1 引言

工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運行的主要指標之一。若水位過高,影響汽水分離的效果,使用氣設(shè)備發(fā)生故障;而水位過低則會破壞汽水循環(huán),嚴重時導(dǎo)致鍋爐爆炸，所以鍋爐汽包水位必須嚴加控制。為了確保鍋爐生產(chǎn)的穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟運行，我們設(shè)計采用了性能的永宏FBs-PLC、變頻調(diào)速器、計算機應(yīng)用等自動化設(shè)備組成的鍋爐PID自動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過檢測水汽壓力、溫度，汽包液位等運行物理量，在運行過程中全自動調(diào)節(jié)，保證了工業(yè)鍋爐的安全穩(wěn)定高效運行。

2 工業(yè)鍋爐相關(guān)工藝介紹

蒸汽鍋爐是廠礦重要的動力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負荷的需要。為此，鍋爐生產(chǎn)過程的各個主要參數(shù)都必須嚴格控制。而利用余熱氣體作為熱交換介質(zhì)的余熱鍋爐在全國占有很大的比例，其節(jié)能降耗效果尤為明顯。某化工廠硫酸余熱鍋爐就是利用沸騰爐出來的爐氣(主要是SO2)溫度過高，將其作為熱交換對象，通過余熱鍋爐副產(chǎn)中壓蒸汽供各生產(chǎn)分廠使用，既保證了生產(chǎn)需要，也達到了節(jié)能降耗的目的。鍋爐是一個較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，為保證提供合格的蒸汽以適應(yīng)負荷的需要，與其配套設(shè)計的控制系統(tǒng)必須滿足各主要工藝參數(shù)的需要。余熱鍋爐工藝流程如圖1所示。

圖1 余熱鍋爐工藝流程圖

3 控制難點分析

鍋爐計算機控制是近年來開發(fā)的一項新技術(shù)。它是微型計算機軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用微計算機控制，能對鍋爐進行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。它的被調(diào)量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的物料達到動態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)，雖然鍋爐汽包水位對蒸氣流量和給水流量變化的響應(yīng)呈積極特性，但是在負荷(蒸氣流量)急劇增加時，表現(xiàn)卻類似逆響應(yīng)特性，即所謂的虛假水位。造成這一原因是由于負荷增加時，導(dǎo)致汽包壓力下降，使汽包內(nèi)水的沸點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)，實質(zhì)上是維持鍋爐進出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過調(diào)整進水量的多少來達到進出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個設(shè)有自平衡能力的被控對象，運行中存在虛假水位現(xiàn)象，實際應(yīng)用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙沖量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統(tǒng)。所謂三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是把給水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三個變量通過運算后調(diào)節(jié)給水閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具體調(diào)節(jié)過程方框圖如圖2所示。

