60万机组CCS及各系统控制设计讲义.docx
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60万机组CCS及各系统控制设计讲义
第一节协调控制系统CCS概述
CCS是一种连续的调节系统（ContinuiousControlSystem），被控的变量是模拟量。
电站的最终目标是满足电网负荷要求，要靠锅炉和汽轮发电机共同配合，由于两者特性有较大差异，所以为了既满足电网需求，又能使机组安全稳定运行，必须协调锅炉和汽轮机之间的运行，所以需要一种负荷协调控制系统（CoordinatedControlSystem）。
这种系统往往是将被控量与设定值进行比较，经调节器运算后输出控制信号，使被控量发生变化，最终使被控量等于或接近设定值，系统是一个闭合的回路。
所以又称其为闭环控制系统（ClosedloopControlSystem）。
所以CCS术语有三种来源，但本质上并无很大区别。
狭义上讲，CCS只是指负荷协调控制系统，广义上讲，单元机组上所有的连续调节系统都属于CCS。
电厂生产过程采用自动化技术已有较长历史，相对于其它工业部门具有较高的自动化水平，而且仍以较快的速度发展。
促使这种发展的主要因素有：
（1）随着大容量、高参数汽轮发电机组的出现，要求监控的参数越来越多，因此，自动控制系统已成为锅炉。
汽轮发电机组不可缺少的组成部分。
为了保证机组的安全、经济运行对自动化设备的可靠性，以及对自动控制系统的性能都提出了更高的要求。
（2）电子技术的发展也为自动化提供了越来越完备的仪表和设备。
特别是随着计算机控制技术的发展，微机分散控制系统（DCS），以其功能全面、组态灵活、安全可靠的优点，而被广泛应用于火电厂的自动控制。
淮北二电厂2×300MW单元机组，采用WDPF分散控制系统作为控制设备，自动化水平高、功能全。
在以后各节中，将对该机组主要闭环控制系统的设计思想进行分析。
下面先介绍一些基础知识。
1．自动控制的基本概念及术语
被控对象――被控制的生产过程或设备，也称为调节对象或简称对象。
例如汽包水位控制系统中的汽包。
被控量――控制系统所要控制的参数，又称为被调量，例如汽包水位。
设定值――被控量所要达到或保持的数值。
例如汽包水位定值。
扰动量――破坏被控量与设定值相一致的一切作用，例如汽包水位控制系统中的蒸汽流量、给水量。
调节器――用于自动控制系统中的控制装置、或具有相似作用的软件。
例如P、PI、PID调节器。
控制指令――或称调节指令。
一般是调节器的输出信号，也可是运行人员手动给出的控制信号，该信号被送往执行机构。
执行机构――接受控制指令、对被控对象施加作用的机构。
也称为执行元件、执行器。
例如，机械执行机构、电动执行机构、液压执行机构。
控制机构――其动作可以改变进入对象的质量或能量的装置，例如给水阀门、空气挡板。
2．自动控制系统的分类
实际生产过程中采用的自动控制系统的类型是多种多样的，从不同的角度出发，可以进行不同的分类。
（1）按设定值变化的规律来分，有恒值控制系统、程序控制系统和随动控制系统。
恒值是指设定值不随时间而变化。
例如电厂锅炉水位、汽温控制系统，属于这一类型
（2）按系统的结构来分，有闭环控制系统、开环控制系统和复合控制系统。
闭环控制系统亦称反馈控制系统，这是一种最基本的控制系统。
在闭环控制系统中。
被控量信号以反馈方式送入调节器的输入端，作为不断引起控制作用的依据，而控制的目的是尽可能地减少被控量与其设定值之间的偏差，因此，信号是沿控制系统的闭合回路传递的。
如果系统中不存在被被控量的反馈回路，“调节器”只是根据直接或间接反映扰动输入的信号来控制，例如前馈控制系统，这种控制系统被称为开环系统。
开关量控制，例如阀门的开、关，挡板的开、关、电机的启、停，一般称为顺序控制，但也有一些电厂将这类系统称为开环控制系统。
生产过程中，开环控制和闭环控制常常配合使用，组成复合控制系统，例如前馈、反馈控制系统。
