【正文】 列凈化工藝通過煙囪排出。即通過各種檢測(cè)儀表，調(diào)節(jié)儀表，控制裝置（運(yùn)算器，監(jiān)控器，執(zhí)行器）等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)鍋爐生產(chǎn)過程中的溫度，壓力，流量，液位等熱工變量進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。 鍋爐設(shè)備控制劃分為若干個(gè)控制系統(tǒng)。 1）鍋爐汽包水位的控制 被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量 。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐、氣輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件之一，是鍋爐正常運(yùn)行的指標(biāo)。為達(dá)到上述三個(gè)控制目的，控制手段也有三個(gè)，即燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量 [2]。被控變量一般是過熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水量。對(duì)鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當(dāng)，往往會(huì)引起事故，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則造成爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設(shè)備，后果十分嚴(yán)重。 工業(yè)鍋爐中最常見的事故有：鍋內(nèi)缺水，鍋爐超壓，鍋內(nèi)滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛 爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。 4 圖 31工業(yè)鍋爐汽水結(jié)構(gòu) 1— 給水母管； 2— 調(diào)節(jié)閥； 3— 省煤器； 4— 汽包； 5— 下水管； 6— 上升管； 7— 過熱器； 8— 蒸汽母管 汽包及蒸發(fā)管系中貯藏著蒸汽 和水，貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時(shí)，汽包水位就恒定不變。如果只考慮主要擾動(dòng) 那么，汽包水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可用方程式表示為： 21 2 12 ( ) ( )wdw w w d d dd v d vd k d kT T T T k v T k vd t d t d t d t? ? ? ? ? （公式 1） 式中 1T 、 2T 時(shí)間常數(shù) ， wT 給水流量項(xiàng)時(shí)間 常數(shù) ， dT 蒸汽流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù) ， wK 給水流量項(xiàng)放大系數(shù) ， DK 蒸汽流量項(xiàng)放大系數(shù) 。把汽包和給水看作單容無自衡對(duì)象，水位響應(yīng)曲線應(yīng)為一條直線。 即當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現(xiàn)一段起始慣性段 [3]。把汽包和給水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應(yīng)曲線如圖中 H1 線 。這使得水位下汽包容積有所減少，使水位下降，單考慮這個(gè)因數(shù)，水位的變化如圖中曲線 H2，相當(dāng)于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，實(shí)際上水位 H的響應(yīng)為 H1與 H2的和。最后當(dāng)水位下汽包容積不再變化時(shí)，水位變化就完全反映了由于儲(chǔ)水量的增加而直線上升。即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段?？杀硎緸椋? ()() ( ) 1 (1 )ow HsWs W s s s s s? ?? ???? ? ? ??? 式中 ? :遲延時(shí)間 (s)。 汽包水位在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量）對(duì)水位的影響，即干擾通道的動(dòng)態(tài)特性 在蒸汽流量擾動(dòng)下，水位響應(yīng)曲線如圖 312。 “虛假水位”是由兩個(gè)原因造成的： （ 1） 由于鍋爐蒸汽負(fù)荷增加，使?fàn)t管和汽包中汽水混合物的汽、水比例發(fā)生變化（汽容積增加）而引起汽包水位上升，這是引起汽包“虛假水位”的主要原因。 △ WWo 6 圖 312汽包水位在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線 當(dāng)蒸汽流量 D 突然增加時(shí)，從鍋 爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量 D大于給水量 W，水位應(yīng)下降，如圖中直線 H1所示。汽包內(nèi)的水沸騰突然加劇，水中汽包迅速增加，由于汽包容積增加而使水位變化的曲線如圖 312 中 H2所示。從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時(shí)，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升）這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，水位變化的動(dòng)態(tài)特性可用函數(shù)表示為： 22()() ( ) 1OD kHsWs D s T s s?? ? ?? 式中， 2T :曲線 2 的時(shí)間常數(shù) 2k :曲線 2 的放大系數(shù) ? :曲線 1 的響應(yīng)速度 “虛假水位”變化的幅度 與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象屬于反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發(fā)量的變化的大小有關(guān)，而與給水流量無關(guān) [4]。如果氣輪機(jī)側(cè)的用汽量不加調(diào)節(jié)，則隨著汽包壓力的增高，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時(shí)產(chǎn)生了汽包進(jìn)出口工質(zhì)流量的不平衡。 △ B 圖 313 汽包水位在燃燒率擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線 鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng) 及控制方案選擇 單沖量水位控制系統(tǒng) 單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測(cè)量信號(hào)為唯一的控制信號(hào)，即水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值與給定值的偏差去控制給水 調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。 圖 321單沖量水位控制系統(tǒng) 如圖 321所示是單沖量變量水位控制系統(tǒng)。這種控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽包內(nèi)水的停留時(shí)間較長(zhǎng)，負(fù)荷又比較穩(wěn)定的場(chǎng)合下再 8 配上一些鎖報(bào)警裝置就可以安全操作。這是由于：①負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生的“虛假水位“將使調(diào) 節(jié)器反向錯(cuò)誤動(dòng)作，負(fù)荷增大時(shí)反向關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)厲害，動(dòng)態(tài)品質(zhì)很差。即使”虛假水位“現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個(gè)過程，再有水位變化到閥動(dòng)作已滯后一段時(shí)間。 雙沖量水位控制系統(tǒng) 雙沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量水位控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了以蒸汽流量信號(hào)為前饋信號(hào)的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動(dòng)作。 ∑ 圖 322 雙沖量控制系統(tǒng) 雙沖量控制由于有以上特點(diǎn)，所以能在負(fù)荷頻繁變化的工程下較好的完成水位控制任務(wù)。 雙沖量水位控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時(shí)的反映給 水方面的擾動(dòng)，當(dāng)給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位變化時(shí)才通過調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，滯后時(shí)間長(zhǎng)，水位波動(dòng)較大。 三沖量水位控制系統(tǒng) 三沖量控制系統(tǒng)，以汽包水位為主控制信號(hào)，蒸汽流量為前饋控制信號(hào)，給水流量為反饋控制信號(hào)組成的控制系統(tǒng)。 9 圖 323三沖量控制系統(tǒng) 現(xiàn)代工業(yè)鍋爐都向著大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般 鍋爐容量越大，汽包的容水量就相對(duì)越小，允許波動(dòng)的蓄水量就更少。 三沖量控制系統(tǒng)，采用蒸汽流量信號(hào)對(duì)給水流量進(jìn)行前饋控制，當(dāng)蒸汽負(fù)荷忽然變化時(shí)，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動(dòng)，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了“虛假水位”引起的反向動(dòng)作，因而減小了水位和給水流量的波動(dòng)幅度。如給水流量減少，調(diào)節(jié)器 立即根據(jù)給水流量減小的信號(hào)，開大給水閥門，使給水流量保持不變。但在實(shí)際系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過程是極其復(fù)雜的，無法得到描述這些過程的數(shù)學(xué)模型，盡管通過各種測(cè)試手段及數(shù)據(jù)處理方法獲得數(shù)學(xué)模型，但也很難得到確切描述這些過程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程。 三沖量系統(tǒng)可以克服 “虛假液位”引起的反向動(dòng)作，并且可以克服給水流量信號(hào)變化而引起調(diào)節(jié)器動(dòng)作做不及時(shí)而引起的水位波動(dòng)。這樣想采用三沖量水位控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)鍋爐水位的自動(dòng)控制而又達(dá)到規(guī)定的工藝要求異常困難。因而，汽包水位控制就采用比較復(fù)雜而投資比較大的控制系統(tǒng)。這樣對(duì)于中小型鍋爐就可以考慮用模糊控制系統(tǒng)來取代常規(guī)的三沖量PID 控制系統(tǒng)。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策 略的自然語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對(duì)一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行有效的控制。 汽包水位 控制 系統(tǒng) 方案 的選擇 通過以上方案的比較，常規(guī)的三沖量控制系統(tǒng)中，由于“虛假液位”的原因使得蒸汽負(fù)荷上升和下降時(shí)的動(dòng)態(tài)特性曲線不對(duì)稱，且系統(tǒng)參數(shù)具有時(shí) 變性，不能求出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，也就不能設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的前饋控制器，能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)前饋，但對(duì)動(dòng)態(tài)性能控制不好。 11 4． 鍋爐 汽包水位模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 41 汽包鍋爐水位模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器以實(shí)現(xiàn)語言控制，必須解決以下稱為模糊控制器結(jié)構(gòu)的 3 方面問題： （ 1） 精確量的模糊化，把語言變量的語言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集； （ 2） 模糊控制算 法的設(shè)計(jì)，通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計(jì)算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系； (3)輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。