摘 要：介紹了小型熱電廠的DCS分散控制系統(tǒng)的應(yīng)用,，通過(guò)設(shè)置合理的模糊規(guī)則表參數(shù),，實(shí)現(xiàn)了工況穩(wěn)定時(shí)鍋爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制；針對(duì)DCS控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析,，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案,，除能實(shí)現(xiàn)各種要求的控制功能外，還擴(kuò)展到了汽輪機(jī),、給水泵等設(shè)備,；并對(duì)DCS在小型火力發(fā)電廠應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，希望為同行提供一些思路和借鑒,。
關(guān)鍵詞：熱電廠,；DCS；應(yīng)用,；改進(jìn)
0 引言
　　分散控制系統(tǒng)（DCS）是計(jì)算機(jī),、自動(dòng)控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的綜合產(chǎn)物。它基于控制分散,、危險(xiǎn)分散,、操作和管理集中的設(shè)計(jì)思想，采用多層分級(jí),、合作自治的結(jié)構(gòu)形式,，適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)和企業(yè)管理的要求。由于DCS融人了最新的現(xiàn)場(chǎng)總線,、嵌人式軟件,、先進(jìn)控制、報(bào)表技術(shù),、CRT以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,，使得其能夠整體解決小至一臺(tái)大型設(shè)備（鍋爐）、大至一個(gè)現(xiàn)代化工廠整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的全方位控制,，并為工廠全程信息化管理提供基礎(chǔ)平臺(tái),。
　　隨著我國(guó)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展以及我國(guó)在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化方面科技水平的不斷提高，目前我國(guó)新建的火電廠普遍都采用了DCS控制系統(tǒng),，以前采用常規(guī)控制的火力發(fā)電廠也基本進(jìn)行了DCS改造,。隨著DCS控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，性能不斷提高價(jià)格逐年下降,，DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣,。DCS也逐步開(kāi)始在小型電廠廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，小型火力發(fā)電廠基本上為供熱機(jī)組,，主要用于冶金,、石化、化工,、紡織等行業(yè)大型企業(yè)的自備電廠及城市供熱,，大部分屬于電力系統(tǒng)外的電廠。典型的主設(shè)備選型多為循環(huán)流化床鍋爐配抽汽式汽輪發(fā)電機(jī)組,，一般為二爐一機(jī)或三爐二機(jī),，熱力系統(tǒng)為母管制。保定石油化工廠熱電站即為典型的企業(yè)自備熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,。其DCS系統(tǒng)的應(yīng)用和改進(jìn),，可為我國(guó)為數(shù)眾多的小型電力企業(yè)同行提供一些思路和借鑒。
1 DCS系統(tǒng)的應(yīng)用
1．1 DCS系統(tǒng)組成
　　該廠2003年應(yīng)用北京和利時(shí)自動(dòng)化工程有限公司研制的HS2000分散控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造,，該系統(tǒng)包括DAS和MCS兩部分,，其中DAS用于運(yùn)行參數(shù)實(shí)H寸監(jiān)測(cè)，MCS用于模擬量控制,。HS2000系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)從功能上分成操作員站,、工程師站和現(xiàn)場(chǎng)控制站三種類(lèi)型。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接在一起,，所有節(jié)點(diǎn)之問(wèn)的數(shù)據(jù)和信息傳遞都南系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)完成,。