圖2 三沖量調(diào)節(jié)方框圖

先通過蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號乘以相應(yīng)的比例系數(shù)，通過比例系數(shù)可以調(diào)節(jié)蒸汽流量或給水流量對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響力度。通過差壓變送器取得水位信號作為主調(diào)節(jié)信號H。如果水位設(shè)定值為G，那么在平衡條件下應(yīng)有D×Dk-W×Wk+H-G=0的關(guān)系式存在。其中Dk為蒸汽流量系數(shù) Wk為給水流量系數(shù)。如果再設(shè)定時，保證在穩(wěn)態(tài)下D×Dk=W×Wk那么就可以得到H=G。此時調(diào)節(jié)器的輸出就與符合對應(yīng)，給水閥停在某一位置上。若有一個或多個信號發(fā)生變化，平衡狀態(tài)被破壞，PI調(diào)節(jié)模塊的輸出必將發(fā)生變化。當水位升高了，則調(diào)節(jié)模塊的輸出信號就減小，使得給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小。反之，當水位降低時，調(diào)節(jié)模塊的輸出值增大，使給水閥開大。實踐證明三沖量給水單極自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)能保持水位穩(wěn)定，且給水調(diào)節(jié)閥動作平穩(wěn)。鍋爐給水系統(tǒng)中還有一個比較重要的控制回路是給水壓力回路，因為汽包內(nèi)壓力較高，要給鍋爐補水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達到滿負荷時，對給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統(tǒng)中一般采用給水泵一直以工頻方式運轉(zhuǎn)，用回流閥降低水壓防止爆管，現(xiàn)在一般采用通過變頻器恒壓供水的方式控制水壓。鍋爐給水量通過汽包液位調(diào)節(jié)。汽包液位測量選用浮筒液位計。為有效利用轉(zhuǎn)換廢熱，降低消耗，減低勞動強度，有利于整體工藝穩(wěn)定，要求汽包液位自動控制，正常生產(chǎn)時波動應(yīng)小于±5％。PID調(diào)節(jié)蒸汽出口閥可以很好的控制汽包壓力。開車正常后波動范圍不大，可以不考慮。轉(zhuǎn)化負荷波動、出預(yù)熱器鍋爐給水溫度變化、鍋爐負荷波動、排污量變化這幾個因素對汽包液位的影響必須考慮。以汽包液位為主調(diào)參數(shù)、以給水流量為副調(diào)參數(shù)、以蒸汽流量為前饋，但調(diào)節(jié)效果很差。引起汽包液位的大起大落?？紤]到該廢熱鍋爐控制參數(shù)耦合小，流程簡單，產(chǎn)汽量也較穩(wěn)定，我們從操作人員的操作中得到啟發(fā)，認為減少給水量的波動從而穩(wěn)定給水溫度成為該廢熱鍋爐液位控制的要點。因此我們選用“以汽定水＋液位前饋”比值控制方案，方案框圖如圖3所示。

圖3 汽定水＋液位前饋比值控制方案框圖

其中系數(shù)K為汽水損失率(給水流量與蒸汽流量的比值)，范圍為1.1～1.2。PID參數(shù)為P＝300％、I＝0.4、D＝0。這組PID參數(shù)可以使閥位波動幅度不大而回路有較快的跟蹤效果。液位前饋系數(shù)與鍋爐額定負荷密切相關(guān)，一般是額定負荷越大前饋系數(shù)也越大。本項目廢熱鍋爐的額定負荷為35t／h。前饋系數(shù)按表一給定，見附表:
附表 前饋系數(shù)表

投運時首先投運給水流量單回路，調(diào)節(jié)平穩(wěn)后，再切換為蒸汽流量比值控制，液位前饋同時起作用。以汽定水＋液位前饋比值控制方案調(diào)試投運簡單方便，投運后經(jīng)負荷擾動(產(chǎn)汽量變化)、液位擾動(排污量變化)實驗，抗擾動性能良好，投運以來運行平穩(wěn)，達到工藝要求。圖4為2.5h實時液位記錄曲線，其中記錄了負荷擾動情況。液位波動范圍＜±3％。

4 永宏P(guān)LC PID控制系統(tǒng)分析

4.1 帶PID控制功能的FATEK可編程控制器
PID控制及其控制器或智能PID控制器(儀表)已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，作為國產(chǎn)PLC企業(yè)，永宏電機股份公司一直致力于PLC的研究開發(fā)工作，帶PID控制功能的FATEK可編程控制器(PLC)就是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)鍋爐汽包液位的PID控制，在異常情況下，如液位偏離正常值較大時，通過PLC控制系統(tǒng)控制，可以快速恢復(fù)水位，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運行。當水位控制和主蒸汽溫度控制發(fā)生矛盾時，可根據(jù)矛盾的主要方面進行兩者的協(xié)調(diào)控制。它包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個控制回路，實質(zhì)上是蒸汽流量前饋與水位－流量串級系統(tǒng)組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。當蒸汽流量變化時，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的給水流量控制回路可迅速改變進水量以完成粗調(diào)，然后再由汽包水位調(diào)節(jié)器完成水位的細調(diào)。圖5是有永宏P(guān)LC組成的控制系統(tǒng)示意圖。