這樣就為該汽包液位控制系統(tǒng)選定了一個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器。 確定各變量的隸屬度函數(shù)和賦值表 工業(yè)鍋爐在正常運(yùn)行時(shí)，偏差變化范圍為 [50cm， +50cm]，所以，設(shè)偏差 e 的基本論域?yàn)?[50cm， +50cm]，選定 E 的離散論域 X 為 {6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， +1，+2， +3， +4， +5， +6}。 12確定偏差 e的基本論域在離散域 X 上的隸屬函數(shù) 181。為語言變量 EC 選取 PB， PM， PS， Z， NS， NM 和 NB 共 7個(gè)語言值。(y) 如下： 圖 413 偏差 ec的隸屬函數(shù) 13建立偏差變化率 ec 的語言變量 EC 的賦值表： 表 413 語言變量 EC 的賦值表 設(shè)控制量變化 181。的量化因子 ku=6/10=。確定出控制量 U的隸屬函數(shù)，再建 立語言變量 U賦值表如下： 圖 414控制量 u的隸屬函數(shù) 表 414 語言變量 U 賦值表 14 模糊控制規(guī)則的確定 對(duì)于雙輸入單輸出模糊控制器，規(guī)則選用“ if e and ec then u”的形式 [8]。而工業(yè)鍋爐在運(yùn)行時(shí)，需要提高安全性，就必須對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有較高的要求。 要算出模糊控制響應(yīng)表，必須選擇一種模糊推理算法。該模糊控制系統(tǒng)采用 Mamdani 模糊推理算法。 當(dāng)輸入偏差 E=6， EC=3 時(shí)，根據(jù)隸屬函數(shù)，查得對(duì)應(yīng)兩條規(guī)則： ① if E=NB and EC=PS then U=PM ② if E=NB and EC=PM then U=Z 應(yīng)用 Mamdani 模糊推理算法如下圖 415： 15 415 Mamdani模糊推理算法 應(yīng)用重心法（加權(quán)平均法）解模糊，得到控制器輸出的精確量。以下不再贅述。原始的 PID 控制系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)前饋，且靜態(tài)前饋控制效果也不盡如人意。所以前饋控制器采用模糊控制器。 （ 2）此控制器仍是離線算出控制表，通過查詢方式找到對(duì)應(yīng)的控制量。 （ 3）規(guī)則選用“ if e then u”的形式。標(biāo)準(zhǔn) PID的控制值與偏差 (實(shí)際值與設(shè)定值之差 )、偏差對(duì)時(shí)間的積分、偏差對(duì)時(shí)間的微分，三者之和成正比。 PID 的參數(shù)設(shè)置 P增益： 設(shè)定范圍： ～ 倍 這是操作量和偏差之間有比例關(guān)系的動(dòng)作。增益取小時(shí)，響應(yīng)遲后。 積分時(shí)間： 設(shè)定范圍： ～ 3600s 操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關(guān)系的動(dòng)作，即輸出按偏差積分的動(dòng)作。積分時(shí)間小時(shí)，響應(yīng)速度快，但過小將產(chǎn)生振蕩 [10]。 5. PLC 選型及資源分配 PLC 電氣圖和 I/O 分配表 圖 51 PLC I/0口分配圖 根據(jù)上述關(guān)于 PLC 控制系統(tǒng)的基本單元輸入和輸出信號(hào)統(tǒng)計(jì)，制定 I/O 分配表，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表 51所示。 表 51 PLC I/O 分配表 輸入信號(hào) 輸入點(diǎn)編號(hào) 輸入點(diǎn)名稱 輸入點(diǎn)編號(hào) 輸入點(diǎn)編號(hào) X0 系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕 X3 最高水位 X1 停止按鈕 X4 最危險(xiǎn)水位 18X2 最低水位 X5 警鈴消聲 輸出信號(hào) 輸出點(diǎn)編號(hào) 輸出點(diǎn)名稱 輸出點(diǎn)編號(hào) 輸出點(diǎn)名稱 Y0 工作指示燈 Y2 警鈴控制器 Y1 水泵接觸器 Y3 報(bào)警燈控制器 表 52 模擬量模塊輸入地址分配表 通道 1 應(yīng)力式渦街流量傳感器 通道 2 應(yīng)力式渦街流量傳感器 通道 3 浮球式液位開關(guān)傳感器 通道 4 關(guān)閉 PLC 選型 根據(jù)系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)，并考慮富裕量及今后系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)和工藝控制等問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三菱公司的 FX2N16MR 型作為主機(jī)， FX2N48MR 型是三菱公司的典型產(chǎn)品，具有功能強(qiáng)大，處理速度快、容量大等優(yōu)點(diǎn)，屬于高性能小型機(jī)，系統(tǒng) I/O 總點(diǎn)數(shù)為 16點(diǎn)，輸入、輸出均為 8點(diǎn)，配置擴(kuò)展單元后可增加 I/O 點(diǎn)數(shù)。 (1) 應(yīng)力式渦街流量傳感器 : 一種既可以測(cè)蒸汽、氣體又可以測(cè)液體的 傳 感器 流速 : 氣（汽）體： 3 m/s ～ 90 m/s 液體： m/s ～ 9 m/s (2)連桿浮球式液位開關(guān) (IL1402):一 種基于自重原理工作的液位開關(guān)。 特殊模塊功能 系統(tǒng)同時(shí)配有 FX2N4AD 特殊功能模塊作為模擬量控制的輸入接口。 計(jì) 19 編程軟件 編 程 軟 件 采 用 三 菱 公 司 為 其 生 產(chǎn) 的 PLC 開 發(fā) 的 編 程 軟 件 SWOPCFXGP/。為鍋爐水位雙位控制。當(dāng)水位到最高位 (X3= 1) , 水泵電動(dòng)機(jī)停止 。當(dāng)雙位式控制失靈 , 鍋爐內(nèi)水位低至過低限后 (X4= 1) , 輔助繼電器 M 1 被激勵(lì) (M 1= 1) 實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警 , 警鈴聲音應(yīng)報(bào)警 (Y2= 1) , 答后 (X5= 1) 消音 。 具體梯形圖如 631。在模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)中，模糊控制量表的查詢是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，圖 632 給出了實(shí)現(xiàn)模糊控制量表查表功能的梯形圖。圖中， D0 和 D1 分別為