1  引言
    鍋爐是發(fā)電廠及其它工業(yè)企業(yè)中最普遍的動力設(shè)備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過燃燒轉(zhuǎn)化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設(shè)備。目前，國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)鍋爐都是人工控制的，或簡單的儀表單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，燃料浪費(fèi)很大。工業(yè)鍋爐作為一個設(shè)備總體，有許多被控制量與控制量，擾動因數(shù)也很多，許多參數(shù)之間明顯地存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系。對于工業(yè)鍋爐這個復(fù)雜的系統(tǒng)，由于其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換機(jī)理過于復(fù)雜，采用常規(guī)的方式進(jìn)行控制，難以達(dá)到理想的控制效果，因此，必須采用智能控制方式控制，才能獲得最佳控制效果。

2  系統(tǒng)的組成
    系統(tǒng)運(yùn)行的示意圖如圖1所示。

圖1     系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

    由圖1可知，燃料和空氣按一定比例進(jìn)入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供給負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪排入大氣。

    鍋爐是個較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，為保證提供合格的蒸汽以適應(yīng)負(fù)荷的需要，生產(chǎn)過程各主要工藝參數(shù)必須加以嚴(yán)格控制。主要調(diào)節(jié)項目有;負(fù)荷、鍋爐給水、燃燒量、減溫水、送風(fēng)等。主要輸出量是:汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過?？諝獾?。這些輸入量與輸出量之間是互相制約的，例如，蒸汽負(fù)荷變化時，必然會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度的變化;燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、空氣量和爐膛負(fù)壓等。對于這樣復(fù)雜的對象，工程處理上作了一些簡化，將鍋爐控制系統(tǒng)劃分為若干個調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)有:
(1) 汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng) 
    被調(diào)量是汽包水位，調(diào)節(jié)量是給水流量，它主要考慮汽包內(nèi)部物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在工藝允許范圍內(nèi)。

(2) 過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 
    維持過熱器出口溫度在允許范圍之內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許工作溫度。

(3) 燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng) 
    使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要;使燃料量與空氣量之間保持一定比例，以保證經(jīng)濟(jì)燃燒;使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定。    
  
    這里將討論鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)、燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)及蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
   
2.1  系統(tǒng)的檢測信號及鍋爐的控制任務(wù)
    鍋爐設(shè)備的檢測信號包括:蒸汽流量、汽包水位、汽包蒸汽壓力、加水量、爐膛負(fù)壓、鼓風(fēng)量、煙氣含氧量、當(dāng)已知檢測信號的情況下，鍋爐的控制任務(wù)是:在用戶蒸汽機(jī)需要的情況下，PLC控制加水閥、輸煤量、鼓風(fēng)量與引風(fēng)量，使保持鍋爐汽包水位穩(wěn)定，蒸汽壓力穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，煙氣穩(wěn)定，使燃料能量最充分地燃燒，以取得最大的熱效率。

2.2鍋爐的主要控制流程
(1) 鍋爐水位控制流程
    水位自動控制的主信號為水位差壓變送器輸出的信號。前饋信號可以取水壓力的變化，以補(bǔ)償給水母管的壓力波動;取蒸汽流量的變化，以補(bǔ)償負(fù)荷的波動。其控制框圖如圖2所示。

圖2     鍋爐水位控制系統(tǒng)

(2) 蒸汽溫度控制系統(tǒng)
    為控制過熱蒸汽的出口溫度，設(shè)有表面式或噴水式減溫器。增加進(jìn)入減溫器的水量即降低主蒸汽溫度。

    該回路的主要信號是主蒸汽溫度。前饋信號可以取減溫器前的蒸汽溫度，還可以取給水流量。對表面式減溫器，主蒸汽溫度的變化和經(jīng)過減溫器的給水量有關(guān)，因而與水位控制有耦合作用，即水位波動而調(diào)節(jié)給水閥時會影響到主蒸汽溫度。因主蒸汽溫度變化而調(diào)節(jié)減壓閥也影響到水位。為此，設(shè)有分配閥。

