基于工控机的锅炉控制系统的设计与应用

    锅炉是广泛应用于石油化工、热力发电等工业生产场合的蕈要动力设备之一，其主要作用是提供合格的蒸汽。锅炉控制系统的任务是确保蒸汽的温度、压力及流量等参数符合工艺要求；维持汽包水位和炉膛压力在一定的范围内以保证设备安全运行；保证燃烧充分以提高生产的经济性、避免环境污染。因此，锅炉控制系统的工作质量直接影响着锅炉的正常生产，是其安全运行的重要保障。

1 锅炉控制方案的设计

    1．1 汽包液位的控制

    锅炉汽包液位是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。液位过高会影响汽、水分离效果，使蒸汽带液，损坏下游设备；水位过低，会影响水在汽包中自然循环的正常进行，甚至使部分管壁过热而爆管。因此必须严格将水位控制在规定的范围。

    该系统汽包液位的控制充分吸收了当前先进的智能控制思想，采用基于模糊PID的三冲量控制方案，以锅炉汽包液位测量信号作为主控制信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，构成前馈调节回路，以锅炉给水流量信号作为串级信号，构成副调节回路。由主调节回路、前馈调节回路和副调节回路共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。引入蒸汽流量前馈信号可以消除虚假水位现象对自动控制的不良影响；引入给水流量串级信号可以消除给水侧压力扰动对自动控制的不良影响?。副回路调节器采用常规PID调节器，根据蒸汽流量和给水流量比较产生的偏差进行常规PID运算，其输出作用于给水调节阀，使水位保持稳定。主回路采用模糊PID控制器，根据水位产生的偏差进行模糊PID运算，其输出作为给水流量控制器的给定值，经给水流量控制器改变给水量，使水位恢复到给定值。

    模糊控制器将锅炉水位误差e和水位误差变化率ec作为模糊控制器的两个输入变量，△Kp、△K1、△Kd作为模糊控制器的3个输出变量，其输出又作为常规水位调节器的PID参数的修正值。在运行过程中根据实时检测到的e和ec，再根据模糊控制算法对PID 3个参数进行在线实时修改，使常规水位调节器不断获得最佳PID参数整定值，从而使水位控制器具有良好的控制品质。

    1．2燃烧系统控制

    该系统采用节能双交叉燃烧控制方案，是根据主蒸汽负荷对锅炉的燃烧系统进行调节的。以蒸汽母管压力控制为主回路，空气流量和燃料流量控制为并列副回路，构成PID串级控制系统，两并列副回路又带有一定逻辑功能的比值控制系统。该方案能保证空气和燃料的比值在稳定工作状态时处于最佳。空气和燃料的最佳比值为K，即SP2=KSPI，K值可通过试验方法或经验给定。

    状态平稳时，蒸汽压力和给定值一致，蒸汽压力控制器的输出一方面通过燃料系统的高、低选模块HSl、LSl直接作为燃料流量调节器F．C的设定值，另一方面通过空气控制系统的高、低选模块HS2、LS2乘上一个系数后作为空气流量控制器F：C的设定值，在稳定状态下，有SP2=KSPl；当负荷增加时，蒸汽压力下降，蒸汽压力控制器的输出信号将增加，引起SPl和SP2同时增加，SPl的最大增量为K1，SP2的最大增量为K4 *K。设K4>K1，这样SPl的增加幅度小于SP2的增加幅度。交叉限幅的作用是让空气和燃料成阶梯状交叉上升，保证在负荷增加时，空气和燃料的配比仍在最佳值附近；当负荷下降时，先减燃料量，后减空气量。保证在负荷减少时，空气和燃料的配比仍在最佳值附近；同时，为提高热效率，对烟气氧含量进行检测输出，自动修正空燃比，使烟气氧含量保持在最佳范围之内。

    1．3过热蒸汽温度控制

    过热蒸汽温度是锅炉正常运行的重要参数，温度过高会烧坏过热器水管，影响下游设备的正常工作和安全；温度过低又会影响下游设备的使用。因此必须使过热蒸汽温度稳定在一定的范围内，对于中、高压锅炉来说，温度偏差不应超出额定值的士10℃。

    该系统采用串级控制方案。过热器出口温度为主被控变量，减温器出口温度为辅被控变量，减温水流量为操纵变量。由于减温器后蒸汽温度滞后较大，因此副控制器选用比例微分调节器，主控制器选用比例积分微分调节器，主回路的任务是维持过热器出口蒸汽温度恒定。

