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周 弈
1 前言
攀鋼熱電廠有4臺130T/H鍋爐，產(chǎn)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(fā)電機。4臺鍋爐于1989年投產(chǎn)，自動化控制采用美國西屋的WDPF系統(tǒng)，經(jīng)過十年的運行，系統(tǒng)老化，于2002年進行改造，采用ABB-Bailey的Symphony系統(tǒng)來替換原系統(tǒng)。
Symphony系統(tǒng)是Bailey在1996年推出的Infi90 Open的基礎(chǔ)上開發(fā)的，它體現(xiàn)了當今DCS系統(tǒng)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(tǒng)接口，同時秉承了Bailey公司DCS系統(tǒng)一貫的高度可靠性。可惜的是Symphony與WDPF不兼容，筆者經(jīng)過努力重新編寫了鍋爐的控制策略，并將部分電氣設(shè)備的控制納入計算機系統(tǒng)，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(tǒng)
熱電廠的工藝流程是水量經(jīng)給水門后分兩路，一路經(jīng)中間門直接為汽包供水，另一路經(jīng)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(nèi)的省煤器預(yù)熱。給水門調(diào)節(jié)給水量，保持汽包水位的穩(wěn)定，減溫水門與中間門協(xié)同動作，調(diào)節(jié)減溫水量，保證汽溫穩(wěn)定。給水量的調(diào)節(jié)會影響到減溫水量，減溫水量的調(diào)節(jié)又會影響到給水量，這是這個系統(tǒng)最難調(diào)的一個方面。
① 水位系統(tǒng)
水位調(diào)節(jié)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(tǒng)，汽包水位兩個測點取質(zhì)量較好的一點參與控制。這個策略將主環(huán)水位調(diào)節(jié)器的輸出與蒸汽流量相加，作為副環(huán)給水調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，當水量與汽量平衡，水位穩(wěn)定在設(shè)定值附近時，水位調(diào)節(jié)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(fā)生變化，副環(huán)調(diào)節(jié)器就會做出反應(yīng)，令給水門開大或關(guān)小，使給水量跟上蒸汽負荷的變化，保證水位的穩(wěn)定。由于給水壓力的變化引起的給水量波動，也會令副環(huán)PID做出反應(yīng)，改變給水門開度，維持給水量的穩(wěn)定，使之不會影響到水位。當副環(huán)調(diào)節(jié)器克服不了擾動，引起水位波動時，主環(huán)PID才開始發(fā)揮作用，其輸出向正或負的方向增減，以保持水位的穩(wěn)定。
比較特殊的是，這里用了一個Smith預(yù)估，這是沿用重慶設(shè)計院在WDPF系統(tǒng)上的做法，實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)不用這個Smith預(yù)估，水位很難在熱電廠頻繁的擾動因素下保持穩(wěn)定。預(yù)估模型中T=600S，τ=120S，τ/T=0.2，是屬于普通PID能夠調(diào)節(jié)的范圍。這可能與熱電廠的工藝有關(guān)，汽包供水經(jīng)過了省煤器預(yù)熱，一部分給水還經(jīng)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(shù)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(jīng)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(yīng)不穩(wěn)定，這樣導(dǎo)致熱電廠的燃料改變頻率特別的高。工況的不穩(wěn)定給汽水系統(tǒng)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(shù)和純滯后，水位調(diào)節(jié)才能有效地對抗頻繁的擾動。
② 汽溫調(diào)節(jié)（參見圖2、3、4）
主環(huán)汽溫調(diào)節(jié)器的輸出作為副環(huán)給定值與減溫水量比較，副環(huán)減溫水調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)兩個函數(shù)發(fā)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(diào)節(jié)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(guān)的協(xié)同動作，才能有效改變減溫水量，兩者的協(xié)同關(guān)系依靠兩個函數(shù)發(fā)生器來實現(xiàn)。
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(shù)及純滯后，因此在汽溫調(diào)節(jié)中增加了一個Smith預(yù)估，與水位調(diào)節(jié)使用的形式相同。
圖2 汽溫調(diào)節(jié)控制策略框圖
這里用的Smith預(yù)估與書上常見的略有不同，書上常見的形式其傳遞函數(shù)見圖3。
圖3 常見Smith預(yù)估傳遞函數(shù)框圖
其中Gc(S)為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，
為對象控制通道傳遞函數(shù)，其預(yù)估模型Mode=OUT
