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热电厂水汽采样和化学加药控制系统研究程力

2015-07-31 01:08

【摘要】在热力发电厂中，水汽品质是1项重要指标。好的水汽品质可以提高热力设备的性能，延长设备的使用寿命，节约能源，减少事故发生率。反之水汽品质的失调将会给电厂的热工设备造成不同程度的损伤，给机组的安全和电厂稳经济运行带来隐患。所以水汽采样和化学加药是电厂热工过程的两个重要环节。
本文根据水汽采样和化学加药的工艺特点，从硬件和控制算法两方面着手设计热力发电厂化学加药控制系统，采用上位机和下位机相结合的系统。上位机用工业计算机和组态软件构成友好的人机界面，方便了系统的操作；下位机采用西门子S7 400H PLC进行数据采集和化学加药控制。用工业以太网构成管理层，负责上位机和下位机之间、本系统和电厂其它系统之间的通信。现场总线构成现场设备的控制层，负责现场设备和PLC间的数据传输。
设计上从上位机、下位机、以太网到现场总线均采用了冗余结构，来提高监控系统的可靠性。并把这样的系统作为电厂DCS的子系统。为提高系统的实时性，本文研究了DCS的通信问题，介绍了1些提高通信能力的方法。
随着电厂规模的日益扩大，工艺水平的不断提高，要求采用更新颖的控制技术来满足工艺的需要。由于化学加药控制系统的非线性、大时滞、时变的特点，常规的控制方法难以获得满意的控制效果。为了提高系统控制的鲁棒性和自适应能力，本课题将模糊控制引入到热电厂化学加药控制系统中。在算法方面，经过研究决定采用参数自适应模糊PID自动加药控制代替手动控制或是传统PID控制，并用仿真曲线来分析其动态性能和抗扰动能力。仿真结果表明，该策略的控制效果优于常规的PID控制，它能适应对象参数的变化，具有较强的鲁棒性和自适应能力。

关键词:现场总线；加药；时滞系统；模糊PID控制；原文word稿件点击下载

本文来自中国科教评价网

Abstract
In the thermal power plant, the parameters of water and steam of thermal system is a importance target. The good parameters of water and steam of thermal system can improve the performance of thermal equipment, and prolong the useful life of equipment, the using of devices, and save energy, reduce the ratio of the accidents. Contrarily, it will cause varying degrees of damage inthermal equipment of the Power Plant, and bring hidden troubles in the secure and economic running of the power plant, so, the chemical vapor sampling and Dosing is an important link for thermal power plant.
On the bases of the Technological requirements of the water and steam of thermal system chemical and the dosing control system, the hardware and control algorithm is designed in the paper. In the hardware design, the upper and the hypogynous are combined in the design, the upper of the system is composed of PC and SCADA to be made of the friendly Man and Machine Interface, and it facilitates the operation of the system. The hypogynous of the system adopts Siemens S7 400H PLC to collect data and to control the process of the dosing control system. Industrial Ethernet is used of the management, and sees to communication between the upper and the hypogynous or between the system and other plant systems. FCS is used of the Control layer, it sees to the data transmission between on-site equipments and PLC.
In this paper, to increase the reliability of the Monitoring system, the redundant structure is used from the PC、the upper、the hypogy nous、the Ethernet to FCS. The system is looked on as the subsystem of the DCS. Many communication methods are introduced in this paper, to improve the real-time of the system.
With the growing scale of power plants and with the continuous raising level of technology, it requires to update the control arithmetic. Since the chemical dosing control system of fossil power plant is characterized by nonlinearity, long time lag and variation with time, satisfying control effect can not be achieved with traditional control methods. In order to increase the robustness and self-adaptability of the chemical dosing control system in the system of dosing is designed. In this paper, fuzzy control system of dosing. In the algorithm, Fuzzy self-adaptation PID control is used instead of the traditional manual control or the traditional PID control, The dynamic performance and anti-disturbance is analyzed by simulation, Simulation results show that the control effect by this strategy is superior to that of normal PID cascade control. It is featured by strong robustness and self-adaptability, and can readily accommodate itself to the object's parameter variations.