    1．4蒸汽压力控制

    蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系平衡与否的重要指标，其波动应控制在±(50-100)kPa之内。运行过程中，若蒸汽压力降低，说明蒸汽消耗量大于锅炉蒸发量，所以压力变低时，应增加燃煤的体积流量以加强燃烧，提高蒸汽蒸发量；压力上升时，则相反。由于流量变化后，才引起压力变化，因此为了提高系统的响应，引进蒸汽流量作为前馈信号，该系统采用的是前馈一反馈控制方案。

    1．5炉膛负压控制

    锅炉炉膛通常保持适当的负压，这样可以避免观火孔等局部地区喷火，有利于安全生产和环境卫生，但如果负压太大，又会使大量的空气进入炉子，增大引风机负荷和烟道气带走的热量，不能实现经济燃烧，所以炉膛负压一般控制在-20Pa左右。炉膛负压通过调节引风机挡板的开度来控制，引入送风量作为前馈信号。因此，该系统炉膛负压采用前馈一反馈控制方案。

    上述锅炉控制方案的5个控制回路汇合在一起的结构如图1所示。

图1 锅炉控制系统结构框图

2 系统硬件配置

    该系统采用了ISA总线的工业控制计算机。ISA总线有16位数据总线和24位地址总线，最多能拥有16MB可寻址内存。ISA总线是应用最广泛的I／O总线，因为对大部分接口应用系统来说，ISA卡有着很好的性能，使用的元件也很便宜，是一项得到了证实的可靠的技术。

    该系统采用的工控机具有以下特点：性价比较高；机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力；微机内部一般采用总线式模块结构，配置灵活、维修方便；系统配有专门电源，有较强的抗干扰能力和连续长时间工作的能力。工控机的组成包括：CPU模板(含PS／2、VGA、串口、并口以及USB等接口)、A／D模板、D／A模板、开关量输入模板和开关量输出模板，各模板都用接插件安插在ISA总线的母板上。ISA总线结构很适于工业环境，按测量参数的多少和控制回路的数目选配相应的模板。考虑到现场人员的技术水平，对开机操作、控制目标、控制参数的修改以及手／自动切换等设置了最简便的操作。

    锅炉生产现场的汽包水位、蒸汽流量、汽包压力、给水流量、烟气含氧量、过热蒸汽温度以及炉膛负压等被控参数均由相应的变送器完成检测并转换成4—20mA的电流信号后送到A／D模板。

    A／D模板采用研华公司的Adam5511系统可以克服长久腐蚀及寿命短等缺点，并应用其自带的软件与上位机组态进行通信。Adam551 1是基于PC的可编程微控制器，可独立进行数据采集，通过多通道I／O模块可完成现场控制、监测和数据采集Ho。每台Adam5511配置16点模拟量输入，4点模拟量输出，16点开关量输入输出，可采集16点锅炉运行现场数据，组成4个闭环控制回路。该系统采用两台Adam551，先完成隔离和I／U变换，把电流信号变换成1～5V的电压信号，再转换成数字量输入到CPU。CPU给出的减温水流量、给水阀开度、风门开度、炉排转速和引风门开度5个控制信号，由Adam55模板先行隔离后再变换成4—20mA的统一的电流信号，最后送往各执行机构实现控制。键盘、CRT显示器、打印机、控制台上的各种开关、按扭、数码显示器、指示灯和某些执行机构的驱动电路，都通过相应的接口与模板相连，成为整个系统的外部或外围设备。

    锅炉微机控制系统硬件结构如图2所示。

图2 锅炉微机控制硬件结构系统硬件结构框图

3 系统软件设计及应用

    锅炉控制软件一般采用实时中断分时控制的方式，系统由实时时钟定时引起中断，各参数的检测和控制均由中断服务程序完成。

    系统主程序流程如图3所示，系统在执行中断服务程序后不断扫描键盘，根据用户要求完成修改时间、报警消声、报警试验、随机打印、积算清零、显示参数以及修改参数等功能。中断服务子程序的功能是每到一定时刻完成对某参数的采样和控制，控制回路程序流程如图4所示。

图3 系统主程序流程

图4 控制回路程序流程

    该控制系统应用在某工厂蒸汽锅炉控制中，运行结果证实，锅炉微机控制系统可以对汽包水位、蒸汽温度和压力、风煤比以及炉膛负压等实现自动控制，能够快速完成数据采集、逻辑分析及精确计算等。可根据锅炉运行过程所需的控制和运算要求，及时、便捷地修改调节参数，以达到最佳控制效果，可获得明显的技术和经济效益。

4 结束语

    该控制系统硬件按功能模块化设计，软件设计功能丰富，软、硬件结合进行自动控制和工况检测，其故障检测、故障报警和故障处理功能增强，能够提高锅炉运行的安全和经济效益，减轻锅炉操作人员的劳动强度，改善了锅炉操作条件，保障锅炉“安、稳、长、满、优”生产。