趙波，張寶,2

（1. 河南理工大學(xué)，河南 焦作 454174）

（2. 中鋁中州鋁業(yè)有限公司，河南 焦作 454174）

基于PKS系統(tǒng)鍋爐溫度控制的研究

趙波1，張寶1,2

（1. 河南理工大學(xué)，河南 焦作 454174）

（2. 中鋁中州鋁業(yè)有限公司，河南 焦作 454174）

1 引言

鍋爐出口溫度的穩(wěn)定控制十分重要，太高浪費(fèi)燃料，太低則不能達(dá)到工藝的要求。本文針對鍋爐的溫度進(jìn)行了研究，運(yùn)用串級控制方式，以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數(shù)，以爐膛內(nèi)水溫為副被控參數(shù)，首先進(jìn)行了理論的研究，利用仿真軟件對串級回路各參數(shù)的變化對鍋爐溫度的影響進(jìn)行了仿真研究。在生產(chǎn)實踐中，利用霍尼韋爾PKS DCS為控制器，構(gòu)成鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)；采用PID算法，運(yùn)用DCS功能塊圖編程語言進(jìn)行編程，實現(xiàn)鍋爐溫度的自動控制。

2 鍋爐溫度串級PID控制研究

（1）鍋爐溫度控制現(xiàn)狀

現(xiàn)有鍋爐溫度共有三個測點(diǎn)，測點(diǎn)1和2分別安裝在蒸汽管道的中間位置，距離比較近，測點(diǎn)3安裝在蒸汽管道的出口位置，通過現(xiàn)場的熱電偶元件（K型號）傳給溫度變送器，再通過溫度變送器傳到DCS系統(tǒng)，進(jìn)而對蒸汽溫度進(jìn)行測量。三個溫度測量點(diǎn)量程都是0℃～800℃，正常工作下，溫度不會低于515℃或者高于545℃，所以正常運(yùn)行時汽包溫度應(yīng)在正常溫度15℃上下范圍波動。

（2）串級調(diào)節(jié)回路特點(diǎn)分析

主蒸汽溫度調(diào)節(jié)的主要困難在于引起蒸汽溫度變化的擾動因素很多，不容易控制。如蒸汽流量、火焰中心位置、燃燒工況、煙汽溫度和流速、爐膛受熱面結(jié)焦和過熱器積灰的變化等，都會使主蒸汽溫度發(fā)生變化。其中起主要作用的是蒸汽流量和減溫水流量兩個方面。由于被控對象（過熱器通道）具有較大的延遲和慣性以及運(yùn)行中要求有較小的溫度控制偏差，所以采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往不能獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。針對主汽溫調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道慣性延遲大、被調(diào)量信號反饋慢的特點(diǎn)，應(yīng)該從對象的調(diào)節(jié)通道中選擇一個比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號作為調(diào)節(jié)的補(bǔ)充反饋信號，以改善調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

（3）主蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成及原理

圖1為主蒸汽溫度調(diào)節(jié)原理圖，正常運(yùn)行時，主要是通過兩級減溫器來調(diào)節(jié)主蒸汽溫度。第一級噴水減溫器設(shè)在分隔屏出口，用以保護(hù)后屏不超溫，作為過熱器溫的粗調(diào)；第二級噴水減溫器設(shè)在后屏出口，作為細(xì)調(diào)，一級和二級噴水減溫控制系統(tǒng)均系串級控制系統(tǒng)。一級噴水減溫控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主參數(shù)為后屏出口溫度，副參數(shù)為一級減溫器出口溫度（作為前饋信號）。二級噴水減溫控制系統(tǒng)的被控對象為末過出口溫度，副參數(shù)為二級減溫器出口溫度（作為前饋信號）。由于兩級減溫器調(diào)門的開度與正參數(shù)不是成比例關(guān)系，因此正常運(yùn)行時應(yīng)保持減溫器具有一定的開度。

圖1 主蒸汽溫度調(diào)節(jié)原理圖

3 鍋爐溫度串級PID控制系統(tǒng)設(shè)計

由圖2可以看出，此串級控制回路是用兩個串聯(lián)的PID控制器和一個執(zhí)行器來控制主汽溫度。其基本原理就是系統(tǒng)根據(jù)主蒸汽溫度設(shè)定值和反饋值y1的偏差e，作為主調(diào)節(jié)器的輸入，主調(diào)節(jié)器經(jīng)過PID運(yùn)算后的輸出u，作為副調(diào)節(jié)器的輸入設(shè)定值，此設(shè)定值與二級噴水減溫器的出口溫度反饋y2的偏差e2作為二級過熱器出口溫度調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出u2作為執(zhí)行器的輸入動作指令。一般在主蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，副調(diào)節(jié)回路動態(tài)特性的遲延和慣性比較小，在這種情況下，副回路的調(diào)節(jié)過程快得多，當(dāng)副回路消除噴水?dāng)_動時，主蒸汽溫度基本上不受影響。因此，當(dāng)副回路動作時主回路可以看作是開路，主回路動作時，副回路可以看作是迅速動作的隨動系統(tǒng)，即二級減溫器出口溫度基本上與校正信號e成比例變化。

