火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

鄒 毅，肖 麗，廖 源

（國能九江發(fā)電有限公司 江西 九江 332000）

0 引言

電能作為一種高效、清潔的能源，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。 然而，傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠操作方式存在著一定的缺陷，例如人為因素的影響較大、運(yùn)行效率低下等問題。因此，對火力發(fā)電廠進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)的改造成為了當(dāng)前亟待解決的問題。 本文將從火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)基本理論展開，通過對其設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了火力發(fā)電廠的智能化和高效化的生產(chǎn)目標(biāo)。

1 火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)

1.1 火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)概述

火力發(fā)電廠作為一種重要的能源生產(chǎn)方式，其自動(dòng)化控制系統(tǒng)的建設(shè)對于提高發(fā)電效率和降低運(yùn)行成本具有重要意義。 火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包括鍋爐控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)控制系統(tǒng)、火電廠監(jiān)控系統(tǒng)以及其他相關(guān)設(shè)備的控制系統(tǒng)。 這些控制系統(tǒng)通過對各環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化管理，可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)電站的全面監(jiān)控與控制。 鍋爐控制系統(tǒng)是火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分。 它主要負(fù)責(zé)鍋爐溫度、壓力、流量等方面的數(shù)據(jù)采集和處理，并提供給其他控制系統(tǒng)所需的信息。 同時(shí)，鍋爐控制系統(tǒng)還包括了鍋爐自動(dòng)調(diào)壓功能，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整鍋爐的工作參數(shù)以達(dá)到最佳燃燒效果。 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)則是火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵組成部分。 它主要用于調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩輸出，保證機(jī)組穩(wěn)定可靠地工作。 火電廠監(jiān)控系統(tǒng)則主要是用于監(jiān)測各個(gè)工況指標(biāo)的變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象并采取相應(yīng)的措施來保障電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)［1］。 除此之外，還有其他的控制系統(tǒng)如煙氣脫硫裝置、水泵站等，它們也都是火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一部分，如圖1 所示。

圖1 火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成

1.2 火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)主要的特點(diǎn)：①高效率。 通過對鍋爐和汽輪機(jī)的自動(dòng)控制，可以提高能源利用效率，降低燃料消耗量。 ②可靠性。 采用先進(jìn)的技術(shù)手段，如計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、智能傳感器等，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。 ③節(jié)能環(huán)保。 在自動(dòng)化控制下，鍋爐運(yùn)行更加穩(wěn)定，減少了排放廢氣的情況發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的效果。 ④經(jīng)濟(jì)效益。 自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化管理，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造更多的利潤空間。 ⑤安全保障。 自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行處理，避免了人員操作帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

2 火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件組成

在火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，硬件設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。 自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件主要包括：傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。 其中，傳感器采用的是基于微處理器的智能型傳感器，具有高精度、高速度、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。 可以實(shí)現(xiàn)對鍋爐溫度、壓力、流量等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)測和測量，并且能夠快速地將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號輸出［2］。 同時(shí)，該傳感器還具備了抗干擾能力和防雷擊保護(hù)功能，保證了系統(tǒng)的可靠性和安全性。 控制單元采用了基于控制算法（proportion intergration differentiation，PID）實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)控制方式。 這種方法可以通過對傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，從而調(diào)整控制參數(shù)以達(dá)到最佳的效果。 此外，該控制單元還可以實(shí)現(xiàn)對不同工況下的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)更加靈活和高效率。 驅(qū)動(dòng)器則是用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作，其主要作用就是將控制器發(fā)出的指令轉(zhuǎn)化為實(shí)際動(dòng)作。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)則包括各種類型的機(jī)械裝置，如開關(guān)、電機(jī)、電磁閥等。 它們通過與驅(qū)動(dòng)器相連接的方式來完成工作任務(wù)，如圖2 所示。

圖2 火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制硬件系統(tǒng)

