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1、概述
    目前，在我國幾十萬臺(tái)工業(yè)鍋爐中，燃煤鍋爐占相、當(dāng)人的比重，年耗煤量要占全國耗煤量的三份之一以上。長期以來由于缺乏有效的自動(dòng)控制系統(tǒng)，鍋爐的控制基本上采用人工操作，使得鍋爐的安全運(yùn)行得不到有效的保證，且燃燒效率低，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，維修、保養(yǎng)難。隨著科技的進(jìn)步，新一代性能更優(yōu)越，功能更強(qiáng)大的智能儀表和管控一體化計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得燃煤鍋爐實(shí)現(xiàn)安全可靠和自動(dòng)化控制成為可能。
國內(nèi)原有的_丁業(yè)鍋爐，一般采用DDZ-II或III型電動(dòng)單元組合儀表或其他國產(chǎn)儀表組成控制系統(tǒng)。由于工業(yè)鍋爐（特別是燃煤鏈條爐）是一個(gè)多輸入、多輸山、多變量的復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)，且各參數(shù)問密切關(guān)聯(lián)，各調(diào)節(jié)回路純滯后時(shí)間長，因此，用常規(guī)儀表就很難進(jìn)行有效的控制。
我們主要生產(chǎn)和銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
    近幾年來，一些單位開發(fā)研制了鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)+雖然解決了控制技術(shù)和管理上的一些問題，但由于操作接口過于集中和受微機(jī)質(zhì)量、操作、維護(hù)人員水平限制，使系統(tǒng)經(jīng)常造成死機(jī)和故障，加之模擬量輸入、輸出板卡（AD、DA卡）抗干擾能力較弱，鍋爐操作現(xiàn)場環(huán)境差，不僅系統(tǒng)的可靠性難以保證，而且也無法有效長期運(yùn)行。往往幾個(gè)月時(shí)間系統(tǒng)就不能正常工作．即使勉強(qiáng)使用，各檢測參數(shù)也不準(zhǔn)確，更談不上自動(dòng)調(diào)節(jié)和無維護(hù)運(yùn)行。
2、控制方案設(shè)計(jì)
    可編程調(diào)節(jié)器（KMM、YS-80）是20世紀(jì)90年代初國外推出的一種儀表化計(jì)算機(jī)，它既有微機(jī)運(yùn)算、編程方便的優(yōu)點(diǎn)，又使操作員操作編程界面在儀表上實(shí)現(xiàn)，能有效地解決鍋爐復(fù)雜調(diào)節(jié)回路（水位三沖量、燃燒調(diào)節(jié)等）的控制需要。另外，它具有功能強(qiáng)大，精度高，編程、維護(hù)方便，使用靈活，可靠性高及操作簡單方便等特點(diǎn)。
    UDC6300單，雙回路控制器是美國霍尼威爾公司90年代末推出的新一代智能儀表，是KM單回路調(diào)節(jié)器的升級換代產(chǎn)品。它不僅動(dòng)能豐富、外形美觀，而且安全可靠，易于使用，是現(xiàn)有調(diào)節(jié)器中極為優(yōu)秀、性價(jià)比最高的控制器，既可以獨(dú)立地進(jìn)行控制，也能配合Honeywell SCAN3000、GE的Cimplicity或Fix等計(jì)算機(jī)上位監(jiān)控軟件，組成分散控制系統(tǒng)，完成各種復(fù)雜、全面的控制。
    UDC6300具有滿足過程控制復(fù)雜調(diào)節(jié)（特別是工業(yè)鍋爐中水位三沖量和燃燒控制）所需要的所有功能，如多語言功能提示，靈活的數(shù)學(xué)運(yùn)算選擇，控制算法和邏輯功能組態(tài)．ACCUTUNE"自適應(yīng)（參數(shù)自整定），快速安裝和啟動(dòng)，適用于現(xiàn)場環(huán)境的防水密封鍵盤和多信息的顯示接口等。既可采用方便的菜單式組態(tài)，也可從上位PC機(jī)上完成組態(tài)。所有這些使得UDC6300成為極易使用的過程調(diào)節(jié)器。
2.1鍋爐給水自動(dòng)控制
