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熱電廠水汽采樣和化學加藥控制系統(tǒng)研究
【摘要】在熱力發(fā)電廠中，水汽品質(zhì)是1項重要指標。好的水汽品質(zhì)可以提高熱力設備的性能，延長設備的使用壽命，節(jié)約能源，減少事故發(fā)生率。反之水汽品質(zhì)的失調(diào)將會給電廠的熱工設備造成不同程度的損傷，給機組的安全和電廠穩(wěn)經(jīng)濟運行帶來隱患。所以水汽采樣和化學加藥是電廠熱工過程的兩個重要環(huán)節(jié)。
本文根據(jù)水汽采樣和化學加藥的工藝特點，從硬件和控制算法兩方面著手設計熱力發(fā)電廠化學加藥控制系統(tǒng)，采用上位機和下位機相結(jié)合的系統(tǒng)。上位機用工業(yè)計算機和組態(tài)軟件構成友好的人機界面，方便了系統(tǒng)的操作；下位機采用西門子S7 400H PLC進行數(shù)據(jù)采集和化學加藥控制。用工業(yè)以太網(wǎng)構成管理層，負責上位機和下位機之間、本系統(tǒng)和電廠其它系統(tǒng)之間的通信。現(xiàn)場總線構成現(xiàn)場設備的控制層，負責現(xiàn)場設備和PLC間的數(shù)據(jù)傳輸。
設計上從上位機、下位機、以太網(wǎng)到現(xiàn)場總線均采用了冗余結(jié)構，來提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。并把這樣的系統(tǒng)作為電廠DCS的子系統(tǒng)。為提高系統(tǒng)的實時性，本文研究了DCS的通信問題，介紹了1些提高通信能力的方法。
隨著電廠規(guī)模的日益擴大，工藝水平的不斷提高，要求采用更新穎的控制技術來滿足工藝的需要。由于化學加藥控制系統(tǒng)的非線性、大時滯、時變的特點，常規(guī)的控制方法難以獲得滿意的控制效果。為了提高系統(tǒng)控制的魯棒性和自適應能力，本課題將模糊控制引入到熱電廠化學加藥控制系統(tǒng)中。在算法方面，經(jīng)過研究決定采用參數(shù)自適應模糊PID自動加藥控制代替手動控制或是傳統(tǒng)PID控制，并用仿真曲線來分析其動態(tài)性能和抗擾動能力。仿真結(jié)果表明，該策略的控制效果優(yōu)于常規(guī)的PID控制，它能適應對象參數(shù)的變化，具有較強的魯棒性和自適應能力。
關鍵詞:現(xiàn)場總線；加藥；時滯系統(tǒng)；模糊PID控制；原文word稿件點擊下載
Abstract
In the thermal power plant, the parameters of water and steam of thermal system is a importance target. The good parameters of water and steam of thermal system can improve the performance of thermal equipment, and prolong the useful life of equipment, the using of devices, and save energy, reduce the ratio of the accidents. Contrarily, it will cause varying degrees of damage inthermal equipment of the Power Plant, and bring hidden troubles in the secure and economic running of the power plant, so, the chemical vapor sampling and Dosing is an important link for thermal power plant.
On the bases of the Technological requirements of the water and steam of thermal system chemical and the dosing control system, the hardware and control algorithm is designed in the paper. In the hardware design, the upper and the hypogynous are combined in the design, the upper of the system is composed of PC and SCADA to be made of the friendly Man and Machine Interface, and it facilitates the operation of the system. The hypogynous of the system adopts Siemens S7 400H PLC to collect data and to control the process of the dosing control system. Industrial Ethernet is used of the management, and sees to communication between the upper and the hypogynous or between the system and other plant systems. FCS is used of the Control layer, it sees to the data transmission between on-site equipments and PLC.
In this paper, to increase the reliability of the Monitoring system, the redundant structure is used from the PC、the upper、the hypogy nous、the Ethernet to FCS. The system is looked on as the subsystem of the DCS. Many communication methods are introduced in this paper, to improve the real-time of the system.