2.2 控制系統(tǒng)的硬件選型

在鍋爐監(jiān)控方面利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，以確保準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 同時(shí)，還需要考慮設(shè)備的耐久性、易維護(hù)性和成本等因素［3］。 在實(shí)際應(yīng)用過程中，選擇了一些性能優(yōu)異且價(jià)格合理的硬件產(chǎn)品作為控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 其中，溫度傳感器是最為關(guān)鍵的一個(gè)部分。 因此，采用了高精度、高響應(yīng)速度的熱電耦式溫度傳感器來監(jiān)測鍋爐內(nèi)各個(gè)部位的溫度變化情況。 此外，還選用了壓力傳感器、流量計(jì)、磁力轉(zhuǎn)速計(jì)等多種類型的傳感器來獲取鍋爐的各種參數(shù)數(shù)據(jù)。 這些傳感器通過數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行處理和分析。 除了傳感器外，控制系統(tǒng)的硬件還包括電源供應(yīng)、通信接口、汽輪機(jī)監(jiān)控、機(jī)組監(jiān)控等方面。 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，選用了一臺可靠的不間斷電源（uninterruptible power supply， UPS）供電裝置以及一套穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。 同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的安全性能，還安裝了一些防火警報(bào)、自動(dòng)滅火等安全防護(hù)措施。 通信接口采用RS-485／485 串口通信方式，與外部設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了雙向的數(shù)據(jù)交換［4］。 汽輪機(jī)監(jiān)控方面采用了基于PID 算法的控制策略，結(jié)合了模糊邏輯控制方法。 該方案能夠有效地降低機(jī)組故障率和停運(yùn)時(shí)間，提高了機(jī)組的效率和經(jīng)濟(jì)效益。 機(jī)組監(jiān)控等方面，可以選擇具有高分辨率攝像頭和視頻處理能力的產(chǎn)品，以便更好地觀察到設(shè)備運(yùn)行狀況。

2.3 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的一部分。 為了實(shí)現(xiàn)對各個(gè)設(shè)備和傳感器之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，需要確定整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 一般來說，該系統(tǒng)可以分為主站與分支站兩部分。 其中，主站負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過無線或有線方式與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；而分支站則承擔(dān)著具體的監(jiān)測和控制任務(wù)。 具體來說，可以將整套自動(dòng)化控制系統(tǒng)劃分為多個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)都由一組相關(guān)設(shè)備構(gòu)成，如鍋爐組、變壓器組、水泵組、煙氣排氣裝置、監(jiān)控室等。 這些子網(wǎng)之間采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以確保不同設(shè)備間的通信不受影響。 例如，鍋爐組使用Ethernet 協(xié)議連接到主站上，變壓器組則使用RS-485 協(xié)議，水泵組則使用MODBUS 通信協(xié)議。 煙氣排氣裝置使用PROFIBUS-PA 協(xié)議，監(jiān)控室則使用WiFi 或者藍(lán)牙技術(shù)。 這樣可以避免同一類型的設(shè)備在同一個(gè)子網(wǎng)上產(chǎn)生干擾現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)

3.1 火電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要建立一個(gè)完整的軟件開發(fā)環(huán)境來支持整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行。 因此，采用MicrosoftVisual Studio 2010 作為主要開發(fā)工具，并結(jié)合其他相關(guān)技術(shù)進(jìn)行集成。 選擇VisualBasic aspx 為基礎(chǔ)語言，該語言具有易于學(xué)習(xí)、代碼簡潔明了的特點(diǎn)，并且可以與WindowsForms 相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)界面的設(shè)計(jì)和交互功能。 通過使用SQLServer 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（database management system， DBMS），實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的存儲和處理的功能；同時(shí)，利用ActiveX 控件庫中的ImageControl 控件實(shí)現(xiàn)了圖像顯示和處理功能。 采用了WebServices 技術(shù)將各個(gè)模塊之間的通信進(jìn)行了統(tǒng)一化和規(guī)范化的處理。 在實(shí)際應(yīng)用過程中，還針對一些特殊需求進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)。 例如，對于實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和傳輸問題，使用了Socket 編程接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞；另外，為了提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，采用了加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。

3.2 火電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件模塊主要包括：監(jiān)控與報(bào)警、數(shù)據(jù)采集與處理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和控制、安全保護(hù)等，如圖4 所示。 在實(shí)際應(yīng)用中，這些功能需要相互配合，協(xié)同工作才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 因此，對火電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的模塊劃分是非常重要的。 監(jiān)控與報(bào)警模塊采用了先進(jìn)的PID 算法，收集各種傳感器的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成可視化的圖形界面輸出，以便于操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)措施。 數(shù)據(jù)采集與處理模塊則采用了Modbus 通信協(xié)議，能夠快速地將現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)上傳到主控中心數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行分析和存儲。 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和控制模塊則采用基于Web 技術(shù)的HMI／SCADA 平臺，實(shí)現(xiàn)了對各設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。 同時(shí)，該系統(tǒng)還具備了故障診斷和預(yù)測的功能，可以提前預(yù)警出潛在的問題，提高生產(chǎn)效率和安全性。 安全保護(hù)模塊則采用了多種防護(hù)措施，如防火墻、入侵檢測、病毒查殺等，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［5］。

