摘要： 针对火电厂锅炉汽包水位控制系统的特点，设计了汽包水位模糊控制系统。同时制定了锅炉DCS控制系统配置方案，设计了锅炉水系统DCS组态图，并对本设计的主要功能做了简要的阐述。
关键词：核心期刊,锅炉汽包水位,模糊控制,DCS
锅炉系统具有多输入、多输出，强耦合，非线性等特点，在控制上有一定的难度，所以人们从未停止对锅炉控制的研究。在火电厂锅炉的蒸汽运行中，通过炉膛内燃料燃烧，将汽包内的水加热至沸腾并产生蒸汽，蒸汽通过过热器形成过热蒸汽，从而推动系统运行。如果控制出现问题，锅炉就会产生危险。所以在火电厂锅炉几个重要控制对象中，汽包水位是一个最为关键的被控变量。汽包水位高过安全允许范围的最大值，会发生过热蒸汽将水带入到过热器中的现象，这样传热效果就达不到预想的效果，甚至低温的水会引发过热器炸裂;汽包水位低于安全允许范围的最小值，会使水冷壁的水循环无法按照工艺要求进行，从而出现锅炉局部温度过高发生炸裂。
本文在研究锅炉控制对象后，在锅炉控制系统中加入了现场总线技术，构建了一个锅炉DCS控制系统，实现火电厂锅炉控制系统的智能控制。该设计减少了工作人员的劳动强度，同时也能实现对燃料的最大利用，解决燃料燃烧造成的大气污染，实现循环经济和可持续发展。
1 火电厂锅炉的模糊PID控制系统
1.1 汽包水位的数学模型
锅炉汽包水位运行系统，如图 1 所示。
1.2 模糊控制器的设计
Fuzzy-PID控制技术是随着计算机技术发展而产生的，人们将操作人员的经验转换为知识库存放在计算机中，这样系统就能根据现场的实际情况来自行调整PID参数以满足现场系统运行的实际要求。这种控制系统结合了古典的 PID 控制与新兴的模糊控制方式，它具有模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调时间小的特点，又具备了PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度高的特点，实现系统的最佳控制。本系统在锅炉汽包水位的 PID 控制系统引入模糊控制器，于是可以得到 Fuzzy-PID 控制系统[2]。
1) 在设计锅炉汽包水位的模糊控制器时，采用了最常使用的二维模糊控制器，设定两个输入变量和一个输出变量，其中一个输入变量是给定水位和实际水位的偏差，另一个输入变量是偏差的变化率，即：[e(k)=y(k)-yb(k)]， [ec(k)=ec(k)-ec(k-1)]。其中[e(k)]表示实际水位和给定水位的偏差，[y(k)]代表锅炉汽包中的实际水位，而[yb(k)] 代表锅炉汽包的设定水位。当汽包中实际水位[y(k)]高于工作人员给定的水位[yb(k)]时，偏差的大小是“正”。在系统中，实际水位比设定水位高得越多，则偏差正得越大。反之，锅炉中实际水位[y(k)]低于系统事先给定水位[yb(k)]时，偏差为“负”。实际水位比设定水位低得越多，则偏差就负得越大。[ec(k)]表示水位偏差的变化的快慢，当[k]时刻的水位偏差高于([k-1])时刻的水位偏差，说明水位偏差变化在加快，水位偏差变化越来越快。相反，当[k]时刻的水位偏差低于([k-1])时刻的水位偏差时，水位偏差变化越来越慢。本设计将阀门开度[u(k)]的变化作为模糊控制器的输出量，它对锅炉汽包实际水位[y(k)]的值影响比较大。输出控制量对应阀门开度变化量，阀门开大的趋势时，[u(k)]的值为“正”，表示供水系统向锅炉汽包中的供水量加大;反之，则阀门开度有减小趋势时，[u(k)]的值为“负”，表示供水系统向锅炉汽包水位中注水量减少。
