中蓝裕兴化工锅炉自控(一)基于和利时MACSV系统组态解剖

燃烧系统控制
《一》风煤系统图形化组态及原理说明
部分功能块说明
PIC337MMAN.AM=0 3#炉母管压力调节，AM=0为自动模式
FT_306_B 二次风补偿后总风量
FT_306SEL 总风量三取中
HSMEDSEL DCS三取中模块，MD=6选变送器3
RR3 风煤比
FIC0301 3#炉一次风门调节
HZ_302MAN 3#炉一次风门手操器（执行器）
WI0301 实际给煤量（反馈数据）
WI0301SP 给煤机手操器赋值（手动设定值）
PIC337S 3#炉模式开关
WDXE3 3#炉温度选择，为“非”逻辑，图片太小可能看不到。

【注】部分模块标注不是很详细，需前后参考，部分命名欠妥，见谅。

【注】初次阅读可先看看《一》-（10）部分的方案原理说明。

（1）主参数计算
【说明】
主参数包括：产汽率计算值、总风量计算值、总煤量计算值。

三数值都为运算底数，补偿值在其基础上加减得到合理的输出值。

(产汽率)*（送风率）=（风煤比）
图1-1产汽率算法
图1-2给煤量底数算法
图1-3送风率算法
*B3_P主要受燃煤煤质影响。

（2）产汽率无扰切换
图1-4产汽率无扰切换
（3）床温风煤补偿逻辑
图1-5床温风煤补偿逻辑
（4）3#炉总风自控（三取中计算合理风量）
【说明】
X1：母管压力调节总风量，传统的风煤交叉控制策略，采用PID算法实现，技术成熟，适合连续用汽的企业，且负荷波动不能高于10%/分钟（理论值），与本公司非连续用汽工艺不符，也是造成风煤交叉控制一直不能投用的主要原因。

X2：风煤比控制的总风量算法，由投煤量直接计算出与之匹配的总风量，是一种比例控制。

RR3可采用手动负值或折线函数（由运行历史记录生成的合理函数，最高为7阶X项）控制，
X3：二次补偿后总风量，依据锅炉床温、流量、压力等参数折算出的合理风量，也是本优化方案的主要控制策略，具体算法详见（10）燃烧系统自控说明。