操作員站由可靠性高的工業(yè)微機(jī)配以外設(shè)組成，站上運(yùn)行的軟件是HS2000系統(tǒng)專(zhuān)用的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件,。功能有：圖形顯示與會(huì)話,、報(bào)警顯示與管理、報(bào)表打印,、系統(tǒng)庫(kù)管理,、歷史庫(kù)管理、追憶庫(kù)管理等,。工程師站和操作員站使用同一臺(tái)微機(jī),，該站配以HS2000組態(tài)軟件包，供用戶實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的組態(tài) 現(xiàn)場(chǎng)控制站是DCS系統(tǒng)完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)拉的重要站點(diǎn),。HS2000系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制站由主控模塊,、智能I／O模塊、電源模塊和專(zhuān)用機(jī)柜四部分組成,。該站主要完成兩項(xiàng)功能：信號(hào)的轉(zhuǎn)換與處理和控制運(yùn)算,。
1．2 鍋爐系統(tǒng)控制方案
1．2．1 改造原則
　　根據(jù)實(shí)際情況，該廠于2003年首先對(duì)兩臺(tái)35t／h中溫中壓鏈條鍋爐進(jìn)行DCS改造,，在采用DCS控制后還保留了鍋爐的緊急停止及重要輔機(jī)的硬手操,，汽輪機(jī)暫時(shí)保留PLC控制,，輔助車(chē)問(wèn)仍由常規(guī)儀表控制。
1．2．2 鍋爐運(yùn)行控制任務(wù)
　?、?自動(dòng)檢測(cè)：用檢測(cè)元件和顯示儀表，對(duì)鍋爐的熱工參數(shù)（壓力,、溫度,、流量等）進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和顯示，并為自動(dòng)調(diào)節(jié)和安全保護(hù)提供檢測(cè)信號(hào),。
　?、?自動(dòng)調(diào)節(jié)：對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)外界負(fù)荷和工質(zhì)參數(shù)的要求,，并使鍋爐保持在較經(jīng)濟(jì)的工況下運(yùn)行,。
　　③程序控制：使鍋爐的啟,、停及運(yùn)行等一系列操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,。如系統(tǒng)啟動(dòng)按照引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī),、爐排的啟動(dòng)順序進(jìn)行,。
　　④保護(hù)連鎖：系統(tǒng)必須具有超壓,、水位過(guò)高,、水位過(guò)低聲光報(bào)警以及超壓停爐和水位過(guò)低停爐熱工聯(lián)鎖保護(hù)等功能。電氣聯(lián)鎖保護(hù)是為防止設(shè)備在啟,、停過(guò)程中由于操作錯(cuò)誤而造成事故,。
1．2.3 控制參數(shù)
　　根據(jù)鍋爐實(shí)際使用需要，確定了10個(gè)調(diào)節(jié)攢,，分別是：① 除氧水位,；② 除氧壓力；③ 主汽減壓,；④ 分汽缸出口穩(wěn)壓,；⑤ 爐膛負(fù)壓；⑥主汽溫度,；⑦ 汽包水位,；⑧ 爐排轉(zhuǎn)速；⑨ 鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速,；④給煤機(jī)轉(zhuǎn)速（控制煤層厚度）等,。其中汽包水位、主汽溫度是鍋爐系統(tǒng)控制的重點(diǎn),，燃燒自動(dòng)則是鍋爐系統(tǒng)控制的難點(diǎn),。
1．2．4 常規(guī)控制回路
　　除氧水位、除氧壓力、除氧氣減壓,、分汽缸出口穩(wěn)壓,、爐膛負(fù)壓等是常規(guī)的單回路調(diào)節(jié)。主汽溫度,、汽包水位多采用單回路前饋或串級(jí)加前饋（：=三沖量）組成,。常規(guī)回路及P、I,、D參數(shù)調(diào)節(jié)參見(jiàn)表1,。

1．2．5 燃燒系統(tǒng)的控制
