Open的基礎上開發的，它體現了當今DCS系統流行的一些特點，比如操作員站硬件采用通用PC, 以Windows NT為軟件平臺，采用通用的@aGlance/IT與管理系統接口，同時秉承了Bailey公司DCS系統一貫的高度可靠性。可惜的是Symphony與WDPF不兼容，筆者經過努力重新編寫了鍋爐的控制策略，并將部分電氣設備的控制納入計算機系統，成功地完成了這一替換過程。
2 鍋爐的控制策略
(1) 汽水系統
熱電廠的工藝流程是水量經給水門后分兩路，一路經中間門直接為汽包供水，另一路經減溫水門，到減溫器，為蒸汽降溫，然后再到汽包，兩路供水在到汽包前均要通過煙道內的省煤器預熱。給水門調節給水量，保持汽包水位的穩定，減溫水門與中間門協同動作，調節減溫水量，保證汽溫穩定。給水量的調節會影響到減溫水量，減溫水量的調節又會影響到給水量，這是這個系統最難調的一個方面。
① 水位系統
水位調節控制策略圖如圖1所示，水位控制采用典型的三沖量串級控制系統，汽包水位兩個測點取質量較好的一點參與控制。這個策略將主環水位調節器的輸出與蒸汽流量相加，作為副環給水調節器的設定值，當水量與汽量平衡，水位穩定在設定值附近時，水位調節器的輸出在零左右變化，蒸汽流量有多少，就該補充多少水量，蒸汽流量一旦發生變化，副環調節器就會做出反應，令給水門開大或關小，使給水量跟上蒸汽負荷的變化，保證水位的穩定。由于給水壓力的變化引起的給水量波動，也會令副環PID做出反應，改變給水門開度，維持給水量的穩定，使之不會影響到水位。當副環調節器克服不了擾動，引起水位波動時，主環PID才開始發揮作用，其輸出向正或負的方向增減，以保持水位的穩定。
比較特殊的是，這里用了一個Smith預估，這是沿用重慶設計院在WDPF系統上的做法，實際調試中發現不用這個Smith預估，水位很難在熱電廠頻繁的擾動因素下保持穩定。預估模型中T=600S，τ=120S，τ/T=0.2，是屬于普通PID能夠調節的范圍。這可能與熱電廠的工藝有關，汽包供水經過了省煤器預熱，一部分給水還經過了減溫器，這些曲折的供水路徑可能帶來了較大的時間常數和純滯后。而熱電廠使用高焦爐煤氣及煤粉混合燃燒，燒煤粉會受到經濟條件制約，燒煤氣又因為攀鋼其它煤氣用戶太多，煤氣供應不穩定，這樣導致熱電廠的燃料改變頻率特別的高。工況的不穩定給汽水系統帶來太多的擾動，因此只有充分考慮了對象控制通道中的時間常數和純滯后，水位調節才能有效地對抗頻繁的擾動。
② 汽溫調節（參見圖2、3、4）
主環汽溫調節器的輸出作為副環給定值與減溫水量比較，副環減溫水調節器的輸出經兩個函數發生器分別控制減溫水門和中間門的開度。
圖1描述了給水調節閥的配置情況，減溫水門的過水量較小，給水主要通過中間門供給汽包。這樣，在中間門開大的情況下單獨開大減溫水門，減溫水量不會顯著增加，因此中間門和減溫水門只有一開一關的協同動作，才能有效改變減溫水量，兩者的協同關系依靠兩個函數發生器來實現。
熱電廠的130T/H鍋爐與其它類似容量的鍋爐一樣采用表面式減溫器，減溫水對汽溫的影響具有較大的時間常數及純滯后，因此在汽溫調節中增加了一個Smith預估，與水位調節使用的形式相同。
圖2 汽溫調節控制策略框圖
這里用的Smith預估與書上常見的略有不同，書上常見的形式其傳遞函數見圖3。
圖3 常見Smith預估傳遞函數框圖
其中Gc(S)為調節器傳遞函數，
為對象控制通道傳遞函數，其預估模型Mode=OUT
，過程值PV = 干擾 + OUT
；
如預估模型足夠準確，To=T，τ0 =τ，Kco = Kc，
由于消掉了控制對象特性中的純滯后項，使調節品質得到改善。該項目在汽溫調節中使用的Smith預估轉換成傳遞函數框圖見圖4。
圖4 實際用的Smith預估傳遞函數框圖
這樣就把對象控制通道中的時間常數和純滯后一并消掉了，從理論上說，對控制更加有利，在實際運用中效果也是不錯的。筆者曾將圖3中的Smith預估用于汽溫調節，參數Kco、τ0、To與改進方案相同，結果主環PID的輸出從最大到最小，又從最小到最大，無法穩定下來，當然這也有可能是因為預估模型不準，但單從理論分析，在對象控制通道特性中保留一個較大的時間常數是有可能產生這樣的結果的。
從實際調試來看，中間門、減溫水門的協同關系對水位、汽溫的調節品質均有重要影響，減溫水門開到最大時對應的中間門開度非常重要，如中間門開度過小，汽包供水會受到影響，直接影響鍋爐安全，開度過大，不能把足夠的水量憋到減溫器，汽溫的上升也會控制不住。減溫水門關到最小或處于中間開度時中間門的配合對汽溫調節的品質具有更大的影響。筆者與現場操作人員密切配合，反復嘗試，才得到較好的一組參數。