LIMIT：限幅控制，(总风量)-(二次风量)=（一次风量），32000M3/H<一次风量<65000 M3/H.该数值可保证锅炉流化与负压正常。

图1-6风量三选一算法
（5）3#炉给煤量自控（三取中计算合理煤量）
【说明】
I1: 给煤机手操器直接赋值，手动设定，是目前锅炉投煤的方式。

I2：给煤量三取中后得到的合理煤量
X1：母管压力调节煤量，风煤交叉控制算法。

X2：风煤比算法。

X3：二次补偿后给煤量，依据锅炉床温、流量、压力等参数折算的合理煤量，具体算法详见“燃烧系统自控说明”。

K3x：给煤机分配比例，K31+K32+K33=1。

*此处WDXE3(温度选择3)后面有个逻辑“非”符号。

图1-7给煤量三选一与无扰切换
（6）断煤自动分配
【说明】
DM_G/H/I：1、2、3号给煤机断煤标志信号。

逻辑如图1-8所示.
BOOL_TO_INT：布尔型信号变为整数型号（因为布尔信号无法进行四则运算）。

WI0301_A: 计算煤量，（蒸汽流量）/（产汽率）=（计算煤量）。

FC0101G_DM1：3#炉1#给煤机断煤信号，是给煤机断煤传感器的信号。

SI_FC0101G: 3#炉1#给煤机频率
WI_FC0101G: 3#炉1#给煤机煤量反馈值。

断煤后，自动分配采用同时修改K3x值与WI0301实现。

图1-8 G给煤机断煤判断逻辑
*同时满足给煤机传感器断煤报警、频率小于1、煤量小于0.4吨，则认为G给煤机断煤。

此处AND“与”逻辑可能为OR“或”逻辑，笔者也困惑。

*给煤机在设定参数时，需要考虑到给煤机称重的频率补偿算法，偏差不能设置的过大，否则断煤后，频率很高，仅皮带转速的补偿值就会高于0.4T，造成断煤信号判断错误。

*此处仅以3#炉1#给煤机为例，其他给煤机断煤逻辑类似图1-8，不再详述了。

【图1-9注解】
*煤量计算值为底数
*床温高、低动作为固定补偿算法，高温减煤0.5T，低温加煤0.5T。

高低温逻辑见上面（3）处
*低压补偿：根据减温减压低压压力值进行补偿，其煤量、风量补偿算法均为直线函数Y=kX+b，具体说明见（8）。

*母管补偿：主蒸汽母管压力补偿，其煤量、风量补偿算法均为曲线函数Y=CkX^3+b，具体说明见（8）
*断煤补偿：当发生断煤时，不同的给煤机依据K值进行不同的补偿，保证给煤总量正确（现使用的断煤补偿程序有错,造成了断煤后自动给煤系统切换为手动，不利于设备运行与车间用汽）
*笔者使用C语言IF指令编写了个断煤补偿程序，结合图1-9，应该能够让系统在断煤时不进行手/自动切换，并输出正确的给煤量。

【3#炉给煤机IF指令】
PROGRAM DMFP
VAR
END-VAR
IF (PIC337MMAN.AM=0 OR WI0301SEL.MD=6) AND (DM_G=0 AND FC0101GMAN.RM=1) AND (DM-H=0 AND FC0101HMAN.RM=1) AND (DM-I=0 AND FC0101I.RM=1) THEN
K31=0.3;
K32=0.4;
K33=0.3;
ELSE (PIC337MMAN.AM=0 OR WI0301SEL.MD=6) AND (DM_G=1 OR FC0101GMAN.RM=3) AND (DM-H=0 AND FC0101HMAN.RM=1) AND (DM-I=0 AND FC0101I.RM=1) THEN
K31=0.3;
K32=0.45;
K33=0.33;
FC0101GMAN.RM=0;
ELSE (PIC337MMAN.AM=0 OR WI0301SEL.MD=6) AND (DM_G=0 AND FC0101GMAN.RM=1) AND (DM-H=1 OR FC0101HMAN.RM=3) AND (DM-I=0 AND FC0101I.RM=1) THEN
K31=0.35;
K32=0.45;
K33=0.35;
FC0101HMAN.RM=0;
ELSE (PIC337MMAN.AM=0 OR WI0301SEL.MD=6) AND (DM_G=1 AND FC0101GMAN.RM=3) AND (DM-H=0 AND FC0101HMAN.RM=1) AND (DM-I=1 OR FC0101I.RM=3) THEN
K31=0.33;
K32=0.45;
K33=0.3;
FC0101IMAN.RM=0;
ELSE
FC0101GMAN.RM=0;
FC0101HMAN.RM=0;
FC0101IMAN.RM=0;
END=IF
IF PIC337.RM=1 OR WI0301SEL.MD=6
PIC337S=1
ESLE
PIC337S=0
END-IF
图1-9给煤量修正算法（补偿）
（7）给煤机手自/动切换报警
此处仅以G给煤机为例说明，其余类似
图1-10 G给煤机手自动切换报警
RM=0为手动，所以当RM<1时就说明自动切换手动了，延时5秒后系统发出声光报警。

（8）风煤补偿算法
1.断煤补偿：补偿煤量，参考（6）处，而风量不补偿。

2.床温补偿：固定补偿，床温高于925度或低于875度，煤量补偿±0.5吨，风量补偿±5%总风量。

3.减温减压低压压力补偿：Y=kX+b
Y1煤量：低压压力每变化1MPa，煤量补偿10T，即k1=10
B1值由IF语法赋值.
当低压压力大于0.7MPa时，b1=-0.5;
当低压压力小于0.7MPa时，b1=0.5;
Y2风量：低压压力每变化1MPa，总风量补偿50%，即k2=0.5
B2值由IF语法赋值。

当低压压力大于0.7MPa时，b2=-0.05;
当低压压力小于0.7MPa时，b2=0.05;
4.母管压力补偿：Y=CkX+b
因为锅炉蒸汽母管压力为燃烧系统的主控参数，故采用基于偏差的补偿控制。

