基于DSP 的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)研究

員三妮

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075）

在化工生產運行過程中，其中鍋爐是非常重要的動力設備，主要任務是在生產過程中根據(jù)生產負荷的需要提供一定量規(guī)格的蒸汽，不僅是重要的熱源更是動力源。一般常見的鍋爐水位控制系統(tǒng)，如圖1 所示。在火電廠運行過程中，在確保鍋爐安全生產時首要任務就是控制其水位高度在額定值之間使過熱蒸汽的溫度保持穩(wěn)定，將鍋爐中爐膛負壓值維持恒定值，并保證鍋爐燃燒的經濟性、高效性和有效性等。其水位的高度值與對燃燒的控制、蒸汽溫度的控制以及蒸汽壓力的控制密切相連。如果在運行的過程中汽包水位值降到警告值以下，水的氣化速度將會非?？焖?，氣泡內水量變化會比正常情況變化快，如果水位過高將會導致管壁結垢而遭到破壞，因而鍋爐控制系統(tǒng)中的重中之重就是對汽包水位的控制。

圖1 鍋爐水位系統(tǒng)控制結構圖

1 鍋爐氣泡水位的控制方案

鍋爐的運行過程中根據(jù)其容量、調節(jié)精度及負荷變化速度的相關要求,目前鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)通常有單沖量控制系統(tǒng)、位式控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)、三沖量控制系統(tǒng)等。

1）單沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)具有設計成本低、系統(tǒng)結構簡單、參數(shù)整定便捷等優(yōu)點。但在實際的生產過程中會有“虛假水位”的存在，在生產中如果突然增加用氣量時，實際的水位值是下降的，而這種單沖量控制系統(tǒng)的反饋卻是上升的，當系統(tǒng)接收到這種錯誤信號后會減少水的流入量及減少閥門的開度。等“虛假水位”現(xiàn)象消散之后，會導致其水位發(fā)生驟降而引起安全事故。這種控制系統(tǒng)不適用于蒸汽流量變化較大的大中型鍋爐。

2）雙沖量水位控制系統(tǒng)目前采用的是“前饋-反饋”的復合結構，在長期生產實踐探索中得出：直接利用蒸汽流量的變化作為輸入量，不經過閉環(huán)通道，直接作用于水閥門，從而進行相關補償，這樣就會有效的解決了單沖量汽包水位控制系統(tǒng)中難以解決的問題，高效抑制了“虛假水位”對系統(tǒng)的影響。

3）三沖量水位控制系統(tǒng)是根據(jù)“汽包水位、蒸汽流量、給水流量”的變化控制汽包的水位，并通過給水調節(jié)閥來實現(xiàn)水位變化達到穩(wěn)定的目的。

在鍋爐啟動過程中就對過熱器、汽包、省煤器、水冷壁、再熱器等相關設備進行保護。

對汽包的保護：嚴格控制上水溫度及上水速度；嚴格控制汽包上、下壁溫度差及內、外壁溫差低于規(guī)定值；嚴格控制升溫及升壓速度。

三沖量水位控制系統(tǒng)，如圖2 所示，目前這種控制系統(tǒng)采用的是“串級-前饋”復合結構。在控制系統(tǒng)中將給水流量、汽包水位作為系統(tǒng)的主調節(jié)部分，副調節(jié)相關參數(shù)則在前饋通道中進行補償，在副回路中完成穩(wěn)定調整。這種復合結構有效的滿足了系統(tǒng)對“穩(wěn)準快”的要求，抑制了“虛假水位”。具有系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾性強等特點，普遍適用于大中型鍋爐。

圖2 三沖量控制框圖

2 控制系統(tǒng)硬件

本次設計控制系統(tǒng)硬件部分采用DSP2407A 作為控制核心,在整個系統(tǒng)中需要采集相應的輸入信號：包括汽包水位值、給水流量、飽和蒸汽流量、飽和蒸汽壓力、汽包壓力。將這些信號輸入到控制器采集后進行輸出，電動執(zhí)行器的位置信號作為輸出控制的控制參量。

通過對鍋爐汽包水位控制對象的性能分析后，本文提出了基于DSP 為控制核心的模糊自適應PID控制方案，在硬件系統(tǒng)中包含2407 控制器、SCI 接口、CAN 總線、顯示模塊、D/A 轉換模塊、JTAG 接口模塊、電源模塊、擴展存儲器RAM 模塊等，如圖3所示。