圖4 火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制軟件系統(tǒng)

4 火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)調(diào)試

4.1 調(diào)試前準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的調(diào)試之前，需要做好充分的前期準(zhǔn)備工作。 因此，要對整個(gè)系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)有一個(gè)全面的了解，包括各個(gè)模塊的功能以及它們之間的交互關(guān)系。 要對系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)，確保其正常運(yùn)行。 同時(shí)，還需要制定詳細(xì)的工作計(jì)劃和測試方案，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 還要準(zhǔn)備好相應(yīng)的工具和技術(shù)支持，以便于及時(shí)解決問題并提高調(diào)試效率。為了更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)作方式和特性，可以采用多種方法來進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。 例如，可以通過仿真軟件模擬系統(tǒng)的運(yùn)行過程，或者通過實(shí)際操作來驗(yàn)證系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。 這些準(zhǔn)備工作的完成將為后續(xù)的調(diào)試工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在進(jìn)行火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)，需要注意系統(tǒng)的安全性問題，防止出現(xiàn)安全事故；注意系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，避免因?yàn)楣收隙鴮?dǎo)致停機(jī)或中斷生產(chǎn)；注意系統(tǒng)的易用性和可維護(hù)性問題，使系統(tǒng)的使用更加方便且能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 調(diào)試過程

在本次調(diào)試過程中，對整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測試。 通過模擬各種工況，如機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、故障處理等情況，驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否能夠滿足實(shí)際需求。 針對各個(gè)模塊的功能進(jìn)行了逐一測試。 例如，對于鍋爐監(jiān)控模塊，對其溫度、壓力等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測和記錄；對于鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊，則對其動(dòng)作響應(yīng)速度、精度等方面進(jìn)行了評估；對各模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和交互進(jìn)行全面測試。 通過以上一系列的調(diào)試工作，最終確認(rèn)了系統(tǒng)的整體性能和可靠性。 同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了一些問題并及時(shí)予以解決，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

4.3 調(diào)試結(jié)果

通過對各部分的功能進(jìn)行逐一驗(yàn)證和調(diào)整，最終取得了良好的調(diào)試效果。 具體來說，對以下幾個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)檢查，對于鍋爐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模塊，進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集與分析，并對其中的異常情況進(jìn)行了處理。 在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了該模塊的工作流程，提高了其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 例如采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，減少了傳感器數(shù)據(jù)傳輸量，從而降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬需求；同時(shí)，也加強(qiáng)了對數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢測和校驗(yàn)，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。 針對煙氣排放監(jiān)控模塊，采用了先進(jìn)的傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。 同時(shí)，還為該模塊增加了一些自適應(yīng)算法，公式為式（1）：

式（1）中，F(xiàn)（t）表示當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的煙氣濃度，a表示初始濃度，e 為自然常數(shù)，b代表衰減系數(shù)，t表示時(shí)間，T表示采樣時(shí)間，c表示閾值。 通過這種方法可以更加精確地預(yù)測煙氣排放的變化趨勢，并且能夠及時(shí)預(yù)警出可能出現(xiàn)的問題。 此外，為了提高自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，還對整個(gè)系統(tǒng)的防火保護(hù)措施進(jìn)行了嚴(yán)格的檢驗(yàn)和評估。在汽輪機(jī)控制模塊中，主要關(guān)注的是機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和高效率工作。 為此，采用了基于模糊邏輯的方法，結(jié)合傳統(tǒng)的PID 控制策略，實(shí)現(xiàn)了對汽輪機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和故障診斷。 在整套自動(dòng)化控制系統(tǒng)中加入了云端遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，以便于管理人員隨時(shí)隨地掌握電站的生產(chǎn)狀況和設(shè)備的狀態(tài)變化。

5 結(jié)語

綜上所述，在火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與處理是至關(guān)重要的一環(huán)。 只有準(zhǔn)確地獲取并處理大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)對整個(gè)電站的全面監(jiān)控和管理。 對于火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)而言，可以使用智能傳感器來監(jiān)測各種參數(shù)的變化情況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并做出相應(yīng)的調(diào)整；為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要采取一系列有效的安全措施來保障系統(tǒng)正常、無故障地運(yùn)行。 因此本文通過對火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行調(diào)試，可以得到一個(gè)穩(wěn)定的、高效的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為電力行業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持。