对其控制要求具有变化速度快，且取值时不能影响偏差正负号的特点，故选X^3（保号性与数值放大功能），为防止系统超调，在进行乘C系数的处理，且0<C<1。

B值可让偏差较小时也有足够的调节量。

偏差X为蒸汽母管压力减去3.0MPa后的数值再乘以10。

X^3良好的保证了偏差小于1时微调，偏差大于1时超调的效果，能有效的适应负荷频繁变化，有助于稳定母管蒸汽压力，结合床温补偿控制，可在超调量过大后，抑制风、煤量，保证锅炉安全运行。

Y3煤量：母管压力每变化1MPa，煤量补偿6T，即k3=6
B3值由IF语法赋值.
当母管压力大于3.0MPa时，b3=-0.5;
当母管压力小于3.0MPa时，b3=0.5;
Y4风量：低压压力每变化1MPa，总风量补偿50%，即k2=0.5
B2值由IF语法赋值。

当母管压力大于3.0MPa时，b4=-0.05;
当母管压力小于3.0MPa时，b4=0.05;
以上各函数的C、K、B数值需要在试车时再调试修正，并“煤不足，风过量”为基本调试方向。

【1】低压压力煤量/风量补偿算法
低压函数IF语法赋值：
PROGRAM DYFP (低压函数声明)
VAR
END_VAR
IF PT_405SEL.AV>0.7 THEN.
B1=-0.5 , b2=-0.05;
ELSE
B1=0.5 , b2=0.05.
END_IF
图1-11 低压压力煤量补偿
图1-12 低压压力风量补偿
【2】母管压力煤量/风量补偿算法
母管压力函数IF语法赋值：
PROGRAM MGFP (母管压力函数声明)
VAR
END_VAR
IF PT_337SEL.AV>3.0 THEN.
B3=-0.5 , b4=-0.05;
ELSE
B3=0.5 , b4=0.05.
END_IF
图1-13 母管压力煤量补偿
图1-14 母管压力风量补偿
（9）总风量算法
计算公式：（1 N*5%）*（FT_306_A）=(FT_306_B)
图1-15总风量算法
（10）燃烧系统说明
此处笔者也不知道如何正确的表述这一控制思路，那就简单说几句吧。

锅炉双交叉燃烧控制系统是燃煤锅炉自动化控制中最复杂的系统，因其影响燃烧的扰动因素（如汽温、汽压、负荷、风煤比等）众多，因素之间耦合性、时变性强，一直以来都是锅炉自控系统中最难实现的。

传统的双交叉燃烧控制系统是依据主蒸汽压力，通过对燃料和风量的调节，已达到稳定蒸汽母管压力的目的。

采用一主调两副调的结构，结合高低选的方法，经过氧量的修正和蒸汽流量的补偿后，能够快速、准确的计算出合适的调节量，并通过PID调节器与智能手操器的方式实现。

该方法调节通道短，传递函数简单易行，充分考虑到各个运行参数之间的耦合交互关系。

尤其在我厂主装置生产用汽处于非连续状态的情况下，用汽负荷波动较大，燃烧调节频繁，单纯依靠司炉工的操作与经验很难达到良好地调节效果，并带来一些蒸汽品质的波动与节能减排效益的降低，所以燃烧系统的自控实现非常重要。

可我厂主装置的用汽波动实在是过大过于频繁了，传统的控制工艺已达不到控制要求了。

下面是2013年5月份某日的蒸汽流量图。

从图上我们可以看到，生产车间某工段关闭蒸汽阀门后，在极短时间内锅炉流量急速下降，大约瞬间丢失18T/h 流量，相当于25%的总负荷，这么短的时间损失如此大的负荷在热电企业都可以达到事故级别的负荷扰动了。

而且该工段并没通知锅炉房关阀门，让司炉工们好一阵忙活……这样的负荷波动在我们单位不是什么稀罕事，每天每个锅炉运行班都会遇到一两次的。

传统的控制策略是完全控制不
了这样的负荷扰动的。

解决方法可以归为两点：
一，设计DCS 蒸汽用量预测与协调控制系统。

笔者也构思了一个方案，其方案思路类似热电厂使用的CCS 机炉协调系统，但尚有部分细节不知如何处理，待方案成熟后再向单位相关部门领导提交方案。

二，优化改进燃烧系统风煤交叉控制系统。

笔者于是有了这个基于蒸汽流量信号为参数，将风、煤调节独立起来，交叉部分由床温、母管蒸汽压力、低压压力进行定值偏差计算后，折算为合适的数值分别补偿到风、煤控制器上。

