摘要： 針對火電廠鍋爐汽包水位控制系統的特點，設計了汽包水位模糊控制系統。同時制定了鍋爐DCS控制系統配置方案，設計了鍋爐水系統DCS組態圖，并對本設計的主要功能做了簡要的闡述。

　　關鍵詞：核心期刊,鍋爐汽包水位,模糊控制,DCS

　　鍋爐系統具有多輸入、多輸出，強耦合，非線性等特點，在控制上有一定的難度，所以人們從未停止對鍋爐控制的研究。在火電廠鍋爐的蒸汽運行中，通過爐膛內燃料燃燒，將汽包內的水加熱至沸騰并產生蒸汽，蒸汽通過過熱器形成過熱蒸汽，從而推動系統運行。如果控制出現問題，鍋爐就會產生危險。所以在火電廠鍋爐幾個重要控制對象中，汽包水位是一個最為關鍵的被控變量。汽包水位高過安全允許范圍的最大值，會發生過熱蒸汽將水帶入到過熱器中的現象，這樣傳熱效果就達不到預想的效果，甚至低溫的水會引發過熱器炸裂;汽包水位低于安全允許范圍的最小值，會使水冷壁的水循環無法按照工藝要求進行，從而出現鍋爐局部溫度過高發生炸裂。

　　本文在研究鍋爐控制對象后，在鍋爐控制系統中加入了現場總線技術，構建了一個鍋爐DCS控制系統，實現火電廠鍋爐控制系統的智能控制。該設計減少了工作人員的勞動強度，同時也能實現對燃料的最大利用，解決燃料燃燒造成的大氣污染，實現循環經濟和可持續發展。

　　1 火電廠鍋爐的模糊PID控制系統

　　1.1 汽包水位的數學模型

　　鍋爐汽包水位運行系統，如圖 1 所示。

　　1.2 模糊控制器的設計

　　Fuzzy-PID控制技術是隨著計算機技術發展而產生的，人們將操作人員的經驗轉換為知識庫存放在計算機中，這樣系統就能根據現場的實際情況來自行調整PID參數以滿足現場系統運行的實際要求。這種控制系統結合了古典的 PID 控制與新興的模糊控制方式，它具有模糊控制魯棒性強、動態響應好、上升時間快、超調時間小的特點，又具備了PID 控制器的動態跟蹤品質和穩態精度高的特點，實現系統的最佳控制。本系統在鍋爐汽包水位的 PID 控制系統引入模糊控制器，于是可以得到 Fuzzy-PID 控制系統[2]。

　　1) 在設計鍋爐汽包水位的模糊控制器時，采用了最常使用的二維模糊控制器，設定兩個輸入變量和一個輸出變量，其中一個輸入變量是給定水位和實際水位的偏差，另一個輸入變量是偏差的變化率，即：[e(k)=y(k)-yb(k)]， [ec(k)=ec(k)-ec(k-1)]。其中[e(k)]表示實際水位和給定水位的偏差，[y(k)]代表鍋爐汽包中的實際水位，而[yb(k)] 代表鍋爐汽包的設定水位。當汽包中實際水位[y(k)]高于工作人員給定的水位[yb(k)]時，偏差的大小是“正”。在系統中，實際水位比設定水位高得越多，則偏差正得越大。反之，鍋爐中實際水位[y(k)]低于系統事先給定水位[yb(k)]時，偏差為“負”。實際水位比設定水位低得越多，則偏差就負得越大。[ec(k)]表示水位偏差的變化的快慢，當[k]時刻的水位偏差高于([k-1])時刻的水位偏差，說明水位偏差變化在加快，水位偏差變化越來越快。相反，當[k]時刻的水位偏差低于([k-1])時刻的水位偏差時，水位偏差變化越來越慢。本設計將閥門開度[u(k)]的變化作為模糊控制器的輸出量，它對鍋爐汽包實際水位[y(k)]的值影響比較大。輸出控制量對應閥門開度變化量，閥門開大的趨勢時，[u(k)]的值為“正”，表示供水系統向鍋爐汽包中的供水量加大;反之，則閥門開度有減小趨勢時，[u(k)]的值為“負”，表示供水系統向鍋爐汽包水位中注水量減少。