圖2 主蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖

4 鍋爐溫度串級PID控制MATLAB仿真研究

PID Controller 模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 PID Controller 模塊結(jié)構(gòu)圖

通過用PID控制器、模糊控制器和模糊PID控制器分別對系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以得到響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 三種控制對比的響應(yīng)曲線圖

黃色為PID控制曲線，綠色為模糊PID控制響應(yīng)曲線，紫色為模糊控制響應(yīng)曲線。從圖中可以看出基于模糊PID控制器的系統(tǒng)的性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時間Ts=450秒，超調(diào)量δ=27%，穩(wěn)態(tài)誤差為ess=0，由仿真的曲線很容易看出，采用串級PID的方法來控制鍋爐溫度，可以使系統(tǒng)超調(diào)小、穩(wěn)定性高，而且調(diào)節(jié)時間也顯著減少了。

當(dāng)模型參數(shù)改變時，假設(shè)模型變?yōu)镚S=1/（1+60S），用上述三種方法對其通過以上對PID控制、串級控制和模糊自整定PID控制三種方案的理論分析和仿真研究，不難得出：用PID方法來控制系統(tǒng)容易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩；而串級控制雖說可以減少控制系統(tǒng)的振蕩，卻產(chǎn)生了穩(wěn)態(tài)誤差，并且穩(wěn)態(tài)誤差比較大；最后采用模糊PID的方法來控制系統(tǒng)既克服了單純采用PID控制及模糊控制的缺點(diǎn)，同時也使系統(tǒng)實現(xiàn)了超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小的性能指標(biāo)。因此本文選用模糊自整定PID串級控制為鍋爐溫度控制系統(tǒng)的控制方案。

5 鍋爐溫度串級控制的實現(xiàn)

（1）組態(tài)邏輯控制

此主蒸汽溫度一共有3個，位號分別為：G7TT0271、G7TT0272、G7TT0273，測點(diǎn)1和2分別安裝在蒸汽管道的中間位置，距離比較近，測點(diǎn)3安裝在蒸汽管道的出口位置，通過現(xiàn)場的熱電偶元件（K型號）傳給溫度變送器，再通過溫度變送器傳到DCS系統(tǒng)，進(jìn)而對蒸汽溫度進(jìn)行測量。從鍋爐出來的蒸汽溫度經(jīng)過二級減溫，分為1級減溫水減溫和2級減溫水減溫，每個減溫站又分為南側(cè)和北側(cè)減溫裝置，通過人工調(diào)節(jié)1、2級南側(cè)和北側(cè)的減溫水調(diào)節(jié)閥開度來控制減溫水流量以達(dá)到減溫目的，在二級減溫裝置出來后得到需要的蒸汽溫度。G7TV0043代表二級減溫水1#調(diào)節(jié)閥回路，G7TV0044代表二級減溫水2#調(diào)節(jié)閥回路。

兩個串級PID回路分為主控制回路和副控制回路。

主控制回路（G7TV0043PID）用三取中的方法對三個水位進(jìn)行選取，三個溫度分別為G7TT0271、G7TT0272、G7TT0273，用signalsela塊進(jìn)行三取中的算法將輸出的值作為PV值，然后與主蒸汽溫度的設(shè)定值進(jìn)行比較作為副調(diào)節(jié)器的輸入值。主控制回路組態(tài)畫面如圖5所示。

副控制回路G7TV0043Y和G7TV0044Y（如圖6所示）、G7TT0251和G7TT0253分別為二級減溫水溫度值，作為副控制回路的輸入值PV，和主回路的輸入值（即G7TV0043PID的OP），兩者進(jìn)行比較，然后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，最后輸出到二級減溫水調(diào)節(jié)閥的給定值，去控制減溫水閥的開度大小。

（2）手動回路保護(hù)

如果遇到鍋爐運(yùn)行狀況不穩(wěn)定，或者由于工藝變化，導(dǎo)致PID運(yùn)行性能不好或下降時，可以人工進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，暫時可以調(diào)控生產(chǎn)需要。

由圖7調(diào)節(jié)畫面可以看到，左側(cè)為主控制回路的調(diào)節(jié)畫面，右圖為副控制回路的調(diào)節(jié)畫面，其MD（即Mode）分別為AUTO和CAS方式，說明是在自動狀態(tài)，若出現(xiàn)緊急情況，可把MD設(shè)置為MAN，即手動模式，根據(jù)工藝需要進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)。

圖5 主控制回路組態(tài)畫面

圖6 副控制回路之G7TV0043Y和G7TV0044Y

圖7 自動調(diào)節(jié)畫面顯示

（3）結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計完成后的調(diào)節(jié)畫面如圖8所示：

