基于AC800F的鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)

竇二飛，李紅星，楊新華

DOU Er-fei1 ，LI Hong-xing2，YANG Xin-hua3

（1.北京聯(lián)合大學 信息學院，北京 100101；2.北京聯(lián)合大學 自動化學院，北京 100101；3.北京帥安控制技術有限公司，北京 100102）

0 引言

北京帥安控制有限責任公司某電廠600MW機組項目采用ABB公司IT Industrial DCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)融傳統(tǒng)的DCS和PLC優(yōu)點與一體并支持多種國際現(xiàn)場總線標準。它既具備DCS的復雜模擬回路調(diào)節(jié)能力、友好的人機界面（HMI）及方便的工程軟件，同時又具有與高檔PLC指標相當?shù)母咚龠壿嫼晚樞蚩刂菩阅堋?/p>

蒸汽是電廠汽輪機的動力來源，汽包是鍋爐汽水分離的主要裝置，而汽包液位是鍋爐運行的重要參數(shù)，汽包液位偏高，將損壞汽水分離裝置，汽包液位偏低，則破壞水循環(huán)，嚴重時會造成干鍋。其特殊的虛假水位現(xiàn)象必須提高警惕。同時，要克服蒸發(fā)量的擾動、燃料量的擾動、給水側(cè)擾動等多種因素的影響[1]。

本文在該電廠DCS基礎上對汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的設計方法進行了詳細介紹，并在AC800F控制系統(tǒng)中設計了汽包液位的單沖量和三沖量控制控制方案，在鍋爐運行過程中，根據(jù)液位值的情況，控制方案在單沖量和三沖量控制方案之間進行切換。這樣既提高了鍋爐在高負荷時的穩(wěn)定性和安全性，同時提高了電廠的生產(chǎn)效益。

1 汽包液位DCS設計

本項目選用ABB Industrial IT系統(tǒng)，由若干個過程控制單元、冗余的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡和若干個操作員站及工程師站等組成。電廠鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，汽包由筒身和封頭組成，在鍋爐汽水循環(huán)中起中樞作用，汽包接收省煤器來的給水，與下降管、水冷壁、引出管組成閉合的水循環(huán)回路，可以儲存一定的水和蒸汽，以適應電廠負荷的突然變化，并提供過熱器飽和蒸汽，具有儲能作用。因此，汽包是加熱段、蒸發(fā)段和過熱段受熱面的連接點。標準液位為汽包中心線下150mm處，標準線上50mm處為最高安全液位，標準線下50mm為最低安全液位，當液位偏離標準線75mm時應及時報警，保證鍋爐及汽包的安全。

圖1 汽包工藝流程圖

1.1 控制方案

機組的鍋爐汽包，相對容量較小，液位變化速度很快。斷水數(shù)十秒內(nèi)液位就會達到極限值，幾分鐘就可能造成事故，這就要求大機組采用給水全程控制。給水全程控制就是機組從啟動到帶滿負荷，負荷的升降、機組關停全部過程都實現(xiàn)給水自動控制。給水控制系統(tǒng)有單沖量和三沖量兩套方案，當給水泵啟動或負荷小于15%額定負荷時，控制給水操作臺旁路控制閥來維持汽包液位，同時通過控制電泵轉(zhuǎn)速維持給水泵出口母管壓力與汽包壓力之差。當負荷超過15%額定負荷時，直接采用給水泵轉(zhuǎn)速來維持汽包液位。當負荷達到30%額定負荷時，切換為三沖量給水控制。

1）單沖量控制系統(tǒng)。在鍋爐啟動階段，兩臺汽動給水泵均還未啟動，此時，只有電動給水泵參與工作，通過邏輯切換選擇單沖量控制系統(tǒng)。機組在啟動或低負荷狀態(tài)時，由于蒸汽負荷較低，對汽包液位的擾動與鍋爐排污、疏水等對汽包液位的擾動相比，已不占主導地位，而且蒸汽流量測量誤差較大，因此，采用單沖量控制策略進行控制。這也是鍋爐汽包液位控制方案中最簡單、最基本的一種形式，是一種單回路控制系統(tǒng)，控制器輸入信號是汽包液位的偏差信號[2,3]。如圖2所示。

圖2 單沖量控制系統(tǒng)

2）串級三沖量控制系統(tǒng)。鍋爐的主蒸汽流量超過30%時，給水控制系統(tǒng)從單沖量給水控制系統(tǒng)切換到串級三沖量給水控制系統(tǒng)。鍋爐主蒸汽流量超過30%時，給水控制系統(tǒng)將從單沖量給水控制系統(tǒng)切換到串級三沖量給水控制系統(tǒng)。串級三沖量控制系統(tǒng)包含兩個PID控制器，一個主控PID，一個副控PID。主控制器的輸出、蒸汽流量信號與給水流量信號送到副控制器PID的輸入端，副控制器的輸出送到執(zhí)行機構，由執(zhí)行機構改變給水流量[4]，如圖3所示。