这实际是一种基于比例运算的软交叉控制方案。

之前笔者写的控制方案就是这个思路。

但这里还有两个细节需要处理： 一、蒸汽流量信号需要进行压力信号的二次修正。

DCS 系统本身有个蒸汽流量的压力补偿算法，这里要进行二次修正，原理如下图（错误更正：SUB 应为DIV 除法）
PI337.AV
(3#炉蒸汽压力惯性）
SUB
3
FC303BC
(3#炉蒸汽流量）
MUL
FC303BC_XZ
(3#炉蒸汽流量修正）
二、燃烧系统除了风煤控制外，其实还有两个系统——负压系统和料层差压系统。

我厂锅炉的负压系统比较好用，暂不需要优化。

下面笔者就介绍下料层差压系统的自控方案。

《二》料层差压调节控制系统图形化组态及原理说明
之所以将料层差压单独作为一章来说明，原因有二：一是，与上面的优化方案不同，风煤控制方案只需要进行程序上的修改，可以说是零投入，而料层差压控制需要一定的资金投入，大约需要二百米的数据传输线和维修下相应的电动执行器，总的来说投资也不大。

二是，该控制方案涉及SCS顺控设备组态，逻辑也略微复杂，篇幅不少，故单列一章。

以下以3#炉1#（A）冷渣机为例说明。

（1）料层差压惯性滤波
图2-1料层差压惯性滤波
（2）冷渣机手操器
图2-2冷渣机手操器
（3）冷渣机PV幅值偏差
图2-3冷渣机PV幅值偏差
（4）冷渣机手自动切换报警
图2-4冷渣机手自动切换报警
（5）床温惯性滤波
图2-5床温惯性滤波
（6）3#炉1#冷渣机闸板关动作逻辑
断水报警为冷渣机自带断水传感器信号
图2-6冷渣机闸板关动作逻辑（7）延时关逻辑
图2-7 延时关逻辑
（8）3#炉1#冷渣机闸板开动作逻辑
图2-8冷渣机闸板开动作逻辑
虽然逻辑图比之前的略显复杂，但其实很容易看明白，就是“与或非”逻辑。

2#冷渣机逻辑与上图一样，不再详述了。

（9）延时开逻辑
图2-9延时开逻辑
【注】
实际生产中，冷渣机与闸板同时开关（或启停）容易造成蹲住冷渣机的情况出现，严重时会导致冷渣机电机烧坏。

，所以要错开时间，延时开关。

逻辑可简述为：
冷渣机开启后300秒，闸板再开启。

闸板关闭后300秒，冷渣机再停止。

（10）3#炉1#冷渣机SCS顺控
图2-10 3#炉1#冷渣机自动启停集控（11）3#炉1#冷渣机闸板SCS顺控
图2-11 3#炉1#冷渣机闸板自动开关集控
【说明】
本方案仅是对主要设备的自控方案作了举例，设备都有备用冗余，同类设备其自控都是类似的，只是设备名称、位号不同，其原理都一样，笔者就没有再详细说明。

此外如果要采用传统风煤交叉控制来实现燃烧系统自控，笔者也有一个比较有新意的思路——三输入三输出的矩阵解耦控制，其理论控制精度极高，且国内外也有同类设备使用该技术，但工程实现较为复杂，笔者还在构思如何与本公司生产实际情况相结合。

《三》后记
以上就是以3#炉为例的燃烧系统自控方案说明，依据和利时MACSV系统组态方法，简单的介绍了风煤控制与料层差压控制的图形化编程与原理。

笔者仅仅工作四年，水平有限，可能方案依旧有许多不足之处，还请见谅！
在此向特别向公用工程车间各位领导对锅炉工段各项工作的支持表示感谢，对厂DCS部门相关同事对锅炉自控工作所做的努力表示敬意！
公用工程车间
锅炉工段
赵文涛
2013年6月3日。