  鍋爐給水自動(dòng)控制任務(wù)是使給水量能適應(yīng)蒸發(fā)量的變化，使給水量與蒸發(fā)量始終保持平衡，從而使汽鼓水位保持在一定范圍內(nèi)。汽鼓水位過高會(huì)影響汽水分離效果和蒸汽質(zhì)量，水位過低不僅會(huì)影響鍋爐內(nèi)的水循環(huán)，更嚴(yán)重的還會(huì)造成燒千爐筒。
    影響鍋爐汽鼓水位變化的因素很多，如用汽設(shè)備的用汽量、燃料量、燃燒量、燃燒成分、給水壓力、電網(wǎng)頻率等。因此用人工調(diào)節(jié)．是十分困難的。
    針對負(fù)荷變化大、鍋爐容量大的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)間采用三沖量串級給水調(diào)節(jié)方案。系統(tǒng)控制原理如圖l所示。
    這是～個(gè)前饋加串級的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)形成兩個(gè)閉環(huán)回路。其一是由流量測量裝置、調(diào)節(jié)算法、給水調(diào)節(jié)閥構(gòu)成的回路，稱給水流量回路．也稱內(nèi)同路，其作用是消除給水側(cè)的擾動(dòng)，穩(wěn)定給水流量，在水位控制中只起輔助作用：其二是由水位變送器、調(diào)節(jié)算法、整個(gè)內(nèi)回路及對象控制通道所構(gòu)成的同路，稱水位回路，也稱外回路，其作用是消除各種擾動(dòng)對水位的影響，維持汽包水位在給定值上下波動(dòng)。
    蒸汽流量信號是前饋信號，在回路中只形成開環(huán)，不影響上下兩個(gè)閉環(huán)的溫度性。它在系統(tǒng)中的作用有兩個(gè)：其一是改變蒸汽干擾下對水位的控制品質(zhì)，克服“虛假水位”所引起的調(diào)節(jié)算法的誤動(dòng)作輸出；其二是與給水流量配合（調(diào)整蒸汽信號的靜態(tài)前饋系統(tǒng)]，達(dá)到希望的水位靜特征(2—3mm內(nèi)波動(dòng))。
2.2鍋爐燃燒控制
    鍋爐燃燒控制的主要任務(wù)主要是當(dāng)用汽負(fù)荷改變時(shí)，能夠根據(jù)用汽設(shè)各的用汽量的需要及時(shí)調(diào)整燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量，以改變鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽量，達(dá)到既能滿足外部用汽的需要，又能維持鍋爐出口蒸壓力穩(wěn)定。
    另外，燃料在爐膛內(nèi)燃燒時(shí)，必須供給適量的空氣，以避免因不完全燃燒而造成的損失，以及因空氣量過大而造成煙塵污染和煙熱損失增大。也就是說，燃燒控制的第二個(gè)目的是保持燃料與送風(fēng)量適當(dāng)匹配，使煙氣中含氧量保持最佳值，保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)型。
    燃燒控制的第三個(gè)任務(wù)是維持爐膛內(nèi)負(fù)壓燃燒，爐膛負(fù)壓量是表征送引風(fēng)是否平衡的一個(gè)物理量。保證爐膛負(fù)壓，也就是保證鍋爐燃燒的安全性。
    燃燒控制的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    (1)煤的發(fā)熱量是由化驗(yàn)員在煤場抽樣分析得來的，由于不同煤礦煤質(zhì)的差異以及不能均勻攪拌，由它作為風(fēng)煤配比的調(diào)節(jié)依據(jù)，精確性較差。
    (2)鏈條爐從煤塊燃燒產(chǎn)生熱量，到熱量傳給鍋筒中的水，使之沸騰變成蒸汽，時(shí)間相當(dāng)長。在鍋爐負(fù)荷變化大時(shí)，要使蒸汽壓力穩(wěn)定，滿足供氣要求，用普通PID算法控制，不可能獲得理想效果。
    (3)煙氣含氧量通常用安裝在煙道口上的氧化鋯探頭檢測。燃燒時(shí)，由于煤塊中粉末比較多或煤的濕度比較大，造成風(fēng)對煤塊的穿透性比較差。另外，爐膛長期處于負(fù)壓燃燒，爐墻透風(fēng)嚴(yán)重，此類情況都會(huì)使煙氣含氧量增加。若以在此類情況下測得的含氧量信號來自動(dòng)校正風(fēng)煤比，將使實(shí)際工況缺氧燃燒，控制將無所適從。