主控制器接收汽包液位輸出的偏差值進行控制，副控制器接收了三個信號，給誰流量、蒸汽流量和控制器的輸出。該控制系統(tǒng)的靜特性由主控制器決定，不需要蒸汽流量信號與給水流量信號相等，采用補償環(huán)節(jié)可以很好的補償虛假液位的影響，從而改善負荷擾動下的控制品質(zhì)[5]。

圖3 串級三沖量控制系統(tǒng)

3）給水控制系統(tǒng)的邏輯保護和切換。給水全程控制系統(tǒng)是低負荷時的單沖量控制，高負荷時的三沖量控制，泵的最小流量、最大流量控制，泵出口壓力控制等系統(tǒng)有機結合而成的一個綜合控制系統(tǒng)。在整個運行過程中，必須保持汽包液位在允許的范圍內(nèi)變化，使給水設備工作在安全區(qū)，并具有可靠的單沖量控制方式與三沖量控制方式的切換回路。同時，在緊急情況下，自動控制系統(tǒng)應該切換到手動狀態(tài)，切換條件如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)邏輯保護和切換原理

4）測量信號的校正。機組從啟動到正常運行，工質(zhì)參數(shù)變化很大，所以必須解決好參數(shù)的補償問題。對汽包液位進行壓力補償，對蒸汽流量進行壓力、溫度補償，保證信號的準確性。為了得到可靠的汽包液位信號，系統(tǒng)配置三套液位測量裝置，三個信號采用取中的方式自動選擇。給水流量的測量與液位測量一樣，也是三取中。蒸汽流量的測量分為汽輪機入口流量和旁路流量之和，汽輪機入口流量測量為三取中的方式，因此一個蒸汽流量的測量配置三套測量裝置。

1.2 硬件配置

系統(tǒng)選用AC800F控制器，該控制器采用了高性能的32位RISC Superscalar 多任務處理器，其運算速度可達到150MIPS，可以輕松滿足各種任務需求。并且整個系統(tǒng)的執(zhí)行方式采用多進程方式，任務運行周期及優(yōu)先級可以組態(tài)（最快5ms），可滿足工廠不同被控對象的控制要求。由于整個系統(tǒng)要求極高的安全性和可靠性，所以系統(tǒng)配置多種冗余方式，CPU中配置了冗余的Profibus DP模件FI830，實現(xiàn)了與I/O從站CI840之間的冗余通訊。冗余配置的控制器以容錯的方式進行工作，這樣一來，任何一個控制器中的模件或者控制器本身出現(xiàn)故障，也不會影響另一個熱備控制及模件的運行，此外，數(shù)據(jù)通訊總線出現(xiàn)故障時，控制器也仍能正常工作，系統(tǒng)自動地以無擾、平滑的方式，快速地切換至冗余熱備控制器上，并在操作員站觸發(fā)報警信息。

AC800F系統(tǒng)既可連接常規(guī)I/O，又可連接Profibus、FF、CAN、Modbus現(xiàn)場總線。系統(tǒng)具備高度的靈活性和極好的擴展性，無論是小型生產(chǎn)裝置的控制，還是超大規(guī)模的全廠一體化控制，甚至對于跨廠的管理控制應用，都可以實現(xiàn)。系統(tǒng)包括操作級與過程級，操作級包括傳統(tǒng)控制功能，如操作與監(jiān)視，歸檔與信息記錄，趨勢與報警，回路與邏輯控制功能等，為便于管理，所有功能均可在相應過程站中執(zhí)行。過程級是由一個或幾個過程站組成，每個過程站由AC800F和擴展I/O S800單元組成。過程站可以配置為冗余或非冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)具有各種I/O模塊與現(xiàn)場各種類型過程信號相連接。過程站總線采用PROFIBUS-DP通信；I/O總線用于現(xiàn)場I/O數(shù)據(jù)通信，具有較高的安全性與較強數(shù)據(jù)可靠性。DigiNetS系統(tǒng)總線采用Ethernet協(xié)議，用于過程級與操作級間通信，通信傳輸介質(zhì)可以選擇同軸電纜或光纜。

S800 I/O模件為智能化模件，主要功能是進行信號調(diào)理及A/D、D/A轉(zhuǎn)換、并完成包括線性化、工程單位轉(zhuǎn)換在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)預處理。其模件及接線端子可任意組合以適用于不同空間及應用要求。S800 I/O可通過Profibus DP或ABB AF100現(xiàn)場總線實現(xiàn)與高一級控制系統(tǒng)的通信。同時也可以與傳動設備連接，模件狀態(tài)可以通過狀態(tài)顯示觀察，也可通過現(xiàn)場總線遠程診測。數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線按照一定周期掃描I/O模件，根據(jù)模件類型掃描周期定4-500ms。S800 I/O具備全冗余功能，包括總線接口模件冗余，總線介質(zhì)冗余I/O模件冗余?？蓪崿F(xiàn)無擾動切換，所有輸出可強制或預設定。I/O模件通過機械鎖定鍵與接線端子鎖定，所有模件均可帶電插拔。提供本質(zhì)安全模件及HART通訊，把HART 協(xié)議轉(zhuǎn)換為Profibus-DPV1。各模件及通道狀態(tài)顯示等易于錯誤診斷，所有模件注塑成型，防護等級為IP20。S800 I/O站為導軌式安裝，即可水平安裝，也可垂直安裝。

