1、第一章 绪 论1.1 选题背景及意义由于我国总的能源特征是“富煤、少油、有气” ，拥有丰富的煤炭资源，到2000 年已探明的煤炭储量达 1145 亿吨。煤炭因其储量大和价格相对稳定,在本世纪 50 年内，在我国的一次能源构成中仍将占主导地位。由此可见，在未来相当长的一段时期内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品。这与目前国外的情况相差很大。如：日本燃煤工业锅炉仅占总数的 1%，美国和西欧国家约占 l%3%（石油危机后燃煤工业锅炉略有增加） ，俄罗斯燃煤工业锅炉较多，约占 40%。工业锅炉是我国主要的热能动力设备，使用面广，需求量大，在工业生产和军民生活中扮演重要角色。据不完全统计，我国现
2、有中、小锅炉 30 多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的三分之一以上，堪称大耗能动力设备。随着国民经济的不断发展和人民生活的不断改善，锅炉台数还在不断增加。作为能源转换的重要设备，其工作情况的好坏直接关系到能源的利用率高低。目前我国中、小型锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃料主要是煤炭，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态，尤其是燃煤排放的 CO2气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。为了将我国建设成资源节约型、环境友好型社会，工业锅炉的节能降耗、减少污染物生成和排放具有重大意义。近几年随着加入世贸组织以及中
3、国经济的飞速发展，如何提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，改善环境是每个部门乃至每个公民关心的大事。为此对工业锅炉推广应用各种新技术、新工艺、新管理是实现节能降耗、减少污染的重要途径。其中实现锅炉的自动化控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平。具体来讲,实现锅炉自动化控制的意义在于:(1)提高锅炉运行的安全性;(2)提高锅炉运行的经济性;(3)改善劳动条件;(4)减少运行人员,提高劳动生产率“今后，随着工业锅炉市场技术竞争的日趋激烈，锅炉自动控制系统的好坏己成为决定锅炉性能的重要祛码。研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前
4、景与研究价值。1.2 锅炉控制技术的研究现状及发展 1.2.1 国内外研究现状工业锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数，控制参数和扰动参数，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都为锅炉的控制增加了难度。过去，我国工业锅炉(特别是燃煤锅炉)产品设计和制造往往是重锅炉本体而轻燃烧和控制设备，很多锅炉所配置的运行监测仪表不全，尤其缺少显示锅炉经济运行参数的仪表。因此，运行人员在调整锅炉时，往往由于缺少数据，不能对锅炉的运行状况随时做出准确判断并实行相应的运行调整，使锅炉处于最佳工况运行。控制水平很低，很多锅炉仍为
5、位式或开环控制，没有实现连续闭环控制，不能根据外界变化调节锅炉运行状态，无法使锅炉运行较快地适应工况的变动和处于持续稳定状态，锅炉运行效率的保证和提高受到了限制。80 年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制以来，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至 90 年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中,并向新建炉体配套的方向发展,许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用。但由于控制技术单一
6、，或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。因此提高锅炉控制技术水平成为提高锅炉效率的重要手段之一。如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上大都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率较高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。目前，锅炉控制的难点主要集中在汽包水位控制和燃烧过程控制，而锅炉各种控制策略的研究工作也主要围绕这两个方面展开。虽然国内外控制科学与工程领域的学者对工业锅炉的控制策略作出了深入的研究，取得了一些成果，但仍存在
7、一些问题。锅炉系统是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强藕合的控制系统，加上其蒸汽负荷变化的随机性，用传统的控制方法不能达到理想的控制效果。但是一些熟练的操作人员、锅炉领域专家却能得心应手的进行手动控制，这就给基于知识规则的模糊控制的应用提供了广阔的空间，因为模糊控制是一种模拟人的思维的控制方法，它不要求受控对象的数学模型，能解决大量常规控制难以解决的控制难题。因此，将模糊控制应用于锅炉的控制系统，具有较强的理论与实践意义。1.2.2 控制技术的发展趋势现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此，生