    根據(jù)以上情況，我們經(jīng)過對實(shí)際鍋爐運(yùn)行實(shí)際工況的認(rèn)真摸索，擺脫傳統(tǒng)的過于強(qiáng)調(diào)理論的方法，并考慮到殘氧量的檢測難以準(zhǔn)確，或找不到理想的產(chǎn)品，暫不選用的情況，在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，利用UDC6300可編程調(diào)節(jié)器優(yōu)秀的運(yùn)算功能和手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，操作工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整爐排電機(jī)轉(zhuǎn)速，平衡負(fù)荷變化。另外，可根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的煤質(zhì)和鍋爐燃燒工況（觀察火床長短，火焰的顏色，煤渣的成色等），確定合適的空煤比，再由UDC6300計(jì)算出鼓風(fēng)機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)速，使鼓風(fēng)量自動(dòng)跟蹤給煤量，實(shí)現(xiàn)一定煤質(zhì)條件下固定空煤比的合理可行的燃燒調(diào)節(jié)方案（當(dāng)煤質(zhì)或工況改變的情況下，適當(dāng)調(diào)整空煤比系數(shù)），從而使鍋爐始終處于經(jīng)濟(jì)和最佳的燃燒狀態(tài)。
2.3爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)
爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)也可以作為燃燒調(diào)節(jié)的一部分。由于其動(dòng)態(tài)特性比較快，影響鍋爐的安全運(yùn)行，因此把它作為獨(dú)立的主回路是比較合理的。可單獨(dú)使用一臺(tái)UDC6300．采用前饋+反饋的調(diào)節(jié)方式，用鼓風(fēng)量為前饋量，爐膛負(fù)壓為反饋量，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)跟蹤爐排轉(zhuǎn)速變化時(shí)，根據(jù)鼓風(fēng)量的變化前饋調(diào)整引風(fēng)量，減少爐膛負(fù)壓的波動(dòng)，然后，再根據(jù)爐膛負(fù)壓反饋的情況主調(diào)引風(fēng)量，從而將爐膛壓力穩(wěn)定在給定值。
2.4控制系統(tǒng)軟件編制
    UDC6300可編程調(diào)節(jié)器軟件編制的特點(diǎn)是利用其內(nèi)部所有的軟件模塊進(jìn)行有機(jī)的程序組態(tài)。其內(nèi)部軟件模塊一般包括有PID模塊、四則運(yùn)算模塊、開方、濾波、微分等模塊。通過對這些模塊的應(yīng)用聯(lián)接，可以完成一般常規(guī)儀表無法完成的控制方案。而且一臺(tái)UDC6300就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其運(yùn)行撲常可靠。
    本控制系統(tǒng)的軟件部分是在UDC6300雙回路調(diào)節(jié)器上實(shí)現(xiàn)的。針對燃煤鍋爐控制系統(tǒng)的需要，可分別編制鍋爐水位控制程序，蒸汽量、給水量計(jì)算程序，除氧器水位、溫度、壓力自調(diào)節(jié)，以及燃燒控制程序等。
    燃燒控制中，考慮到燃煤過程的滯后時(shí)間較長，采用了加煤的采樣間歇調(diào)節(jié)方案，也就是說，當(dāng)采樣到加煤量給定值之后，調(diào)節(jié)器作用一段時(shí)間立即保持住輸出，待通過熱量等形式反應(yīng)出來后，再繼續(xù)測量其偏差，進(jìn)行下一周期調(diào)節(jié)，這樣基本上可保證加煤系統(tǒng)超調(diào)較小。
3、20t/h煤鍋爐使用UDC過程監(jiān)控器與上位
  監(jiān)控軟件組成的分散控制系統(tǒng)與PLC或
  DCS系統(tǒng)的比較
    考慮到工業(yè)鍋爐特別是燃煤鍋爐的特點(diǎn)，在自控A案制定上，特別需要滿足以下幾點(diǎn)要求：
    (1)各設(shè)備運(yùn)行的安全性和檢測控制的準(zhǔn)確性、可靠性。
    (2)多變量回路調(diào)節(jié)的復(fù)雜性。
    (3)使用、維護(hù)方便性。