圖5 永宏P(guān)LC控制系統(tǒng)示意圖

4.2 汽包水位PID控制設(shè)計優(yōu)點

(1) 減少干擾對主回路的影響，可由副回路控制器予以校正。
(2) 由于副回路的存在減少了相位滯后，從而改善了主回路的響應(yīng)速度。
(3) 對控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。
(4) 副回路可以按照主回路的需求對對象實施精確控制。
實際PLC的控制程序采用主副回路進行串級控制，即主回路的輸出做為副回路的設(shè)定值，經(jīng)副回路輸出作用于被控對象。也可以不用副回路只用主回路形成單回路調(diào)解，或手動操作完成。一般常見的過程控制應(yīng)用， 開環(huán)回路控制就可以滿足大部份的應(yīng)用要求，但隨著使用時間、組件特性變化或受控負載或外界工作環(huán)境的變化，開環(huán)回路控制因為沒有真實將受控程序的實際量反饋到控制器，因此控制結(jié)果可能與實際期望的結(jié)果會有些落差，閉環(huán)回路PID過程控制是用來克服并解決上述缺點的選擇。FBS-PLC提供軟件數(shù)字化的PID數(shù)學表達式，對于一般反應(yīng)的閉環(huán)回路過程控制就可應(yīng)付，但對于工業(yè)鍋爐這樣的需要有快速反應(yīng)的閉環(huán)回路控制要使用本功能需要事先評估是否可行。典型的閉環(huán)回路程控示意圖如圖6所示。

圖6 典型閉環(huán)回路程控示意圖

根據(jù)應(yīng)用要求，用戶將PID 控制器設(shè)定成比例+積分+微分控制器，其控制器的數(shù)字化數(shù)學表達式如下:
Mn:“n”時的控制輸出量
D4005:增益常數(shù)，默認值為1000;可設(shè)定范圍為1～ 5000
Pb:比例帶(范圍:1～5000，單位為0.1%; Kc(增益)=D4005/Pb)
En:“n”時的誤差=設(shè)定值(SP)-“n”時的過程變數(shù)值(PVn)
Ki:積分常數(shù)( 范圍:0～9999，相當于0.00～99.99 Repeats/Minute)
Td:微積分時間常數(shù)(范圍:0～9999，相當于0.00～99.99Minute)
PVn:“n”時的過程變數(shù)值
PVn-1:“n”時的上一次過程變數(shù)值
Ts:PID運算的間隔時間(范圍:1～3000，單位:0.01S)
Bias:偏置輸出量(范圍:0～16383)

加上微分項的控制器，目的在于消除程控系統(tǒng)的過度反應(yīng)，進而使程控系統(tǒng)能夠平穩(wěn)緩和達到穩(wěn)定。雖然微分項有上述優(yōu)點，但因其對輸出量的貢獻相當靈敏，大部分的應(yīng)用不必使用微分項而將Td設(shè)定為0。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類:一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與*?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下:

(1) 首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;
(2) 僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;
(3) 在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。圖7是永宏可編程序控制器PID部分程序舉例。

圖7 永宏可編程序控制器PID部分程序圖

除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進行自動化控制系統(tǒng)設(shè)計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，這是的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。

5 結(jié)束語

由于采用了PLC進行控制，系統(tǒng)功能*，結(jié)構(gòu)合理，能耗小，擴展靈活，便于維護，并且可靠性高，而且還極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)自動化程度較高，大大降低了操作者勞動強度，降低了成本，經(jīng)過近2年的運行，用戶給予了很高評價，認為利用國產(chǎn)永宏P(guān)LC開發(fā)的控制系統(tǒng)功能*，綜合性強，人機界面友好，實用性好。隨著國產(chǎn)優(yōu)秀可編程控制器和高速計算元件的快速發(fā)展，鍋爐控制系統(tǒng)將會更加*。