（3）按控制系统闭环回路的数目来分，有单回路控制系统和多回路控制系统，例如机组负荷协调控制系统就是一种多回路控制系统。
（4）按系统特性分，有线性控制系统和非线性控制系统。
所有各种类型的控制系统中，最基本、也是目前热工生产过程中用得比较广泛的，是线性闭环、恒值控制系统。
3．自动调节器的典型动态特性
在最基本的热工自动控制系统中，自动调节器和被控对象组成一个相互作用的闭合回路。
在这种系统中，调节器根据被控量Y与设定值Z的偏差信号e，而使执行机构按一定的规律动作，从而引起控制机关位置m的变化。
目前的调节器的动态特性一般由三种典型调节作用组成，它们是比例、积分和微分作用，即P、I、D作用。
即使DCS应用于电厂以后，PID（规律）仍然是主要的控制器。
（1）比例作用（P作用）
比例作用的动态方程为m=ke，K称为比例系数，
称为比例带。
比例作用的规律是，偏差e愈大，控制机关位移量m也愈大，偏差e的变化速度快，控制机关的移动速度也快。
当采用P作用调节器时，控制机关位置m与被控量或相关变量的数值之间必然存在着一一对应的关系，因此，在不同负荷时（即对应不同的控制机关位置），被控量与设定值之间的偏差也不同，也就是说，调节过程结束时，被控量总是有偏差的。
合适确定比例带，一般总能使系统达到稳定，δ越大，对提高稳定性愈有利，但调节过程速度放慢，静态时被控量与设定值偏差也增大。
（2）积分作用（I作用）
积分作用的动态方程式为
，从该式可以看出，如果被控量不等于给定值，即
，执行机构就不会停止动作，只有在e=0，即偏差消失时，执行机构才停止动作，因此，调节过程结束时，被控量必定是无差的。
在调节过程中，积分作用也存在着不合理的一面，即如果参数整定不当，会使调节过程发生振荡。
（3）微分作用（D作用）
微分作用的动态方程式是
，从上式可以看出，调节过程结束时，偏差e不应再不会，
必须等于零，所以控制机构位置不会有变化，这样就不能适应负荷的变化，因此，仅有微分作用是不能执行控制任务的。
但微分作用的特点是其控制作用与偏差的变化速度成正比。
在调节过程的开始阶段，被控量Y虽然偏离设定值不大，但如果其变化速度较快，微分作用可以使执行机构产生一个较大的位移。
也就是说D作用比P、I作用超前，它加强了控制作用，限制了偏差的进一步增大，所以微分作用可以有效地减少动态偏差。
（4）比例、积分、微分（PID）调节器
比例、积分、微分调节器的动态方程式为
δ称为比例带，Ti称为积分时间常数，Td称为微分时间常数。
这种调节器有比例、积分、微分作用的特点，因此，在采用这种调节器时，只要三个作用配合得当，就可以避免调节过程过分振荡，可得到无差的控制结果（积分作用），又能在调节过程中加强控制作用，减少动态偏差（微分作用）。
调节过程的品质应从三个方面来衡量，即稳定性，准确性（动态、静态偏差），以及快速性（调节时间）。
不能认为稳定性越高，调节品质就越好，在整定P、I、D参数时，应从稳定性、准确性、快速性三方面综合考虑。
4．主要的热工对象特性
对象特性可以用静态特性和动态特性来描述。
静态特性描述的是对象平衡时输出与输入之间的关系，而动态特性是描述对象动态变化过程中输出与输入之间的关系。
分析被控对象的动态、静态特性有利于设计性能优良的控制系统。
对象特性可以通过理论计算、试验方法获得。
后面各节在对系统进行分析时，将对某些对象的对象特性进行分析。
5．跟踪和无扰动切换
自动调节系统通常可以有两种或多种运行方式，例如手动、自动方式；采用DCS后，为了实现最优的控制性能和实现全程自动控制，对于同一个被控量，可能有多种控制方案。
当进行方式切换或方案切换时，应该是无扰动的。
为了实现无扰动切换，就必须采用跟踪技术。
关于WDPF系统的跟踪方法，可参见WDPF讲义。
本讲义对一些重要的跟踪在介绍有关系统时也将进行分析。
6．提高CCS可靠性及控制性能的措施
（1）为了提高测量信号的可靠性，除了在计算机硬件上采取必要措施（如提高转换精度、采用抗干扰措施等）外，还用软件对测量进行处理。
例如（质量检查、双测量处理、三测量处理）