With the growing scale of power plants and with the continuous raising level of technology, it requires to update the control arithmetic. Since the chemical dosing control system of fossil power plant is characterized by nonlinearity, long time lag and variation with time, satisfying control effect can not be achieved with traditional control methods. In order to increase the robustness and self-adaptability of the chemical dosing control system in the system of dosing is designed. In this paper, fuzzy control system of dosing. In the algorithm, Fuzzy self-adaptation PID control is used instead of the traditional manual control or the traditional PID control, The dynamic performance and anti-disturbance is analyzed by simulation, Simulation results show that the control effect by this strategy is superior to that of normal PID cascade control. It is featured by strong robustness and self-adaptability, and can readily accommodate itself to the object's parameter variations.
KEY WORDS: FCS; Dosing; time-delay system; Fuzzy self-adaptation PID Control
目 錄
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 緒論 1
1.1課題研究的意義 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢 1
1.3本文的主要研究內(nèi)容 2
第2章 電廠水汽監(jiān)控系統(tǒng)介紹 4
2.1電廠DCS系統(tǒng)介紹 4
2.1.1DCS系統(tǒng)簡介 4
2.1.2電廠控制級功能簡介： 4
2.1.3西門子DCS系統(tǒng) —— PCS7 4
2.1.4電廠輔控網(wǎng)組成 6
2.2火電廠水汽系統(tǒng) 7
2.3化學加藥系統(tǒng)原理 9
第3章 系統(tǒng)設計原理及功能 11
3.1上位機系統(tǒng)設計 11
3.1.1上位機硬件 11
3.1.2軟件設計 11
3.1.3利用InTouch 軟件實現(xiàn)冗余功能 14
3.1.4InTouch數(shù)據(jù)庫 16
3.2下位機PLC控制系統(tǒng)設計 17
3.2.1下位機控制系統(tǒng)硬件配置 17
3.2.2硬件系統(tǒng)的冗余設計 18
3.3系統(tǒng)時鐘設計 24
3.4電源設計 25
第4章 DCS系統(tǒng)通訊問題研究 26
4.1現(xiàn)場總線應用及其安全可靠性的提高 26
4.1.1現(xiàn)場總線的發(fā)展與應用 26
4.1.2Profibus現(xiàn)場總線通信協(xié)議。 27
4.1.3系統(tǒng)實時性研究 29
4.2工業(yè)以太網(wǎng)實時性問題及解決方案。 33
4.2.1工業(yè)以太網(wǎng)通信原理 33
4.2.2工業(yè)以太網(wǎng)實時性問題的研究 35
第5章 化學加藥控制理論研究 37
5.1加藥系統(tǒng)控制對象數(shù)學模型的建立 37
5.1.1 控制對象選擇 37
5.1.2 控制對象特性分析 37
5.1.3 建立控制模型 38
5.2 控制算法的確定 41
5.3 加藥模糊控制器的建立 41
5.4 化學加藥參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制器的設計 46
5.5 仿真曲線 48
第6章 電廠化學加藥模糊控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 51
6.1控制系統(tǒng)的原理與控制指標 51