　　鍋爐參數(shù)中，主汽壓力（或過(guò)熱蒸汽壓力）是衡量蒸汽量與外界負(fù)荷兩者是否適應(yīng)的指標(biāo),。引起主汽壓力變動(dòng)的擾動(dòng)來(lái)源有兩個(gè)：一是燃料量的擾動(dòng),，為基本擾動(dòng)；——是用汽量的擾動(dòng),。為負(fù)荷擾動(dòng),。基本擾動(dòng)可以通過(guò)自身的閉環(huán)來(lái)克服,，負(fù)荷擾動(dòng)則不易做到,。負(fù)荷變化時(shí)母管壓力出現(xiàn)瞬時(shí)改變，而調(diào)節(jié)通道的遲延較大,，對(duì)象擾動(dòng)通道與調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)甚為懸殊,。調(diào)節(jié)很不利。根據(jù)司爐工經(jīng)驗(yàn),，煤從進(jìn)入爐膛到完全燃燒需要20min以上,。常規(guī)的P、I,、D調(diào)節(jié)跟隨性較差,，無(wú)法完成這樣一個(gè)大滯后系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。采用基于模糊理論的專(zhuān)家系統(tǒng)[l],，可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)控制,。表2是基于專(zhuān)家系統(tǒng)的控制參數(shù)規(guī)則表。其中P論域表示模糊控制中鍋爐壓力的論域,，AP論域表示兩個(gè)運(yùn)行周期鍋爐壓力變化差的論域,。燃燒周期的自動(dòng)調(diào)整，加快了負(fù)荷大幅變化時(shí)燃燒控制的響應(yīng)速度,。煤質(zhì)或爐況的不同對(duì)調(diào)節(jié)效果有一定的影響,。由于隸屬度函數(shù)的曲線均相互交錯(cuò)重疊，岡此模糊控制算法對(duì)于參數(shù)變化的適應(yīng)性具有較強(qiáng)的魯棒性,。實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了這一特點(diǎn),。
1．2．6 閥門(mén)的調(diào)節(jié)與限幅
　　規(guī)則表參數(shù)中閥門(mén)變化值對(duì)應(yīng)于每個(gè)燃燒周期爐排轉(zhuǎn)速的變化鰱,。爐排轉(zhuǎn)速控制給煤量，是保證鍋爐經(jīng)濟(jì),、安全運(yùn)行的重要控制對(duì)象,。根據(jù)操作工的經(jīng)驗(yàn)，在一定的爐況和煤質(zhì)條件下．爐排轉(zhuǎn)速達(dá)到一定限額厲將不再對(duì)汽包壓力起決定作用,。 此必須對(duì)爐排轉(zhuǎn)速設(shè)置合理的上限以防燃燒不充分,。污染環(huán)境。鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速與爐排轉(zhuǎn)速之問(wèn)應(yīng)根據(jù)一定的風(fēng)煤比互相協(xié)調(diào),，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。這個(gè)比例與具體的煤質(zhì),、爐況,、變頻器轉(zhuǎn)速相關(guān)，在運(yùn)行中需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)調(diào)整,。引風(fēng)轉(zhuǎn)速與鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速應(yīng)互相適應(yīng),，將爐膛負(fù)壓維持在一定范同內(nèi)，保證燃燒的安全性,。燃燒控制規(guī)則表以及鍋爐各利一參數(shù)的設(shè)置如表2所示,。為方便操作，將爐排轉(zhuǎn)速,、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速,、引風(fēng)轉(zhuǎn)速限幅、燃燒周期等參數(shù)設(shè)置為操作員權(quán)限,，井引至監(jiān)控界面以便司爐工在線修改,。

2 運(yùn)行效果和問(wèn)題
　　2003年DCS改造后，兩套鍋爐系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了爐況穩(wěn)定條件下的自動(dòng)控制,。通過(guò)設(shè)置合適的爐排轉(zhuǎn)速,、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速、引風(fēng)轉(zhuǎn)速限幅值,，基本保證了煤的充分燃燒,，減少了環(huán)境污染．實(shí)現(xiàn)了工況穩(wěn)定時(shí)整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制。同時(shí)由于引入燃燒周期的自適應(yīng)調(diào)整’力Ⅱ快了負(fù)荷大幅變化時(shí)的響應(yīng)速度,。提高了系統(tǒng)控制的自動(dòng)化程度,。
　　但在運(yùn)行期問(wèn)，該廠發(fā)現(xiàn)該鍋爐在負(fù)荷變化較大的工況下,，控制過(guò)程中存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題：鍋爐汽包液位測(cè)量存在較大偏差,；燃燒控制系統(tǒng)無(wú)法投自動(dòng)。
3 問(wèn)題分析與改進(jìn)