系統(tǒng)通訊模板為標準TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)模件，使系統(tǒng)無須增加設備就就可以與工廠局域網(wǎng)連接，由于系統(tǒng)支持標準OPC數(shù)據(jù)交換標準，使系統(tǒng)與各種第三方數(shù)據(jù)庫或軟件的數(shù)據(jù)交換將更加容易。項目中采用了100MB/s的工業(yè)以太網(wǎng)結構，遵循IEEE802.3標準，控制器和操作員站之間通訊采用的是對等模式，而非Server/Client結構。數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)將各分散處理單元、輸入/輸出處理系統(tǒng)及人機接口和系統(tǒng)外設連接起來，以保證可靠和高效的系統(tǒng)通訊。整個網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)的負載容量在繁忙的情況下，其通訊負荷也不會超過20%。

系統(tǒng)配套三臺給水泵，其中兩臺是各自容量為60%額定給水流量的汽動泵，分別由小汽輪機驅(qū)動，改變小汽輪機的轉(zhuǎn)速可以改變給水流量。一臺容量為總?cè)萘?5%的電動給水泵，當機組負荷低于30%額定負荷時，電動給水泵運行。當機組負荷大于30%額定負荷時，運行汽動給水泵，給水泵的啟動和停止操作由機組自啟停程序控制。

2 應用程序設計和編寫

系統(tǒng)提供了功能塊圖（FBD）、梯形圖（LAD）、指令表（IL）和順序功能圖（SFC）、ST（結構化文本）等圖形化組態(tài)手段用于組態(tài)，還帶有包含近200 多個功能塊的算法庫和具有200 多個圖形符號的基本圖庫和內(nèi)含大量3D 圖符的擴充圖庫。系統(tǒng)使用同一套組態(tài)工具軟件完成過程級、操作級乃至現(xiàn)場總線儀表的組態(tài)以及調(diào)試，并使用同一個全局數(shù)據(jù)庫。靈活的自定義模塊，用戶可以任意組態(tài)，完成現(xiàn)場的各種需要。本項目采用功能塊圖（FBD）編程方式進行編程，功能塊圖是一種圖形化編程語言，他符合IEC61131-3語言標準。溫度補償采用軟件編程，一個機柜只測一點的環(huán)境溫度作為補償，既滿足了精度要求，又節(jié)約了溫度通道。

單沖量控制系統(tǒng)程序如圖5所示，該程序設計簡單，輸入量包含液位越限報警值、液位差輸入值、控制流量輸出等參數(shù)。中間較大模塊為PID控制器模塊，左邊矩形框為輸入變量或參數(shù)值，右邊矩形框為輸出變量或報警操作。

圖5 單沖量組態(tài)圖

三沖量控制系統(tǒng)，采用PID串級控制。主回路選擇汽包液位的計算值作為其PV值，汽包液位的計算值加入了主蒸汽溫度、主蒸汽壓力的補償算法。主回路可以在其副回路控制的基礎上進行精確控制，如圖6所示。具體方法：根據(jù)現(xiàn)場儀表及經(jīng)驗公式計算出汽包水位值（PV1）、主汽流量、給水流量；使用串級PID運算調(diào)節(jié)主給水閥門開度，保持水位穩(wěn)定；主調(diào)采用流量調(diào)節(jié)、副調(diào)采用水位調(diào)節(jié)。

圖6 主回路組態(tài)圖

副回路選擇蒸汽量和給水量的差作為其PV值，副回路能夠?qū)ω摵傻耐蝗蛔兓M行快速響應，并有效地克服了虛假水位現(xiàn)象的發(fā)生，同時在副回路采用較高采樣控制頻率，其參數(shù)的選擇原則同傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器一樣，組態(tài)圖如圖7所示。

圖7 副回路組態(tài)圖

3 結束語

本DCS系統(tǒng)從投運到現(xiàn)在，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、測量控制精度高，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，使生產(chǎn)管理上了一個新臺階。其中，汽包液位控制系統(tǒng)的控制效果對整個電廠系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和機組的安全生產(chǎn)起到了關鍵作用。汽包在高負荷運行過程中，串級三沖量控制系統(tǒng)中兩個控制器的任務不同，主控制器的任務是校正液位；副控制器的任務是消除蒸汽側(cè)的擾動，可以很好的抑制汽包的“虛假液位”。當系統(tǒng)測量、變送單元出現(xiàn)故障或性能發(fā)生變化時，主控制器的積分作用可以補償失去平衡的信號，使系統(tǒng)暫時維持平衡，這樣可以提高系統(tǒng)的安全性。

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