（2）MRE，切手动。
在出现影响投入自动的信号后，为了安全起见，应将系统强切到手动方式。
（3）PLW，优先降。
当出现某些异常或特殊情况时，将不再采用正常的控制信号，而是自动地降低控制输出。
（4）PRA，优先增。
与PLW相似，但，是增加控制输出。
（5）BI，闭锁增。
负荷协调控制系统中采用的一种功能。
当某一被调量，例如燃料量，跟不上燃料量需求指令的变化，且差距越来越大时，则闭锁机组负荷指令的增加。
详细描述请参见负荷协调控制系统一节。
（6）BD，闭锁减。
与BI相反。
（7）RU、RD，迫升/迫降。
负荷协调控制系统在出现异常时的一种升/降负荷的行为。
（8）RB，快速减负荷。
在出现主要辅机跳闸时，负荷协调控制系统自动快速降低负荷。
（9）为了均衡负荷和实现无扰切换，对于多执行机构，采用平衡回路
7．淮北二厂CCS所涉及的过程控制系统
由WDPF实现，包括下列控制策略
（1）凝汽器热井水位控制9号DPU
（2）除氧器水位控制系统7号DPU
（3）除氧器压力控制12号DPU
（4）汽包水位控制（又称为给水控制）7号DPU
（5）过热蒸汽温度控制系统10号DPU
（6）再热蒸汽温度控制系统10号DPU
（7）燃料量控制2号DPU
（8）送风量控制（氧量控制）4号DPU
（9）引风量控制（炉膛负压控制）5号DPU
（10）二次风挡板控制（二次风箱与炉膛间的差压控制）4号DPU
（11）一次风压控制4号DPU
（12）燃油控制4号DPU
（13）制粉系统控制，包括
磨入口负压控制（－300～－500Pa）1号DPU
磨出口温度控制（100～105℃）1号DPU
（14）其它子系统
（15）在上述子系统的基础上，是机组负荷协调控制控制系统14号DPU
8．SAMA图
CCS用SAMA图来描述控制策略。
以下是CCSSAMA图图例。
9．SAMA图中几个重要缩写及含义
LWI禁止减。
这时，无论是手动还是自动，都不能减小控制输出。
当出现异常情况时，如果继续减小控制输出会使控制性能进一步恶化的话，则应禁止减小控制输出。
RAI禁止增。
与LWI相似，但，是不允许增加控制输出。
MRE切手动。
ARE切自动。
PLW优先降，又称减超弛。
PRA优先增，又称增超驰。
另外：
在PID控制器旁标有direct或indirect，direct表示对PV－SP进行PID运算，indirect则表示对SP－PV进行运算，目的是实现负反馈
第二节测量信号的处理
过程变量的测量与处理是构成闭环控制系统的一个重要组成部分，为了保证自动调节系统具有较好的品质，就必须使测量信号具有一定准确性。
在热力设备运行过程中，有许多因素会影响到测量的准确性，特别是由于测量元件、变送器或电路故障，可能会导致测量信号的失真甚至错误，进而使自动控制系统不能正常运行。
对测量信号进行处理的目的，就是为了提高测量信号的可靠性和准确性，为提高自动控制系统的品质创造必要条件。
对于某一过程变量，根据其在过程中的重要程度，可分别采取单测量、双测量或三测量处理方法。
单测量是指使用一个测量元件（一个变送器）测量工厂中某一点上的物理参数。
对那些不太重要的参数或者是被用于记录、显示、补偿等用途的参数，例如加热器水位、燃油压力、给水温度等，一般采用这种测量方法。
对于那些被认为对工厂运行相对重要的参数，例如凝汽器热井水位、屏式过热器出口汽温等，采用双测量方法，即采用两个测量元件（变送器），测量同一个意义的参数。
对于那些对工厂安全、经济运行非常重要的参数，往往采用三测量方法，即用三个测量元件（变送器）测量同一个意义的过程参数。
例如，主蒸气压力、机组负荷、炉膛压力、汽包水位、高温过热器出口汽温等。
当用多个测量元件测量同一个参数时，究竟用哪一个测量元件（变送器）测出的参数作为自动控制系统所使用的过程变量呢？
这就需要由相应的算法来处理和选择。
对单测量的处理较为简单，仅需对测量信号进行质量的检查，若无质量问题，则说明该测量可用于自动控制系统，否则就不能用作自动控制系统中的过程变量信号，系统就不能以自动方式运行，测量处理算法将发出切手动信号。