8、产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制水平己随着过程计算机系统的发展而发展。从目前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。它是在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机和网络系统将整个单位全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总
9、体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制领域的一个重要研究方向。现在，欧美大中型企业的过程控制领域中，集散控制 DCS（Distribute Control System)系统占有统治地位。DCS 系统被广泛应用于冶金、电力、钢铁、化工等连续过程控制的工业领域，系统从几百个点到上万个点的规模不等。而国内的许多企业也开始纷纷采用 DCS 系统进行控制，摆脱了过去依靠人力在仪表盘前监控、操作的落后手段，应用 DCS 系统对提高国内工业自动化水平有着非常积极的意义。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技
10、术受到了重视，获得了广泛的研究。因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制一体化的趋势发展。1.3 论文研究的内容和意义1.3.1 论文研究的内容纵观目前对工业锅炉控制策略的研究及缺点和现有工业锅炉运行状况，本文的目的在于探讨一种简单实用，易于调整，收效高的锅炉控制方案，主要手段是采用模糊智能控制方法，将人的经验与推理相结合，形成一种新的对锅炉控制实用的算法。首先收集并分析相关技术资料，综合考虑 Profibus、工业以太网技术发展和工业燃煤锅炉控制系统特点的基础上，提出整体性技术解决方案，为系统研发做好必要的准备工作。该系统将 PLC、组态软件与工控机相结合，并应用
11、模糊自适应 PID 和模糊自寻优算法，以实现锅炉汽包水位、燃烧过程自动控制，以达到节能增效，促进企业生产管理的信息化建设，提高企业竞争力的目的。论文的研究内容主要包括：(l)本课题的研究背景、意义和工业燃煤锅炉控制系统发展现状。(2)对锅炉产生扰动的主要因素及调节原理进行分析，依据控制对象特性是比较复杂的、不确定性的非线性系统并且具有时滞性，将模糊自适应 PID 控制算法应用于汽包水位控制中，以达到良好的控制效果；根据锅炉燃烧的动态特性，从提高热效率入手，探索风煤比自寻优方法，提出锅炉燃烧过程的控制算法。(3)控制系统整体构成是以 DCS 集散控制系统形式为基础的网络结构，从生产过程管理和控制
12、两个方面综合考虑实现总体目标最优化出发，系统采用Profibus 一 Dp 现场总线和工业以太网(Industrial Ethernet)分散式集中控制系统(DCS)进行热工监视与控制，并配以少量二次显示与操作仪表,使系统构成更完善、更合理。(4)运用 WinCC 组态监控功能，实现生产现场的动态监控，使其具有良好的人机界面、清晰直观的组态图形，使得操作人员通过计算机屏幕对现场情况变化一目了然。(5)在工业控制系统的设计中，如何有效的实现智能控制算法，一直是工业自动化控制领域普遍关心的问题。本文将从 PLC 编程、组态软件和 OPC 技术作为研究切入点，对提出的智能控制算法在锅炉控制系统中的实
13、现方法进行探索。1.3.2 论文研究的意义锅炉 DCS 自动控制,是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、通讯网络和锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。工业锅炉提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用智能控制算法和 DCS 进行控制是一件具有深远意义的工作。工业锅炉采用智能控制算法和 DCS 控制跟常规的仪表控制方式相比具有以下明显优势：(l)锅炉是一个多输入多输出、非线性动态对象，诸多调节量和被调量间存在祸合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。故而理想控制应该采用模糊自适应 PID 和模糊自寻优控制方案。而其算法通过计算机及PLC 实现比较方便。(2)直
14、观而集中的显示锅炉各运行参数。DCS 自动控制系统能快速计算出锅炉系统在正常运行和启停过程中的有用数据，能在上位机界面中同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误。(3)可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象。(4)在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数。(5)减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，(例如加法器、微分器、滤波器、限幅报