6.1.1控制系統(tǒng)的原理 51
6.1.2自動加藥控制系統(tǒng)主要技術指標 52
6.2硬件系統(tǒng)設計方案 52
6.3軟件實現(xiàn) 57
第7章 總結(jié)與展望 61
致 謝 62
參考文獻 63
第1章 緒論
1.1課題研究的意義
近年來，我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，生產(chǎn)力不斷提高，電力作為經(jīng)濟發(fā)展的動力得到了迅速的發(fā)展。為了節(jié)省能源和保護環(huán)境，提高火力發(fā)電的經(jīng)濟性，大容量超臨界機組因其能源利用率高、經(jīng)濟性能好而得到快速發(fā)展，已在世界發(fā)達國家廣泛應用。隨著科學技術的發(fā)展及計算機更新升級，先進的控制策略、專家系統(tǒng)、現(xiàn)場總線和智能變送器的廣泛應用，將有利于節(jié)約投資，降低能耗，便于維護和提高火電廠安全、經(jīng)濟運行水平[1]。
熱工自動化是火電廠不可缺少的組成部分，而熱工自動化的水平又是現(xiàn)代火力發(fā)電技術和管理水平的綜合體現(xiàn)。這主要有兩個因素推動，1個是DCS，另1個是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。DCS在電廠的普及應用，為火電廠熱工自動化技術的發(fā)展奠定了基礎。而協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在單元機組普遍投入，使火電廠熱工自動化達到前所未有的新高度。目前廣泛采用以微機為核心的DCS，其可靠性很高，可依賴性強，可以充分發(fā)揮自動化的功能，并取得了很好的安全和經(jīng)濟效益。在熱工自動化系統(tǒng)采用開放的工業(yè)計算機系統(tǒng)和遠程智能I/O，有利于減少信號電纜，降低造價；應用先進的控制策略、專家系統(tǒng)、可充分發(fā)掘DCS的潛力，解決1些老大難問題，進1步提高電廠安全與經(jīng)濟運行。
由于火電機組越來越大，對機組熱工自動控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求也隨之提高。為了保證單元機組的正常運行以及高度的安全性、經(jīng)濟性，對單元機組的自動化水平提出了更高的要求。由于單元機組存在著大遲延、大慣性和嚴重的非線性及擾動頻繁等特點，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)對機組的要求，用先進的智能化控制策略取代常規(guī)控制策略成為火電廠過程控制發(fā)展的趨勢。目前，由于現(xiàn)有的給水加藥控制系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，加藥方式多采用手動間歇控制或是采用傳統(tǒng)PID算法的自動控制，工作費時費力，控制精度又不高。為提高系統(tǒng)的自動化水平有必要研究新型的控制系統(tǒng)和控制策略，提高加藥控制系統(tǒng)的準確性、快速性和魯棒性。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢
近年來，美國等發(fā)達國家對火電廠水汽監(jiān)控方面做了大量研究，提出最佳的化學監(jiān)控管理方案仍然是核心問題。自動化先進的發(fā)達國家擁有先進的設備和控制技術，其電廠監(jiān)控自動化水平已經(jīng)很高，但相對于快速發(fā)展的電力系統(tǒng)的要求來說，仍還有不足。
在我國大容量機組的發(fā)電廠熱工系統(tǒng)發(fā)展迅速，而電氣系統(tǒng)的整體控制水平則進展較慢，造成整個機組監(jiān)控不協(xié)調(diào)，且在監(jiān)控、管理技術上與國外水平有較大的差距。現(xiàn)場總線技術的發(fā)展和發(fā)電廠設備微機化程度的提高，為以數(shù)字通信方式建立電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)提供了技術上的保證。發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)是進1步提高電廠自動化水平，特別是電氣運行管理水平的必然趨勢，采用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)新建或改造發(fā)電廠DCS系統(tǒng)將節(jié)省可觀的投資。而且，目前我國發(fā)電廠在控制上往往采用簡單的PID控制，這也使控制能力大大降低[2]。