(2) 燃燒系統
由于熱電廠鍋爐采用高爐煤氣、焦爐煤氣、煤粉混合燃燒，燃燒調節采用基于熱值運算的雙交叉限幅控制，輔以煙道含氧校正，以保證不同工況下的熱效率。氧量調節器的設定值跟隨負荷及燃料配比情況的變化而變化。
(3) 引風調節
這是一個相對獨立的小系統，任務是維持爐膛負壓的穩定，爐膛壓力調節器的輸出通過一個負荷分配器到兩個M/A（手/自動）站, 調節左右引風的擋板，中間引用左右送風的開度作為前饋。
3 Symphony系統結構
系統控制網絡Cnet為存儲轉發環網（10MB/S），見圖5，配置有4個PCU，2個ICI, 共6個節點，每個PCU負責一臺鍋爐的控制。操作員站采用服務器/客戶機結構，兩個服務器分別經串口通訊從兩個ICI節點取環網數據，兩個客戶機再通過以太網從服務器上取數據。服務器和客戶機均作為操作員站使用。MIS接口計算機為用戶自購，通用PC即可。
(1) PCU
PCU是過程控制單元，采取多處理器(MFP)結構，每個PCU最多可帶15對冗余配置的MFP,或30個單個的MFP, 熱電廠這個系統每個PCU配置了3個，其中一對冗余MFP，用于儀表部分的控制，一個單獨的MFP，用于電氣部分的控制。每個PCU由一個模件柜和一個端子柜組成，端子柜里安裝有很多端子單元，每個端子單元與模件柜中的I/O模件一一對應，現場電纜接到端子單元上，端子單元通過Bailey提供的專用電纜連接到模件柜中的I/O模件上，這就完成了模件到現場的連接。
(2) 操作員站
采用HP工業PC機，監控軟件為Conductor NT 4.0，以Windows NT 4.0為軟件平臺。Conductor NT的功能十分豐富，除了過程的實時監控外，還提供了報警管理，歷史趨勢，報表打印，歷史數據的歸檔等功能。
Conductor NT 的標簽描述可采用中文，操作人員就可通過Conductor NT提供的彈出式標簽面板熟悉畫面中的過程點名，可省去不少畫面中的中文注釋。Conductor NT提供的報警窗口因此也容易看懂，不再局限于單純的流程畫面的漢化。
系統采用@aglance/IT與MIS接口，用戶只需在Conductor NT Server上安裝@aglance /IT Server端，在另一臺安裝Windows的PC機上安裝@aglance/IT客戶端（不必安裝Conductor NT），即可利用Access、Excel的DDE功能從@aglance客戶端取數據，并以此作為與MIS系統的接口，使用十分方便，不需要專門的接口計算機或OPC服務器，降低了用戶的成本。
Conductor NT的報表打印也很靈活，用戶既可以使用Conductor NT本身提供的事件報表打印，也可以采用Excel，借助Bailey開發的一些特殊功能從Conductor NT的歷史數據庫或實時標簽數據庫中取數據，生成用戶滿意的報表。
Conductor NT 還提供操作權限的管理功能，除了有些功能不希望操作人員進入外，相同級別的操作人員還可以按照各自管轄的工藝區域來劃分操作權限。
(3) 工程師站
工程師站不必單獨設置，只需把工程師組態軟件Composer安裝到任意的Conductor NT操作員站即可，當然還需要對應的加密硬狗。Composer的編程界面類似于CAD，Symphony為用戶提供了豐富的功能碼，組態工程師只需把需要的功能碼用鼠標拖到圖紙空間中，用線把它們連接起來，繪制成的控制邏輯圖經編譯后即可下裝到MFP中運行。唯一要花點兒時間的是功能碼手冊需要閱讀一下。總之，工程師可以把絕大部分精力和時間放在對工藝過程的熟悉上，系統的學習掌握是非常容易的。
CAB2、4、6、8～PCU2、4、6、8的模件柜
CAB1、3、5、7～PCU2、4、6、8的端子柜
圖5 系統結構框圖
4 結語
由于4臺130T/H鍋爐不可能同時停爐，Symphony系統在熱電鍋爐的安裝施工采取一次改造一臺鍋爐的做法，現已完成3臺鍋爐的改造，均已投入實際運行，系統運行十分穩定，故障率很低，在工況變化頻繁、燃料極不穩定的情況下仍能保持較高的自動率，減輕了操作人員及維護人員的工作強度，有力的保障了鍋爐設備的安全可靠運行。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號