3．1 汽包液位控制改進(jìn)
　　在鍋爐汽包液位測(cè)量中,，由于汽包液位系統(tǒng)是一個(gè)沒(méi)有自平衡能力的被控對(duì)象,。當(dāng)供水量突然降低或出口蒸汽流量增大時(shí),。由于此時(shí)鍋爐傳給汽包的熱量不變。致使液體大量汽化,。造成汽包液位測(cè)量結(jié)果偏大,；當(dāng)供水量突然增大或出口蒸汽流量減小時(shí)，情況相反,，也就是我們常說(shuō)的“汽包虛假液位”,。而該鍋爐在汽包液位檢測(cè)回路的原設(shè)計(jì)方案中忽視了這個(gè)問(wèn)題；直接影響了汽包液位控制的平穩(wěn),，為此,，我們對(duì)汽包液位測(cè)量結(jié)果引入壓力補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如下：
h=[△P+gH（ρ"-ρ）]／[g（ρ"-ρ‘）]
　　式中：h一補(bǔ)償后的汽包液位,；△P-變送器測(cè)量的差壓值,；g-重力；H一汽包高度,；ρ-液體參考密度,；ρ‘—水的密度；ρ"-蒸汽密度,。汽包壓力與ρ‘,、ρ"之間的關(guān)系曲線用折線近似后如表3所示。

　　在HS2000DCS控制點(diǎn)的組態(tài)中,。運(yùn)用RPV點(diǎn)中的表達(dá)式及折線化算法,，很容易實(shí)現(xiàn)以上補(bǔ)償關(guān)系。原設(shè)計(jì)所給出的汽包液位三沖量控制方案如圖1所示,。

　　通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),，調(diào)節(jié)器的輸人為：汽包液位設(shè)定值-汽包液位測(cè)量值+主蒸汽流量-給水流量。實(shí)際運(yùn)行中由于各種擾動(dòng)的影響,。給水流域和主蒸汽流量幾乎不可能相等,。該方案的控制結(jié)果將使汽包液位產(chǎn)生靜差。為此,，采用在三沖量基礎(chǔ)上的串級(jí)控制方案,。如圖2所示。由于主調(diào)節(jié)器的作用,。該方案較好地消除了靜差,。

3．2 燃燒控制改進(jìn)
　　原設(shè)計(jì)的燃燒控制用于氧含量測(cè)量的裝置改用700B氧含量分析儀。把控制方案改為氧含量控制引風(fēng)機(jī)出口擋板,，爐膛負(fù)壓控制送風(fēng)機(jī)出口擋板的方案,。并使氧含量控制的P、I作用弱一些,。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行,，燃燒控制系統(tǒng)的滯后時(shí)間相對(duì)較小,，證明改進(jìn)的控制方案可行。
3．3 功能擴(kuò)展
　　轉(zhuǎn)速是汽輪機(jī)運(yùn)行的最主要的參數(shù)之一,。對(duì)該參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。增加了運(yùn)行人員的監(jiān)測(cè)手段與途徑，提高了信號(hào)顯示精度,，方便了運(yùn)行人員的監(jiān)盤(pán)與操作控制,。更重要的是總調(diào)值長(zhǎng)可通過(guò)局域網(wǎng)監(jiān)測(cè)汽機(jī)轉(zhuǎn)速。在脫網(wǎng)事故狀態(tài)下仍可監(jiān)測(cè)到汽機(jī)轉(zhuǎn)速變化,，從而可據(jù)此有效地進(jìn)行事故處理,。避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大；給水泵是為鍋爐供水的關(guān)鍵設(shè)備,，因此在2004年該廠將原DCS系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展,。將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和三臺(tái)給水泵的變頻調(diào)節(jié)信號(hào)加入到了DCS系統(tǒng)中。
4 結(jié)論
（1）綜合效果
　　該廠DCS系統(tǒng)自安裝投運(yùn)以來(lái),，軟、硬件運(yùn)行基本可靠,。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo),。① 控制水位精度：±10 mm。汽壓：±0．03 MPa,，汽溫：±5℃,。負(fù)壓：±4 Pa；②節(jié)能效果顯著,。煙氣含氧量和渣含碳量明顯降低,。經(jīng)測(cè)試提高運(yùn)行效率4％ 。實(shí)際節(jié)煤5％ ,，一年耗煤量按40000噸計(jì)算,，每噸煤按360元人民幣計(jì)算。僅節(jié)煤一項(xiàng)一年可節(jié)約72萬(wàn)元,。
（2）DCS的進(jìn)一步應(yīng)用目標(biāo)