15、警器等)，从而减少了投资也减少了故障率。(6)提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用智能控制算法和 DCS控制后热效率可比以前提高 510%，据用户统计，一台 20T 的锅炉，全年平均负荷 70%，以平均热效率提高 5%，全年节煤 800 吨，按每吨煤 380 元计算每年节约 304000 元。(7)锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机和水泵进行变频控制可以平均节电达到 30%一 40%。(8)锅炉 DCS 自动控制系统经扩展后可构成分级控制系统，
16、可与工厂内其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的。(9)作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用 DCS 集散控制的锅炉自控系统中，可以设置多点声光报警和自动连锁停炉，杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。综合以上所述种种优点可以预见对锅炉采用智能算法和 DCS 控制系统是锅炉行业的大势所趋。第 2 章 锅炉系统的控制任务及要求2.1 锅炉系统的工艺流程简介锅炉是用热能来加热工质(一般为水)产生蒸汽的设备，最基本的构成是汽锅和炉膛两大部分。常见的工业锅炉系统如图 2.1 所示。锅炉设备的工作过程概括起来包括三个同时进行着的过程：燃料的
17、燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化过程。现简要叙述锅炉的三个过程。(l)燃煤锅炉的燃烧过程燃料煤加到煤斗中并落在炉排上，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后，向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例(风煤比)，以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣，在炉排末端通过除渣板后排入灰斗。这一整个过程称为燃烧过程。(2)烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。在炉膛四周墙面上都布置着一排水管，称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水。继而烟
18、气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气经出烟窗(炉膛出口)并通过防渣管后就冲刷蒸汽过热器(蒸汽过热器是一组垂直放置的蛇形管受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热)。烟气流经过热器后又经过接在上、下炉筒间的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方式将热量传递给管束内的水。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的水进行热交换后，较低温度的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。省煤器实际上就是给水预热器，它和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部烟道中，以降低排烟温度，提高锅炉效率，从而节省燃料。(3)水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要
19、包括水循环和汽水分离过程。经过除氧等处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。位于烟温较低区段的对流管束，因受热较弱，汽水的容重较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束，因受热强烈，相应水的容重较小，因而容重大的往下流入下锅筒，而容重小的则向上流入上锅筒，形成了水的自然循环。蒸汽产生的过程是借助上炉筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得到分离“蒸汽在上锅筒顶部引出后进入蒸汽过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部分的水中。图 2.1 工业锅炉工艺系统组成图2.2 锅炉自动控制系统的任务锅
20、炉是一个复杂的调节对象，有许多个调节参数和被调节参数，还存在着错综复杂的扰动参数。这些参数的相互作用如图 2.2 所示。图 2.2 锅炉输入输出之间的相互关系示意图由图中可以看出，锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的对象，调节参数与被调节参数之间存在着许多交叉的影响，如当锅炉负荷变化时,所有的被调量都会发生变化。而且改变任一个调节量时，也会影响到其他几个被调量。因此，理想的锅炉自动调节系统应该是多回路的调节系统。但这种调节系统十分复杂，其数学模型仍是半经验性的，是经过许多假定与简化推导得出的，无法应用到实际的控制系统中。目前实际解决锅炉自动调节任务的方法是将锅炉简化成几个相对独