，過程值PV = 干擾 + OUT
；
如預(yù)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(diào)節(jié)品質(zhì)得到改善。該項目在汽溫調(diào)節(jié)中使用的Smith預(yù)估轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)框圖見圖4。
圖4 實際用的Smith預(yù)估傳遞函數(shù)框圖
這樣就把對象控制通道中的時間常數(shù)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(yù)估用于汽溫調(diào)節(jié)，參數(shù)Kco、τ0、To與改進方案相同，結(jié)果主環(huán)PID的輸出從最大到最小，又從最小到最大，無法穩(wěn)定下來，當然這也有可能是因為預(yù)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(shù)是有可能產(chǎn)生這樣的結(jié)果的。
從實際調(diào)試來看，中間門、減溫水門的協(xié)同關(guān)系對水位、汽溫的調(diào)節(jié)品質(zhì)均有重要影響，減溫水門開到最大時對應(yīng)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(guān)到最小或處于中間開度時中間門的配合對汽溫調(diào)節(jié)的品質(zhì)具有更大的影響。筆者與現(xiàn)場操作人員密切配合，反復(fù)嘗試，才得到較好的一組參數(shù)。
(2) 燃燒系統(tǒng)
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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的設(shè)定值跟隨負荷及燃料配比情況的變化而變化。
(3) 引風調(diào)節(jié)
這是一個相對獨立的小系統(tǒng)，任務(wù)是維持爐膛負壓的穩(wěn)定，爐膛壓力調(diào)節(jié)器的輸出通過一個負荷分配器到兩個M/A（手/自動）站, 調(diào)節(jié)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(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)Cnet為存儲轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)網(wǎng)（10MB/S），見圖5，配置有4個PCU，2個ICI, 共6個節(jié)點，每個PCU負責一臺鍋爐的控制。操作員站采用服務(wù)器/客戶機結(jié)構(gòu)，兩個服務(wù)器分別經(jīng)串口通訊從兩個ICI節(jié)點取環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)，兩個客戶機再通過以太網(wǎng)從服務(wù)器上取數(shù)據(jù)。服務(wù)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)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(yīng)，現(xiàn)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(xiàn)場的連接。
(2) 操作員站
采用HP工業(yè)PC機，監(jiān)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(jiān)控外，還提供了報警管理，歷史趨勢，報表打印，歷史數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)，并以此作為與MIS系統(tǒng)的接口，使用十分方便，不需要專門的接口計算機或OPC服務(wù)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(fā)的一些特殊功能從Conductor NT的歷史數(shù)據(jù)庫或?qū)崟r標簽數(shù)據(jù)庫中取數(shù)據(jù)，生成用戶滿意的報表。
Conductor NT 還提供操作權(quán)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(qū)域來劃分操作權(quán)限。
(3) 工程師站
工程師站不必單獨設(shè)置，只需把工程師組態(tài)軟件Composer安裝到任意的Conductor NT操作員站即可，當然還需要對應(yīng)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(tài)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(jīng)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(tǒng)的學(xué)習(xí)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
4 結(jié)語
由于4臺130T/H鍋爐不可能同時停爐，Symphony系統(tǒng)在熱電鍋爐的安裝施工采取一次改造一臺鍋爐的做法，現(xiàn)已完成3臺鍋爐的改造，均已投入實際運行，系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定，故障率很低，在工況變化頻繁、燃料極不穩(wěn)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(shè)備的安全可靠運行。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號