    PLC可編程控制器，主要用于開關(guān)量的控制，即連續(xù)生產(chǎn)線的連鎖保護(hù)和設(shè)備順序起停控制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在PLC可以處理部分模擬量（比率不超過1/3較為合適）。但目前即使是最好的PLC，也只能做到在CPU上內(nèi)置PID。只能處理簡單的PID調(diào)節(jié)回路。如需做復(fù)雜的運(yùn)算和處理復(fù)雜的調(diào)節(jié)回路，只有兩個(gè)辦法來解決。一是工程技術(shù)人員用VB或C語言添加、編制復(fù)雜運(yùn)算和調(diào)節(jié)回路程序，其效果受編程人員水平限制，非專業(yè)軟件工程師無法對其程序代碼進(jìn)行修改、校正和調(diào)試，現(xiàn)在工程項(xiàng)目一般不采用。二是將PLC系統(tǒng)升級到DCS系統(tǒng)，利用上位機(jī)專用系統(tǒng)軟件來解決。這樣雖然解決了運(yùn)算和復(fù)雜回路的調(diào)節(jié)問題，但由于控制器各模塊集中裝于控制箱內(nèi)，危險(xiǎn)過于集中，系統(tǒng)中工控機(jī)、通訊電纜、CPU模塊、電源、輸入、輸出模塊任一環(huán)節(jié)出故障，都可能造成停產(chǎn)和系統(tǒng)癱瘓，所以一般要考慮后備儀表手動(dòng)操作，這樣相當(dāng)于做了兩套操作系統(tǒng)。一套手動(dòng)儀表操作系統(tǒng)，一套DCS自動(dòng)操作系統(tǒng)。考慮到節(jié)約費(fèi)用，后備儀表系統(tǒng)一般采用國產(chǎn)儀表，可靠性、外觀、現(xiàn)場環(huán)境下的使用壽命均不理想。如果DCS的使用、維護(hù)、技術(shù)水平跟不上，系統(tǒng)最終可能回復(fù)到手動(dòng)操作，造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。所以在一些大規(guī)模系統(tǒng)或可靠性要求嚴(yán)格的場合中，一般采用兩套控制器冗余和上位雙機(jī)熱各來組成系統(tǒng)。系統(tǒng)先進(jìn)可靠，但造價(jià)較昂貴，一般在冶金、化工、地鐵行業(yè)應(yīng)用較多。
    采用UDC6300智能雙回路可編程調(diào)節(jié)器，進(jìn)行各復(fù)雜回路的自動(dòng)調(diào)節(jié)，采用進(jìn)口小型數(shù)字表作重要參數(shù)的顯示；采用上位監(jiān)控軟件和工控機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)視、重要參數(shù)記錄、報(bào)表打印、管理和上層網(wǎng)聯(lián)接用，較為合理。由于操作員操作界面是高性能、高可靠性儀表，所以操作、使用、維護(hù)均較為簡單方便（一般高中生即可熟悉掌握）。而各相關(guān)回路調(diào)節(jié)分布由幾臺(tái)UDC來完成，危險(xiǎn)相對分散。即使其中一臺(tái)顯示表或調(diào)節(jié)器出故障，也因其儀表型號、規(guī)格一致、互換性好，各采用一臺(tái)備件，即可由普通電工在幾分鐘之內(nèi)更換完畢。系統(tǒng)維護(hù)量很小，可靠性、安全性和使用壽命大大提高。另外，由于各儀表參數(shù)均可采用當(dāng)今自控行業(yè)最流行的lvfODBUS-RS485RTU通訊協(xié)議，采集進(jìn)計(jì)算機(jī)（進(jìn)口儀表有此功能），系統(tǒng)沒有重復(fù)配置地方，造價(jià)也較為適中，實(shí)現(xiàn)了控制回路各環(huán)節(jié)的相對均衡和操作界面的高可靠性。
4、結(jié)論
    這種分散型控制系統(tǒng)在目前技術(shù)水平下，是20t/h燃煤鍋爐最為合理先進(jìn)和可靠的自控系統(tǒng)方案。該方案充分實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)分散、管理操作集中的現(xiàn)代控制理論，在我國工業(yè)鍋爐控制領(lǐng)域，具有較好的推廣、應(yīng)用價(jià)值。零陵卷煙廠的煤鍋爐采用該白控系統(tǒng)投運(yùn)半年多來，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，極大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。