    由此可知，給水閥、減壓閥的分配控制是耦合的，要采取解耦措施才可以使水位和蒸汽溫度能控制在允許的偏差范圍內(nèi)。

    蒸汽溫度的控制流程圖見圖3所示。

圖3     蒸汽溫度的控制框圖

(3) 鍋爐燃燒過程控制
    對拋煤機(jī)倒轉(zhuǎn)鏈條爐來說，燃燒自動控制包括控制主蒸汽壓力和最佳的燃燒工況。通常根據(jù)主蒸汽壓力的變化控制給煤量并控制爐排轉(zhuǎn)速來控制煤在爐膛中的燃燒時間，當(dāng)給煤量變化時，要相應(yīng)地改變一次風(fēng)和二次風(fēng)，使不完全燃燒損失和排煙損失之和為最小，即鍋爐燃燒效率為最高。氧化鎬可用來測量煙氣中含氧量?？捎珊趿縼砼袛嗳紵r是否處于最佳狀態(tài)。另一種方法為根據(jù)該爐實際燃燒的情況，找出煤量和風(fēng)量在不同負(fù)荷下的關(guān)系曲線，把它存在計算機(jī)中，按這一經(jīng)驗曲線進(jìn)行燃燒自動控制，當(dāng)煤種或運(yùn)行工況有較大變化時，可重新設(shè)置這一曲線。另外可按智能控制和專家控制的方法自動尋找最佳的燃燒工況。

    鍋爐燃燒過程控制的流程圖見圖4。 

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圖4    鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)

    該系統(tǒng)根據(jù)主蒸汽壓力來控制給煤量，并取蒸汽和汽鼓壓力的變化為前饋量。PLC輸出到給煤機(jī)的信號作為爐排轉(zhuǎn)速的控制信號，并作為一次風(fēng)的前饋信號。

一次風(fēng)的控制算法有三種:
?一種是按氧量儀進(jìn)行控制;
?威另一種按風(fēng)煤比的關(guān)系曲線進(jìn)行控制;
?第三種為按智能控制算法進(jìn)行自尋優(yōu)控制。
PLC輸出給一次風(fēng)執(zhí)行器的信號也作為二次是按風(fēng)的控制信號及引風(fēng)控制的前饋信號。引風(fēng)門的控制可使?fàn)t膛負(fù)壓控制在微負(fù)壓狀態(tài)，既不使?fàn)t膛內(nèi)的煙灰噴出爐外，又不使大量冷空氣漏入爐內(nèi)，影響鍋爐效率。

3  PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.1  PLC控制系統(tǒng)的組成
    PLC控制的結(jié)構(gòu)如圖5所示?？刂圃O(shè)備選用德國SI-EMENS公司的PLC系列可編程序控制器。系統(tǒng)配有一臺上位機(jī)和一臺下位機(jī)。通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，彼此相連。下位機(jī)的CPU模板采用PLC SIMATIC S7可編程控制器，上位機(jī)采用臺灣研華公司的工業(yè)控制機(jī)IPC。

圖5     PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

    系統(tǒng)配置的軟件有S7-400編程軟件和SIMATIC WinCC全面開放的新一代人機(jī)界面監(jiān)控軟件。STEP 7-400用于PLC的編程、調(diào)試和生成各種程序文檔，SIMATIC WinCC用于實現(xiàn)人機(jī)接口功能。

    鍋爐控制系統(tǒng)由鍋爐本體，一次儀表、微機(jī)、手/自動切換操作器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥、滑差電機(jī)等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力，流量，氧量，轉(zhuǎn)速等熱工參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電阻值輸入PLC。手/自動切換操作部分:手動時由操作人員手動控制，用操作器控制滑差電機(jī)及閥等，自動時由PLC發(fā)出控制信號經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動操作。PLC對整個鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測、報警、控制，以保證鍋爐正常可靠地運(yùn)行。

    除此以外為保證鍋爐運(yùn)行的安全，在進(jìn)行PLC系統(tǒng)設(shè)計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及常規(guī)報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。

3.2   燃燒過程的模式識別與智能控制
    燃燒過程的模式識別與智能控制結(jié)構(gòu)圖如圖6所示:

圖6    燃燒過程智能控制結(jié)構(gòu)圖

   這里給定量為給煤量、送風(fēng)量、引風(fēng)量等;被控量為蒸汽溫度、蒸汽壓力、煙氣含氧量、爐膛壓力蒸汽流量等。

 本系統(tǒng)設(shè)計了一個專家控制器。
(1) 專家控制器的基礎(chǔ)是知識庫
    專家控制器由經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫和學(xué)習(xí)與適應(yīng)裝置組成。圖6所示的為工業(yè)鍋爐燃燒專家控制器的結(jié)構(gòu)框圖。圖6中知識庫用于存入有關(guān)工業(yè)鍋爐燃燒過程控制的專家知識，包括有經(jīng)驗的鍋爐操作人員和控制工程師手動操作調(diào)整的綜合經(jīng)驗與判斷能力。其中經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫主要存儲經(jīng)驗和事實數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)與適應(yīng)裝置的功能是根據(jù)在線運(yùn)行獲取的信息補(bǔ)充或修改知識庫的內(nèi)容，對鍋爐熱效率進(jìn)行自學(xué)習(xí)尋優(yōu)。鍋爐專家控制器在某一工況下，可以通過改變鼓風(fēng)量，搜索到鍋爐燃燒熱效率的最高點(diǎn)，按此時的最佳風(fēng)煤比設(shè)定鼓風(fēng)量、拋煤機(jī)轉(zhuǎn)速和爐排轉(zhuǎn)速并把這些數(shù)據(jù)補(bǔ)充到知識庫中，從而可以實現(xiàn)鍋爐的節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行并改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

(2) 建立知識庫
    建立知識庫的主要工作是如何表達(dá)已獲取的知識。專家控制器的知識庫用產(chǎn)生式規(guī)則建立，其中每條規(guī)則都可以獨(dú)立地增刪修改，使知識庫的內(nèi)容便于更新。控制規(guī)則集是被控過程的各種控制模式和經(jīng)驗的歸納和總結(jié)，當(dāng)規(guī)則條數(shù)不多，搜索空間很小時，推理機(jī)構(gòu)可以采用向前推理方法，逐次判斷各規(guī)則的條件，滿足則執(zhí)行，否則繼續(xù)搜索。

(3) 特征識別與信息處理
    這部分的作用是實現(xiàn)對信息的提取加工，為控制決策和學(xué)習(xí)適應(yīng)提供依據(jù)。它包括抽取動態(tài)過程的特征信息、識別系統(tǒng)的特征狀態(tài)，并對特征信息作必要的加工。在鍋爐專家控制器中，通過主蒸汽流量和壓力的測量值及計算一段時間內(nèi)的累加值，就可以判斷蒸汽負(fù)荷的增減，通過爐膛溫度的測量值及增量和累加值，就可以判斷鍋爐的燃燒狀況，從而為下一步控制決策提供依據(jù)。   
利用上述方法，在負(fù)荷波動較大時搜索最高爐溫。在負(fù)荷平穩(wěn)時搜索最佳風(fēng)煤比以獲得最高的鍋爐效率。此外還可采用分層遞階智能控制算法。

4  結(jié)束語
    經(jīng)過對武鋼能源總廠工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的反復(fù)調(diào)試與不斷改進(jìn)，生產(chǎn)過程的自動控制得以實現(xiàn)，生產(chǎn)效率明顯提高，節(jié)能效果十分顯著，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，受到了生產(chǎn)廠的一致好評。該系統(tǒng)的設(shè)計思路及設(shè)計技巧對其它相似過程的控制也具有一定的借鑒作用。
實踐證明，鍋爐這種具有大慣性、純滯后、非線性的多變量系統(tǒng)，各變量間相互耦合，干擾因素多，數(shù)學(xué)模型不易建立，某些參數(shù)難以檢測，燃料發(fā)熱值及壓力頻繁波動情況下，用常規(guī)方法不能進(jìn)行有效控制，應(yīng)用智能控制及模式識別技術(shù)，能夠收到滿意的控制效果。