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1、第一章 绪 论1.1选题背景及意义 由于我国总的能源特征是“富煤、少油、有气”，拥有丰富的煤炭资源，到2000年已探明的煤炭储量达1145亿吨。煤炭因其储量大和价格相对稳定,在本世纪50年内，在我国的一次能源构成中仍将占主导地位。由此可见，在未来相当长的一段时期内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品。这与目前国外的情况相差很大。如：日本燃煤工业锅炉仅占总数的1%，美国和西欧国家约占l%3%（石油危机后燃煤工业锅炉略有增加），俄罗斯燃煤工业锅炉较多，约占40%。 工业锅炉是我国主要的热能动力设备，使用面广，需求量大，在工业生产和军民生活中扮演重要角色。据不完全统计，我国现有中、小锅炉30多
2、万台，每年耗煤量占我国原煤产量的三分之一以上，堪称大耗能动力设备。随着国民经济的不断发展和人民生活的不断改善，锅炉台数还在不断增加。作为能源转换的重要设备，其工作情况的好坏直接关系到能源的利用率高低。目前我国中、小型锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃料主要是煤炭，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态，尤其是燃煤排放的CO2气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。为了将我国建设成资源节约型、环境友好型社会，工业锅炉的节能降耗、减少污染物生成和排放具有重大意义。近几年随着加入世贸组织以及中国经济的飞速发展，如何提
3、高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，改善环境是每个部门乃至每个公民关心的大事。为此对工业锅炉推广应用各种新技术、新工艺、新管理是实现节能降耗、减少污染的重要途径。其中实现锅炉的自动化控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平。 具体来讲,实现锅炉自动化控制的意义在于: (1)提高锅炉运行的安全性; (2)提高锅炉运行的经济性; (3)改善劳动条件; (4)减少运行人员,提高劳动生产率 今后，随着工业锅炉市场技术竞争的日趋激烈，锅炉自动控制系统的好坏己成为决定锅炉性能的重要祛码。研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前景与研究价值。
4、1.2锅炉控制技术的研究现状及发展 1.2.1国内外研究现状 工业锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数，控制参数和扰动参数，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都为锅炉的控制增加了难度。过去，我国工业锅炉(特别是燃煤锅炉)产品设计和制造往往是重锅炉本体而轻燃烧和控制设备，很多锅炉所配置的运行监测仪表不全，尤其缺少显示锅炉经济运行参数的仪表。因此，运行人员在调整锅炉时，往往由于缺少数据，不能对锅炉的运行状况随时做出准确判断并实行相应的运行调整，使锅炉处于最佳工况运行。控制水平很低，很多锅炉仍为位式或开环控制，
5、没有实现连续闭环控制，不能根据外界变化调节锅炉运行状态，无法使锅炉运行较快地适应工况的变动和处于持续稳定状态，锅炉运行效率的保证和提高受到了限制。80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制以来，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至90年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中,并向新建炉体配套的方向发展,许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用。但由于控制技术单一，或控制算法的建模往往
6、不能反映真实的锅炉状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。因此提高锅炉控制技术水平成为提高锅炉效率的重要手段之一。 如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上大都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率较高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。 目前，锅炉控制的难点主要集中在汽包水位控制和燃烧过程控制，而锅炉各种控制策略的研究工作也主要围绕这两个方面展开。虽然国内外控制科学与工程领域的学者对工业锅炉的控制策略作出了深入的研究，取得了一些成果，但仍存在一些问题。 锅炉系
7、统是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强藕合的控制系统，加上其蒸汽负荷变化的随机性，用传统的控制方法不能达到理想的控制效果。但是一些熟练的操作人员、锅炉领域专家却能得心应手的进行手动控制，这就给基于知识规则的模糊控制的应用提供了广阔的空间，因为模糊控制是一种模拟人的思维的控制方法，它不要求受控对象的数学模型，能解决大量常规控制难以解决的控制难题。因此，将模糊控制应用于锅炉的控制系统，具有较强的理论与实践意义。1.2.2控制技术的发展趋势 现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此，生产的安全性和可靠
8、性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制水平己随着过程计算机系统的发展而发展。 从目前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。它是在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机和网络系统将整个单位全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量