圖3 模糊自適應PID 控制器硬件圖

首先系統(tǒng)采集5 個模擬輸入信號，包括：水位差壓信號、汽包壓力信號、蒸汽壓力信號、蒸汽差壓信號以及給水差壓信號。采集信號之后通過A/D 轉換器轉換成為數(shù)字量，還需要數(shù)字濾波、壓力補償和標度變換等環(huán)節(jié)。再輸入給控制器，執(zhí)行相關的自適應模糊控制算法，DSP 經過運算后將電動執(zhí)行器的位置信號輸出，通過D/A 轉換器稱為模擬信號，傳送給變頻器或著伺服放大器，從而控制水閥門的開度值，保持汽包水位在一定的穩(wěn)定范圍內，使整個系統(tǒng)維持在平衡狀態(tài)。

3 控制策略及系統(tǒng)仿真

在自動控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)的PID 算法作為最經典的控制算法已經有幾十年的歷史了，尤其在工控領域應用最多，控制算法依舊是普及最廣的控制策略，其算法簡單可靠、魯棒性好、易學易懂、適用性強，穩(wěn)態(tài)無靜差。在工控系統(tǒng)控制中我們主要通過改變三個參數(shù)KP、KI、KD 來進行對系統(tǒng)的調整，根據(jù)給定值和實際的輸出值構成控制偏差，將偏差按照比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，從而可使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。

但是對于復雜的系統(tǒng)而言，由于有多個因素的影響，并且輸入量較多，只用PID 進行控制時就無法滿足控制要求。例如鍋爐正常運行時發(fā)現(xiàn)當蒸汽流量和給水流量擾動不存在時，傳統(tǒng)的控制策略將無法滿足控制要求，非常容易存在靜態(tài)誤差，調整參數(shù)時很難達到精度要求。傳統(tǒng)的PID 控制無法滿足這種隨機信號的大噪聲干擾，因為這種控制方法不具備自整定、自適應性等特點。而模糊控制策略則具有相應特性，改善系統(tǒng)性能，因此采用模糊控制PID 控制策略，如圖4 所示。

圖4 模糊自適應控制系統(tǒng)圖

當檢測系統(tǒng)采用模糊控制算法時，在檢測過程中添加3 個測量信號，有給水流量、蒸汽流量和汽包水位值，利用模糊控制算法計算出控制參數(shù)，應用于三沖量系統(tǒng)控制中。在系統(tǒng)中形成兩路閉環(huán)回路，一條是給水流量檢測裝置，在給水流量變送器輸出的信號中加入動態(tài)前饋補償器，比較后輸出給水調節(jié)閥，用來消除給水側端的擾動，穩(wěn)定給水流量在一定的穩(wěn)定范圍。在水位控制中起輔助作用，稱之為水流量回路。另外一條由調節(jié)算法、水位變送器、整個內回路及對象控制通道所構成的回路，稱外回路。消除外部各種干擾歲水位值得影響，維持汽包水位與給定值接近。在圖中可以看到蒸汽流量是前饋信號，在系統(tǒng)中形成開環(huán)，但是不影響兩個閉環(huán)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)中與給水流量信號配合，達到期望的水位值，另一方面改善蒸汽量干擾下對水位的控制品質，克服虛假水位所引起的調節(jié)算法的誤動作輸出。

根據(jù)以上系統(tǒng)動態(tài)特征的分析來設計汽包水位值的自適應調節(jié)，設計是必須考慮給水量和蒸汽量的階躍變化，這兩個因素是引起水位值變化的主要因素，調節(jié)器則根據(jù)水位實際值與設定值的偏差去控制水位調節(jié)閥，將水位值控制在預設的正常范圍內。通過上述分析，在系統(tǒng)中進行仿真實驗，如圖5所示。加入模糊控制后能達到系統(tǒng)的控制要求。

圖5 模糊控制仿真波形

4 結語

本文采用了模糊算法結合PID 控制的方案。主要針對火電廠鍋爐汽包水位對象復雜，干擾因素多難以控制的問題，在分析被控對象的特性后，首先建立了系統(tǒng)模型，并對PID 的控制系數(shù)按照要求進行在線自整定。通過MATLAB 中的simulink 仿真工具箱建立仿真系統(tǒng)模型，對汽包水進行控制，可見模糊PID 控制具有過渡時間更短、超調量更小，能夠快速調整實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。在蒸汽擾動和給水擾動下具有較強的抗干擾能力，由此可得在鍋爐汽包水控制系統(tǒng)中模糊PID 控制系統(tǒng)作用效果最好。