2) 输入变量及输出变量的模糊化：设计模糊控制系统，要把被控系统的输入变量和输出变量转换为模糊语言变量的模糊子集。本系统设输入偏差和偏差变化率分别使用模糊语言变量的模糊集 E 和EC来表示，并且模糊集E={HB，HM，HS，NO，LS，LM，[HS]LB}。其中，HB，HM，HS，NO，LS，LM，LB分别表示远高于设定水位，一般高于设定水位，微高于设定水位，等于设定水位，微低于设定水位，一般低于设定水位，远低于设定水位。并把输入偏差对应的模糊论域为：E= {-6，-4，-2，0，+2，+4，+6，}。另一个模糊集EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中 NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别表示为负偏差变化过快，负偏差的变化较快，负偏差变化较慢，无偏差变化，正偏差的变化较慢，正偏差变化较快，正偏差变化很快。对应的模糊论域为：EC={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}本设计将模糊控制系统的输出量变化用模糊集U来表示，并设定 U={CF，CM，CS，FR，OS，OM，OF}，模糊集中的CF，CM，CS，FR，OS，OM，OF各自的意义分别为水阀关闭很快，水阀关闭较快，水阀关闭慢，税法保持常开，水阀打开很慢，水阀打开较快，水阀打开很快。对应的模糊论域为：U={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}[3]。
3) 确定语言值的隶属度函数：本系统的输入变量和输出变量的隶属度函数均选择比较常用的三角型函数，并且输入模糊变量与输出模糊变量通过模糊规则建立关系。
4) 本系统设计的模糊控制器的控制规则：根据现场操作人员的操作经验，当 EC 为正时，此时偏差大于上一时间的偏差，若锅炉中汽包水位高于给定值，则汽包水位还有继续上涨的趋势，则应当关闭水阀以减小入水量，使得水位下降;当EC为负时，表示此时偏差小于上一时间段偏差，如果此时锅炉汽包水位高于设定值，则水位有下降趋势，应该使阀门处于半开状态，这样既能降低水位，又能使水位不发生大的跃变。由此，可以得到模糊控制状态表1。表1中横、竖例分别代表E和EC。
2 对锅炉汽包水位DCS控制功能配置
2.1 锅炉水位DCS控制系统基本结构 DCS 具有强大的功能，它在应用中显现出来的优势将逐渐取代常规仪表，DCS系统使机组控制性能得到很大程度提高。锅炉 DCS 系统可以快速的将系统反馈的运行数据送给操作人员，操作人员能通过人机界面来对系统进行非常快速的调整。
如图3所示为本设计方案的 DCS 控制系统配置图。工程师站、若干台操作员站、若干个控制柜、冗余服务器及工业以太网共同构成了DCS 控制系统。工程师站具有最高权限，并向全厂发布锅炉的运行数据。操作员只有部分权限，对各自管理的锅炉运行系统部分进行操作 [4]。
2.2 锅炉DCS水位控制基本功能
本文设计的DCS 系统具有数据采集、模拟量控制、锅炉安全监视报警及保护、日志管理服务及人机界面功能。
根据锅炉系统的工作流程，在DCS系统人机界面上绘制相应的流程图。在工艺流程上对应的数据采集点，显示被测水位，蒸汽温度等信号。在主界面上添加按钮来实现对设备的开启、关闭等开关量的操作。对于变频器、调节阀或伺服控制器这类设别，在人机界面中，增加了软调节功能组件。组件关联上与该设备有关的工艺参数，通过事先设定好的运算法则来完成自动控制。在紧急情况还可以通过手/自动切换来实现手动调整。在本系统中，主要的输出参数为：供水温度控制、炉膛引风控制、炉膛压力控制、燃料供给控制、汽包水位控制等[5]，锅炉循环水系统人机界面如图4所示。
本系统中所有的测量值和操作记录都会记录在系统数据库中，并且专门绘有历史报表，便于工作人员及时了解锅炉系统的工作状态，并且该报表可以手动或者定时打印出来，方便工作人员对数据进行观察分析。为了提高锅炉运行的安全性，锅炉的各个重要参数，控制动作都设置安全范围，如果测量值和控制值超出安全范围，系统将会产生声光报警，提醒工作人员前去排查，并产生报警记录信息。
3 结束语
本文设计的模糊PID控制系统具有较好的稳定性和可靠性。在保证锅炉安全稳定运行的同时，采用 DCS 技术对锅炉各项数据采集和实时处理，可以减轻工作人员负担，保证锅炉燃烧充分，安全有效，减少污染气体排放。
参考文献：
[1] 黄章明，李方园.锅炉汽包水位模糊控制系统的仿真与设计[J].技术纵横，2011(9).
[2] 陈智华.汽化冷却系统汽包水位的模糊控制[J].自动化与仪器仪表，2011(3).
[3] 娄伟，刘向东.模糊控制在锅炉汽包水位控制系统中的应用[J].锅炉技术，2010(1).