　?、龠M(jìn)一步擴(kuò)展DCS系統(tǒng)的功能范圍。實(shí)現(xiàn)一體化,；采用先進(jìn)的控制軟件,，進(jìn)一步發(fā)揮DCS的效能。為提高電廠管理的自動(dòng)化水平,，進(jìn)一步擴(kuò)大DCS的應(yīng)用范圍,。實(shí)現(xiàn)所謂的一體化，未來(lái)計(jì)劃汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（DEH和MEH）,、發(fā)電機(jī),、主變組和廠用電源系統(tǒng)的控制都將納入DCS,。②進(jìn)一步擴(kuò)大DCS物理分散的應(yīng)用。以減少電纜費(fèi)用,。③實(shí)現(xiàn)全廠輔助車(chē)間的系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和統(tǒng)一監(jiān)控,。減少值班人員。
（3）DCS在小型火力發(fā)電廠應(yīng)用中存在的問(wèn)題
　?、賴?guó)產(chǎn)DCS硬件的制造工藝及制造水平離國(guó)際水平有較大的差距,，硬件的故障率較高；② 由于缺乏切實(shí)可行的測(cè)試方法和手段,。有些DCS性能指標(biāo)無(wú)法進(jìn)行考核和驗(yàn)收,。許多性能指標(biāo)沒(méi)有達(dá)到規(guī)范要求；③由于DCS市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,，價(jià)格壓得很低,。DCS供應(yīng)商在工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)上不可能有很大的投入。在硬件配置上往往并沒(méi)有體現(xiàn)DCS的分散控制原則,。特別是在小型系統(tǒng)中,。這種現(xiàn)象尤為明顯；④工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)水平也不高,。先進(jìn)的控制軟件及控制策略不能推廣應(yīng)用,。不利于電廠的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行；⑤國(guó)產(chǎn)檢測(cè)元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性,、準(zhǔn)確性往往不能滿足DCS控制系統(tǒng)的要求,。加大了系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)投入的難度。使得DCS的優(yōu)勢(shì)不能完全發(fā)揮出來(lái),，影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,；⑥ 由于小機(jī)組的不規(guī)范性。一些輔助設(shè)備都自帶控制系統(tǒng)（箱）,。較常用的方法是采用硬接線的方式,，將這些設(shè)備的控制信號(hào)傳送至DCS并由DCS進(jìn)行控制；各系統(tǒng)之問(wèn)的聯(lián)接是工程中最麻煩的問(wèn)題,。能否解決這些問(wèn)題又成了整個(gè)系統(tǒng)能否長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵,；⑦控制策略一般由DCS廠家制定．1旦DCS廠家往往對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的細(xì)節(jié)并不太了解?；蛘哒f(shuō)對(duì)主設(shè)備的變化不太了解,。因而?？刂撇呗酝行┎蛔?。必須在投產(chǎn)后在有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行人員的幫助下，根據(jù)實(shí)際情況不斷修改才能取得較好的效果。
參考文獻(xiàn)：
[1]俞海斌,，褚健,。江加猛．鏈條鍋爐燃燒專(zhuān)家控制系統(tǒng)[J]．機(jī)電工程。2000,，17[2]：94-97．
[2]侯自林．過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,。2000．
[3]Siemens Co．Ltd．SIMATIC NET網(wǎng)絡(luò)解決方案工業(yè)以太網(wǎng)[z]．北京-．Siemens Co．Ltd。2001．
[4]黃雄輝,，工業(yè)過(guò)程控制中PLC監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J]．控制工程,。2003，l 0（5）：4362438．
[5]劉關(guān),，李楨,。朱學(xué)峰．基于微機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的DCS系統(tǒng)[J]．控制工程。2003,，10（5）：4162419．
[6]王權(quán)民等．（20—50）tth鍋爐DCS控制[J]．化工礦物與加工,，2004。l：33．35．