　　2) 輸入變量及輸出變量的模糊化：設計模糊控制系統，要把被控系統的輸入變量和輸出變量轉換為模糊語言變量的模糊子集。本系統設輸入偏差和偏差變化率分別使用模糊語言變量的模糊集 E 和EC來表示，并且模糊集E={HB，HM，HS，NO，LS，LM，[HS]LB}。其中，HB，HM，HS，NO，LS，LM，LB分別表示遠高于設定水位，一般高于設定水位，微高于設定水位，等于設定水位，微低于設定水位，一般低于設定水位，遠低于設定水位。并把輸入偏差對應的模糊論域為：E= {-6，-4，-2，0，+2，+4，+6，}。另一個模糊集EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中 NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分別表示為負偏差變化過快，負偏差的變化較快，負偏差變化較慢，無偏差變化，正偏差的變化較慢，正偏差變化較快，正偏差變化很快。對應的模糊論域為：EC={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}本設計將模糊控制系統的輸出量變化用模糊集U來表示，并設定 U={CF，CM，CS，FR，OS，OM，OF}，模糊集中的CF，CM，CS，FR，OS，OM，OF各自的意義分別為水閥關閉很快，水閥關閉較快，水閥關閉慢，稅法保持常開，水閥打開很慢，水閥打開較快，水閥打開很快。對應的模糊論域為：U={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}[3]。

　　3) 確定語言值的隸屬度函數：本系統的輸入變量和輸出變量的隸屬度函數均選擇比較常用的三角型函數，并且輸入模糊變量與輸出模糊變量通過模糊規則建立關系。

　　4) 本系統設計的模糊控制器的控制規則：根據現場操作人員的操作經驗，當 EC 為正時，此時偏差大于上一時間的偏差，若鍋爐中汽包水位高于給定值，則汽包水位還有繼續上漲的趨勢，則應當關閉水閥以減小入水量，使得水位下降;當EC為負時，表示此時偏差小于上一時間段偏差，如果此時鍋爐汽包水位高于設定值，則水位有下降趨勢，應該使閥門處于半開狀態，這樣既能降低水位，又能使水位不發生大的躍變。由此，可以得到模糊控制狀態表1。表1中橫、豎例分別代表E和EC。

　　2 對鍋爐汽包水位DCS控制功能配置

　　2.1 鍋爐水位DCS控制系統基本結構 　　DCS 具有強大的功能，它在應用中顯現出來的優勢將逐漸取代常規儀表，DCS系統使機組控制性能得到很大程度提高。鍋爐 DCS 系統可以快速的將系統反饋的運行數據送給操作人員，操作人員能通過人機界面來對系統進行非常快速的調整。

　　如圖3所示為本設計方案的 DCS 控制系統配置圖。工程師站、若干臺操作員站、若干個控制柜、冗余服務器及工業以太網共同構成了DCS 控制系統。工程師站具有最高權限，并向全廠發布鍋爐的運行數據。操作員只有部分權限，對各自管理的鍋爐運行系統部分進行操作 [4]。

　　2.2 鍋爐DCS水位控制基本功能

　　本文設計的DCS 系統具有數據采集、模擬量控制、鍋爐安全監視報警及保護、日志管理服務及人機界面功能。

　　根據鍋爐系統的工作流程，在DCS系統人機界面上繪制相應的流程圖。在工藝流程上對應的數據采集點，顯示被測水位，蒸汽溫度等信號。在主界面上添加按鈕來實現對設備的開啟、關閉等開關量的操作。對于變頻器、調節閥或伺服控制器這類設別，在人機界面中，增加了軟調節功能組件。組件關聯上與該設備有關的工藝參數，通過事先設定好的運算法則來完成自動控制。在緊急情況還可以通過手/自動切換來實現手動調整。在本系統中，主要的輸出參數為：供水溫度控制、爐膛引風控制、爐膛壓力控制、燃料供給控制、汽包水位控制等[5]，鍋爐循環水系統人機界面如圖4所示。

　　本系統中所有的測量值和操作記錄都會記錄在系統數據庫中，并且專門繪有歷史報表，便于工作人員及時了解鍋爐系統的工作狀態，并且該報表可以手動或者定時打印出來，方便工作人員對數據進行觀察分析。為了提高鍋爐運行的安全性，鍋爐的各個重要參數，控制動作都設置安全范圍，如果測量值和控制值超出安全范圍，系統將會產生聲光報警，提醒工作人員前去排查，并產生報警記錄信息。

　　3 結束語

　　本文設計的模糊PID控制系統具有較好的穩定性和可靠性。在保證鍋爐安全穩定運行的同時，采用 DCS 技術對鍋爐各項數據采集和實時處理，可以減輕工作人員負擔，保證鍋爐燃燒充分，安全有效，減少污染氣體排放。

　　參考文獻：

　　[1] 黃章明，李方園.鍋爐汽包水位模糊控制系統的仿真與設計[J].技術縱橫，2011(9).

　　[2] 陳智華.汽化冷卻系統汽包水位的模糊控制[J].自動化與儀器儀表，2011(3).

　　[3] 婁偉，劉向東.模糊控制在鍋爐汽包水位控制系統中的應用[J].鍋爐技術，2010(1).