圖8 最終的調(diào)節(jié)畫面

查看溫度趨勢圖如圖9所示：

圖9 溫度趨勢畫面

串級PlD控制系統(tǒng)主汽溫度趨勢圖的波動可以看出，副調(diào)節(jié)器起粗調(diào)作用，主調(diào)節(jié)器起細(xì)調(diào)作用，當(dāng)減溫水流量發(fā)生擾動或者副回路受到其它外來的擾動時，通過副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用能盡快消除擾動，減弱對主汽溫度的影響。主蒸汽溫度在擾動作用下，波動范圍在±5℃，完全滿足實際工藝要求。

6 結(jié)語

前饋控制是將擾動信號經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動對被調(diào)量的影響，它是按擾動進(jìn)行的補(bǔ)償控制，所以前饋控制又叫作“擾動補(bǔ)償”。由自動控制原理知道，擾動補(bǔ)償屬于開環(huán)控制。前饋控制對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響，只要原系統(tǒng)是穩(wěn)定的，施以前饋控制后，系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。只能對于可以測量的擾動作用進(jìn)行擾動補(bǔ)償。前饋控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)取決于被控制對象與擾動通道的特性。從本設(shè)計系統(tǒng)可知，此系統(tǒng)對各種典型影響因素的干擾均能做出快速反應(yīng)，具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定，保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過此次系統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計，可看出PKS系統(tǒng)具有強(qiáng)大的硬件和軟件功能，能很好地實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計要求，采用串級PlD控制對主汽溫調(diào)節(jié)進(jìn)行改造，串級PID控制系統(tǒng)主、副兩個調(diào)節(jié)回路的工作相對比較獨(dú)立，系統(tǒng)投運(yùn)時的整定、調(diào)試直觀方便。其實際控制效果良好。

[1] 郭晨. 智能控制器與鍋爐專家控制系統(tǒng)的研究[D]. 舟山: 浙江海洋學(xué)院圖書館, 1997.

[2] 潘新民, 王燕芳. 微型計算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011, 1 - 2.

[3] 山西省電力工業(yè)局編. 熱工儀表及自動裝置[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004, 8.

[4] 李杰. 工業(yè)鍋爐給水控制系統(tǒng)的研究[D]. 西安: 長安大學(xué), 2008.

[5] 葛蘆生, 陶永華. 新型PID控制及其應(yīng)用[J]. 工業(yè)儀表及自動化裝置, 1998 ( 3 ): 1 - 5.

[6] 林德杰. 過程控制儀表及控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008. [7] Kwan H W, Anderson J H. Mathematics model of a 200MW boiler.Int. J. Control. 1970, 12 ( 6 ).

[8] Astrom K J, Ecklund E. A simplified nonlinear model of a drum boilerturbine unit, Int. J. Contr. 1972, 16 ( 1 ): 145 – 169.

[9] performance at Essar Steel[J]. Iron & Steel Engineer, 1998, 75 ( 12 ): 31 - 36.

[10] Honeywell Experion PKS中文培訓(xùn)教程[Z].

Study on Control of Boiler Temperature Based on PKS System

本文采用霍尼韋爾PKS系統(tǒng)進(jìn)行鍋爐溫度系統(tǒng)的設(shè)計，對于鍋爐溫度的控制提出了采用串級方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過理論和實際相結(jié)合，對串級控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行探討，通過Matlab仿真軟件，研究最優(yōu)控制的參數(shù)，并在PKS系統(tǒng)中通過程序組態(tài)和畫面顯示，達(dá)到良好的調(diào)控效果，最后驗證相關(guān)結(jié)論。

鍋爐溫度；PKS系統(tǒng)；串級；Matlab軟件

In this paper, the Honeywell PKS system is used to design the temperature system of boil, and the cascade control is proposed to control the boil temperature. By combining theory and practice, the principle of the cascade control is studied. By the Matlab software, the optimal control parameters is studied, and it can therefore achieve the good control affect by using routine configuration and image display in the PKS system. Finally, the related results are demonstrated.

Boiler temperature; PKS system; Cascade; Matlab software

B

1003-0492(2016)03-0082-03

TP273

趙波（1956-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院院長，享受國務(wù)院政府特殊津貼，河南省省管優(yōu)秀專家，省杰出人才創(chuàng)新基金獲得者，省跨世紀(jì)學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，機(jī)械工程省一級重點(diǎn)學(xué)科帶頭人，省先進(jìn)制造技術(shù)創(chuàng)新型科研團(tuán)隊帶頭人，省高校優(yōu)秀共產(chǎn)黨員。

張寶（1984-），男，湖北棗陽人，中級人力資源師，本科，2008年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)人力資源專業(yè)，現(xiàn)就職于河南焦作中鋁中州鋁業(yè)有限公司人力資源部。