自910年代以來DCS系統(tǒng)在我國開始推廣且不斷走向成熟，為我國電廠自動化水平的提高做出了很大的貢獻，同時也不斷暴露出它的許多不足之處。以太網(wǎng)由于其開放性好，應用廣泛以及價格低廉等特點，被工業(yè)控制系統(tǒng)都是采用以太網(wǎng)來統(tǒng)1管理層通信，而且各種現(xiàn)場總線也大多開發(fā)出以太網(wǎng)接口，因此可以說以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)控制領域的主要通信標準�，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)由于其徹底的開放性、分散性和完全互可操作性等特點，工業(yè)控制大量采用它做現(xiàn)場控制。總線技術和以太網(wǎng)通訊技術作為電廠DCS系統(tǒng)的補充，再加上先進的控制技術，將大大提高電廠控制自動化水平。
對照國內(nèi)外研究的情況，不難看出加藥系統(tǒng)未來的發(fā)展方向：
(1)進1步加強環(huán)境保護意識，真正確立“綠色”無公害的加藥系統(tǒng)。
(2)消滅化學原因的爐管漏爆事故，消滅汽輪機低壓葉片、葉輪的腐蝕與積鹽，取消鍋爐化學清洗。
(3)從配藥到加藥全面實現(xiàn)自動控制，真正實現(xiàn)全自動無人值班。
(4)針對系統(tǒng)時滯的特點運用智能控制理論分析并建立智能控制系統(tǒng)。
(5)充分挖掘加藥系統(tǒng)的潛力，使加藥系統(tǒng)的功能向靈活化、多元化發(fā)展，實現(xiàn)監(jiān)測與控制的1體化、網(wǎng)絡化和智能化[5]。
1.3本文的主要研究內(nèi)容
通過工作實踐和調(diào)研，并閱讀了大量的資料文獻，了解到目前我國熱電廠水汽采樣和化學加藥控制系統(tǒng)存在著諸多問題，針對這些問題本文從硬件控制結(jié)構和控制算法兩個方面提出了解決方案。
系統(tǒng)分為上、下位機兩部分。
上位機部分采用工控機和組態(tài)軟件進行監(jiān)控，這部分要對計算機系統(tǒng)進行配置，編輯人機界面。友好的人機界面應能實現(xiàn)以下功能：實時顯示現(xiàn)場信息；隨時的歷史數(shù)據(jù)庫查詢；定時打印和報警專家系統(tǒng)。計算機、組態(tài)軟件和工業(yè)以太網(wǎng)作DCS的子站的管理層。
下位機選用西門子S7-400H的熱備冗余系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機和電廠的DCS通信，用Profibus 總線擴展3個遠方從站，控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)的采集和化學加藥。同時還要研究現(xiàn)場信號采集和傳輸、DCS中現(xiàn)場總線的通信問題和冗余系統(tǒng)的容錯問題[8]。
針對化學加藥系統(tǒng)的大時滯的特點，本文將模糊自適應PID控制應用于化學加藥系統(tǒng)，代替手動加藥系統(tǒng)和傳統(tǒng)的PID控制，由于目前的各種先進的控制理論在電廠的化學加藥系統(tǒng)中應用都處在研究階段，本文將給出其仿真曲線說明其可行性。
因此，本論文研究的是1種利用總線系統(tǒng)做現(xiàn)場控制，以以太網(wǎng)系統(tǒng)做監(jiān)控管理，結(jié)合DCS系統(tǒng)再加上先進的模糊控制技術，由現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層組成的先進完整的電廠水質(zhì)監(jiān)控管理系統(tǒng)[9]。
第2章 電廠水汽監(jiān)控系統(tǒng)介紹
2.1電廠DCS系統(tǒng)介紹
2.1.1DCS系統(tǒng)簡介
DCS是分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System)的簡稱，國內(nèi)1般習慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是1個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS的構成方式10分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務器、工業(yè)控制計算機和可編程控制器構成。處于底層的過程控制級1般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級計算機。生產(chǎn)監(jiān)控級對來自過程控制級的數(shù)據(jù)進行集中操作管理，如各種優(yōu)化計算、統(tǒng)計報表、故障診斷、顯示報警等 [10]。
2.1.2電廠控制級功能簡介：
廠級管理工作站的功能：管理全廠的運行自動化。即全廠經(jīng)濟管理(EDC)；自動發(fā)電控制(AGC)；自動電壓控制(AVC)；事故分析及事故處理；歷史數(shù)據(jù)保存及檢索管理；系統(tǒng)授權管理；運行報表打
[1]
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