9、、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制领域的一个重要研究方向。现在，欧美大中型企业的过程控制领域中，集散控制DCS（Distribute Control System)系统占有统治地位。DCS系统被广泛应用于冶金、电力、钢铁、化工等连续过程控制的工业领域，系统从几百个点到上万个点的规模不等。而国内的许多企业也开始纷纷采用DCS系统进行控制，摆脱了过去依靠人力在仪表盘前监控、操作的落后手段，应用DCS系统对提高国内工业自动化水平有着非常积极的意义。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了广泛的
10、研究。 因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制一体化的趋势发展。1.3论文研究的内容和意义1.3.1论文研究的内容 纵观目前对工业锅炉控制策略的研究及缺点和现有工业锅炉运行状况，本文的目的在于探讨一种简单实用，易于调整，收效高的锅炉控制方案，主要手段是采用模糊智能控制方法，将人的经验与推理相结合，形成一种新的对锅炉控制实用的算法。首先收集并分析相关技术资料，综合考虑Profibus、工业以太网技术发展和工业燃煤锅炉控制系统特点的基础上，提出整体性技术解决方案，为系统研发做好必要的准备工作。该系统将PLC、组态软件与工控机相结合，并应用模糊自适应PID和模糊自寻优算
11、法，以实现锅炉汽包水位、燃烧过程自动控制，以达到节能增效，促进企业生产管理的信息化建设，提高企业竞争力的目的。 论文的研究内容主要包括： (l)本课题的研究背景、意义和工业燃煤锅炉控制系统发展现状。 (2)对锅炉产生扰动的主要因素及调节原理进行分析，依据控制对象特性是比较复杂的、不确定性的非线性系统并且具有时滞性，将模糊自适应PID控制算法应用于汽包水位控制中，以达到良好的控制效果；根据锅炉燃烧的动态特性，从提高热效率入手，探索风煤比自寻优方法，提出锅炉燃烧过程的控制算法。 (3)控制系统整体构成是以DCS集散控制系统形式为基础的网络结构，从生产过程管理和控制两个方面综合考虑实现总体目标最优化
12、出发，系统采用Profibus一Dp现场总线和工业以太网(Industrial Ethernet)分散式集中控制系统(DCS)进行热工监视与控制，并配以少量二次显示与操作仪表,使系统构成更完善、更合理。 (4)运用WinCC组态监控功能，实现生产现场的动态监控，使其具有良好的人机界面、清晰直观的组态图形，使得操作人员通过计算机屏幕对现场情况变化一目了然。 (5)在工业控制系统的设计中，如何有效的实现智能控制算法，一直是工业自动化控制领域普遍关心的问题。本文将从PLC编程、组态软件和OPC技术作为研究切入点，对提出的智能控制算法在锅炉控制系统中的实现方法进行探索。1.3.2论文研究的意义 锅炉D
13、CS自动控制,是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、通讯网络和锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。工业锅炉提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用智能控制算法和DCS进行控制是一件具有深远意义的工作。 工业锅炉采用智能控制算法和DCS控制跟常规的仪表控制方式相比具有以下明显优势： (l)锅炉是一个多输入多输出、非线性动态对象，诸多调节量和被调量间存在祸合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。故而理想控制应该采用模糊自适应PID和模糊自寻优控制方案。而其算法通过计算机及PLC实现比较方便。 (2)直观而集中的显示锅炉各运行参数。DCS自动控制系统能快速计算出
14、锅炉系统在正常运行和启停过程中的有用数据，能在上位机界面中同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误。 (3)可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象。 (4)在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数。 (5)减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，(例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等)，从而减少了投资也减少了故障率。 (6)提高锅炉
15、的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用智能控制算法和DCS控制后热效率可比以前提高510%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元。 (7)锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机和水泵进行变频控制可以平均节电达到30%一40%。 (8)锅炉DCS自动控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的。 (9)作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用DCS集散控制的锅炉自控系统中，可以设置多点声光报警和自动连锁停炉，杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。 综合以上所述种种优点可以预见对锅炉采用智能算法和DCS控制系统是锅炉行业的大势所趋。