21、立的调节对象，相应地设置几个相对独立的调节系统，即锅炉给水自动控制系统、蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统、锅炉最优风煤比自动控制系统等。工业锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定压力和温度的蒸汽和热水。为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性,工业锅炉主要有下列自动调节任务：(l)保持汽包水位在规定范围工业蒸汽锅炉汽包水位是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。水位过高，会影响汽水分离装置的正常工作，易使蒸汽带水并有溢出危险；水位过低，则会破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面，易烧干锅而发生严重事故。因此，维持锅炉汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件，也是锅
22、炉正常运行的主要指标之一。(2)维持蒸汽压力在预定值蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数“蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。(3)维持锅炉燃烧的经济性锅炉的热效率主要取决于空燃比。如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。因此，必须使空气和燃料维持适当的
23、比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，保持炉膛烟气出口处的过剩空气系数为最佳值，使锅炉热效率最高，避免环境污染，达到节能降耗的目的。(4)维持炉膛负压在一定范围内炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在-20-1OPa 的范围内，这时燃烧工况，锅炉房工作条件，炉子的维护及安全运行都最有利。如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。负压太大，炉膛吸入冷风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。因此，需要维持炉膛压力在一定的范围之内。通过对工业锅炉自动调节任务的分析，我们知道，工业锅炉的汽包水位是正常运行的主要指标之一，
24、同时它又是一个十分重要的被调参数。因此要设计汽包水位为被控量的给水控制系统；同时要在燃烧过程维持蒸汽压力、炉膛负压和维持经济燃烧的风煤比，需设计燃烧过程自动调节系统来实现这三项任务。2.3 锅炉自动控制系统要求根据工业锅炉工艺流程和控制任务提出以下控制要求：(l)自动检测通过检测元件和仪表，将锅炉炉膛温度、炉膛负压、汽包压力、汽包水位、蒸汽流量、给水压力、给水流量、软水箱水位、除氧器压力、水位等数据送入系统，进行实时连续测量和显示，并为自动调节和安全保护提供检测信号。其中蒸汽压力、炉膛温度、炉膛负压、蒸汽流量四个监测信号要单独有二次仪表进行显示，以备在 PLC 出问题时，能为人工手动操作提供必
25、要参数。(2)程序控制锅炉的启动、停止及正常运行等一系列操作实现自动化，程序是根据操作顺序和条件编制的。如燃煤锅炉是按照先启动引风机，再启动鼓风机、炉排的顺序进行的。在一定权限下，这种程序控制功能要能被取消，因为在锅炉试运行或做实验时，这些功能是不必要的。(3)保护及连锁当锅炉运行参数超过规定值时，发出声光报警信号，提醒值班人员注意并及时采取有效措施，以保证锅炉正常运行，如水位过高、过低，蒸汽压力超压采用声光报警及超压停炉和水位危低停炉连锁保护等功能。(4)自动调节对锅炉的汽包水位、炉膛负压、炉膛温度和蒸汽压力等对运行参数进行自动调节，以适应外界负荷和工况参数的要求，并使锅炉保持在较经济的工况
26、下运行。(5)后备手动操作对锅炉给水变频器、炉排电机变频器、鼓风机变频器、引风机变频器、软水箱进水电磁阀、除氧器软水泵变频器，必须提供一套手动操作系统，在 PLC 出问题时，能进行全手动操作。第 3 章 汽包水位模糊自适应 PID 控制算法及仿真研究3.1 锅炉汽包水位对象的动态特性分析锅炉是一个动态特性复杂且控制要求较高的过程控制对象，因此在设计其控制系统时，既要充分利用计算机的先进技术，又要了解生产的实际要求，更要了解被控对象的动态特性，只有掌握了它们各部分的动态特性，并把它们合理地构成控制系统，才能达到预期的控制目的。引起水位变化的只要扰动时时蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑只
27、要扰动，那么根据汽包物质平衡，则汽包水位的动态特性可表示为如下平衡方程式：F(t)=Qw(t)-QD(t) （3.1）其中，Q w(t)、Q D(t)分别是给水流量与进出汽包的蒸汽，F（t)为汽包水位的变化量。通过检测仪器（蒸汽流量变送器、水流量变送器、水位变送器）可得到Qw(t)、Q D(t)、F（t)的信号，则从(3.1)式可得到：（3.2) DwpdtHc)(其中，c 为锅炉截面积， 为锅炉水重度，H(t)为水位， 为水量流量系数，p w为流经水流量的节流装置的差压， 为蒸汽流量系数， 为流经蒸Dp汽流量的节流装置的差压。对式(3.2)取泰勒级数经化简可近似得到如下方程 ： DDwwukdtTukdtTthdtT121（3.3）其中，h 为汽包水位的高度， 为给水流量项的时间常数， 为蒸汽流量WD项的时间常数， 为给水流量项 的 放大倍数， 为蒸汽流量项的 放大 倍数，WKDK、 为时间常数。同时的 、 式子如下：1T2 Du