KEY WORDS: FCS; Dosing; time-delay system; Fuzzy self-adaptation PID Control

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摘要 I
ABSTRACT II
第1章  绪论 1
1.1课题研究的意义 1
1.2国内外研究现状及趋势 1
1.3本文的主要研究内容 2
第2章 电厂水汽监控系统介绍 4
2.1电厂DCS系统介绍 4
2.1.1DCS系统简介 4
2.1.2电厂控制级功能简介： 4
2.1.3西门子DCS系统 —— PCS7 4
2.1.4电厂辅控网组成 6
2.2火电厂水汽系统 7
2.3化学加药系统原理 9
第3章  系统设计原理及功能 11
3.1上位机系统设计 11
3.1.1上位机硬件 11
3.1.2软件设计 11
3.1.3利用InTouch 软件实现冗余功能 14
3.1.4InTouch数据库 16
3.2下位机PLC控制系统设计 17
3.2.1下位机控制系统硬件配置 17
3.2.2硬件系统的冗余设计 18
3.3系统时钟设计 24
3.4电源设计 25
第4章   DCS系统通讯问题研究 26
4.1现场总线应用及其安全可靠性的提高 26
4.1.1现场总线的发展与应用 26
4.1.2Profibus现场总线通信协议。 27
4.1.3系统实时性研究 29
4.2工业以太网实时性问题及解决方案。 33
4.2.1工业以太网通信原理 33
4.2.2工业以太网实时性问题的研究 35
第5章  化学加药控制理论研究 37
5.1加药系统控制对象数学模型的建立 37
5.1.1  控制对象选择 37
5.1.2  控制对象特性分析 37
5.1.3  建立控制模型 38
5.2  控制算法的确定 41
5.3 加药模糊控制器的建立 41
5.4  化学加药参数自调整模糊PID控制器的设计 46
5.5  仿真曲线 48
第6章  电厂化学加药模糊控制系统的设计与实现 51 （转载自科教范文网http://fw.nseac.com）
6.1控制系统的原理与控制指标 51
6.1.1控制系统的原理 51
6.1.2自动加药控制系统主要技术指标 52
6.2硬件系统设计方案 52
6.3软件实现 57
第7章  总结与展望 61
致　谢 62
参考文献 63

 
第1章  绪论

1.1课题研究的意义
近年来，我国经济迅速发展，生产力不断提高，电力作为经济发展的动力得到了迅速的发展。为了节省能源和保护环境，提高火力发电的经济性，大容量超临界机组因其能源利用率高、经济性能好而得到快速发展，已在世界发达国家广泛应用。随着科学技术的发展及计算机更新升级，先进的控制策略、专家系统、现场总线和智能变送器的广泛应用，将有利于节约投资，降低能耗，便于维护和提高火电厂安全、经济运行水平[1]。
热工自动化是火电厂不可缺少的组成部分，而热工自动化的水平又是现代火力发电技术和管理水平的综合体现。这主要有两个因素推动，1个是DCS，另1个是协调控制系统。DCS在电厂的普及应用，为火电厂热工自动化技术的发展奠定了基础。而协调控制系统在单元机组普遍投入，使火电厂热工自动化达到前所未有的新高度。目前广泛采用以微机为核心的DCS，其可靠性很高，可依赖性强，可以充分发挥自动化的功能，并取得了很好的安全和经济效益。在热工自动化系统采用开放的工业计算机系统和远程智能I/O，有利于减少信号电缆，降低造价；应用先进的控制策略、专家系统、可充分发掘DCS的潜力，解决1些老大难问题，进1步提高电厂安全与经济运行。
由于火电机组越来越大，对机组热工自动控制系统控制品质的要求也随之提高。为了保证单元机组的正常运行以及高度的安全性、经济性，对单元机组的自动化水平提出了更高的要求。由于单元机组存在着大迟延、大惯性和严重的非线性及扰动频繁等特点，传统的控制方法已经不能满足电网对机组的要求，用先进的智能化控制策略取代常规控制策略成为火电厂过程控制发展的趋势。目前，由于现有的给水加药控制系统运行不稳定，加药方式多采用手动间歇控制或是采用传统PID算法的自动控制，工作费时费力，控制精度又不高。为提高系统的自动化水平有必要研究新型的控制系统和控制策略，提高加药控制系统的准确性、快速性和鲁棒性。

1.2国内外研究现状及趋势

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近年来，美国等发达国家对火电厂水汽监控方面做了大量研究，提出最佳的化学监控管理方案仍然是核心问题。自动化先进的发达国家拥有先进的设备和控制技术，其电厂监控自动化水平已经很高，但相对于快速发展的电力系统的要求来说，仍还有不足。
在我国大容量机组的发电厂热工系统发展迅速，而电气系统的整体控制水平则进展较慢，造成整个机组监控不协调，且在监控、管理技术上与国外水平有较大的差距。现场总线技术的发展和发电厂设备微机化程度的提高，为以数字通信方式建立电气监控管理系统提供了技术上的保证。发电厂电气监控管理系统是进1步提高电厂自动化水平，特别是电气运行管理水平的必然趋势，采用电气监控管理系统新建或改造发电厂DCS系统将节省可观的投资。而且，目前我国发电厂在控制上往往采用简单的PID控制，这也使控制能力大大降低[2]。
自910年代以来DCS系统在我国开始推广且不断走向成熟，为我国电厂自动化水平的提高做出了很大的贡献，同时也不断暴露出它的许多不足之处。以太网由于其开放性好，应用广泛以及价格低廉等特点，被工业控制系统都是采用以太网来统1管理层通信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接口，因此可以说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。现场总线控制系统(FCS)由于其彻底的开放性、分散性和完全互可操作性等特点，工业控制大量采用它做现场控制。总线技术和以太网通讯技术作为电厂DCS系统的补充，再加上先进的控制技术，将大大提高电厂控制自动化水平。
对照国内外研究的情况，不难看出加药系统未来的发展方向：
(1)进1步加强环境保护意识，真正确立“绿色”无公害的加药系统。
(2)消灭化学原因的炉管漏爆事故，消灭汽轮机低压叶片、叶轮的腐蚀与积盐，取消锅炉化学清洗。
(3)从配药到加药全面实现自动控制，真正实现全自动无人值班。
(4)针对系统时滞的特点运用智能控制理论分析并建立智能控制系统。
(5)充分挖掘加药系统的潜力，使加药系统的功能向灵活化、多元化发展，实现监测与控制的1体化、网络化和智能化[5]。

1.3本文的主要研究内容
通过工作实践和调研，并阅读了大量的资料文献，了解到目前我国热电厂水汽采样和化学加药控制系统存在着诸多问题，针对这些问题本文从硬件控制结构和控制算法两个方面提出了解决方案。
系统分为上、下位机两部分。
上位机部分采用工控机和组态软件进行监控，这部分要对计算机系统进行配置，编辑人机界面。友好的人机界面应能实现以下功能：实时显示现场信息；随时的历史数据库查询；定时打印和报警专家系统。计算机、组态软件和工业以太网作DCS的子站的管理层。
下位机选用西门子S7-400H的热备冗余系统，通过工业以太网与上位机和电厂的DCS通信，用Profibus 总线扩展3个远方从站，控制现场的数据的采集和化学加药。同时还要研究现场信号采集和传输、DCS中现场总线的通信问题和冗余系统的容错问题[8]。
针对化学加药系统的大时滞的特点，本文将模糊自适应PID控制应用于化学加药系统，代替手动加药系统和传统的PID控制，由于目前的各种先进的控制理论在电厂的化学加药系统中应用都处在研究阶段，本文将给出其仿真曲线说明其可行性。
因此，本研究的是1种利用总线系统做现场控制，以以太网系统做监控管理，结合DCS系统再加上先进的模糊控制技术，由现场控制层、监控层和企业管理层组成的先进完整的电厂水质监控管理系统[9]。
第2章 电厂水汽监控系统介绍 （科教论文网 Lw.nsEAc.com编辑整理）
2.1电厂DCS系统介绍
2.1.1DCS系统简介
DCS是分散控制系统(Distributed Control System)的简称，国内1般习惯称为集散控制系统。它是1个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS的构成方式10分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级1般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等 [10]。

2.1.2电厂控制级功能简介：
厂级管理工作站的功能：管理全厂的运行自动化。即全厂经济管理(EDC)；自动发电控制(AGC)；自动电压控制(AVC)；事故分析及事故处理；历史数据保存及检索管理；系统授权管理；运行报表打

[1]