这里说明一下，所谓一个信号出现了质量问题一般是指，一个输入信号的值是一个非法数值，或者是一个不在正常的测量范围内的值，或输入信号的值长时间未得到更新。
而对双测量和三测量的处理则相对复杂一些，下面分别予以说明。
一、双测量处理算法SM2XMTRS
SM2XMTRS--SelectandMointor2TransmitterSignals。
SM2XMTRS是ＷＤＰＦ中的一个文本算法（软件模块），它监视两个模拟量变送器的输入，检查它们的质量以及两者的偏差。
该算法产生的输出，根据所选择的方式，可能是两个输入中的任意一个（A或B），也可能是其中的较大者（HIGHER）、较小者（LOWER）或两者的平均值（AVERAGER）。
运行人员可以通过ＷＤＰＦ所提供的图形界面进行选择。
图2－1所示的是WEStationCRT上的一个用于双测量选择的图形界面举例。
图2－1WestationCRT上的双测量选择界面举例
（一）方式选择
1．当算法第一次执行时，根据跟踪输入算法TRIN初始化时的规定，选择某一个信号。
2．变送器Ａ方式
当变送器Ｂ出现质量报警，或两个变送器都有质量报警时，将自动选择Ａ方式；当Ａ无质量报警时，可通过图形界面上的选择按钮由运行人员选择Ａ；当Ｂ无质量报警而Ａ有质量报警时，不可能选择Ａ方式。
3．变送器Ｂ方式
当变送器Ａ出现质量报警，而Ｂ无质量报警时，将自动选择Ｂ方式；当Ｂ无质量报警时，也可通过选择按钮由运行人员选择Ｂ方式。
4．当Ａ和Ｂ都无质量问题时，可用按钮选择其中的较低者或较高者。
关于TRIN：
如果TMODE被初始化，且TMODE请求信号为TRUE，又无质量报警，则按照下表进行方式选择。
TRIN
1平均值
2较低者
3较高者
4A
5B
若TRIN不是1~5，或者是对TRIN未作初始化，则选择平均值。
如果上一个方式被禁止了，或者由于质量问题，或者存在大偏差报警而不能进入某一个方式，那么，将选择下一个优先级较低的方式。
平均值方式的优先级最高，而B的优先级最低。
直到选择一个未遭禁止的方式。
如果两个测量都有质量报警，则该算法的输出选择零输出，而方式仍为A方式。
当TMODE信号为FALSE时，可由运行人员任意选择不同的方式。
（二）该算法的输出
1．XOUT:
将按照所选择的方式，决定用哪一个信号值输出，作为CCS中的过程变量。
它们可能是平均值、较低者、较高者、变送器Ａ或变送器Ｂ。
2．XDEV:
变送器偏差报警
当两个变送器测量值的偏差大于偏差报警死区值ALDB时，或两个变送器信号都含有非法数值时，将产生变送器偏差报警。
3．XABQ:
变送器Ａ质量报警
当变送器Ａ模拟量值为BAD或NOTGOOD时，将产生变送器Ａ质量报警。
4．XBBQ:
变送器Ｂ质量报警
当变送器Ｂ模拟量值为BAD或NOTGOOD时，将产生变送器Ｂ质量报警。
5．XALM:
变送器异常报警
两个变送器中任一个有质量报警、或者两个输入或其中一个有非法数值、或两个变送器的值的偏差大于控制偏差死区CNDB时,将产生变送器异常报警。
6．MRE:
切手动
当两个变送器都有质量报警或两者偏差大于CNDB时，将发出切手动信号。
用图形界面上的DEV按钮,可决定是否对偏差进行检查。
在界面上若显示出红色的"DEVCHECK"则说明当前对偏差是进行检查的，若此时出现大偏差，将会产生MRE信号。
；如果再按下DEV按钮，则取消检查。
若取消检查，则只有在两个变送器都出现质量报警时，才会产生MRE，而不管是否有大的偏差；
7．PBPT:
打包的数字输出
它包含两个变送器质量报警、MRE、变送器异常报警、跟踪请求信号、该算法的方式、禁止对控制偏差报警检查而产生MRE等特征状态。
（三）其它说明
如果使用RATE或DBND参数，那么，
1．SM2XMTRS在方式切换时，将按照用户输入的速率（单位／秒），将控制系统采用的过程变量XOUT从一个旧值变化到新的值。
否则，若RATE值中输入的是零或无输入，则在方式变化时，输出XOUT立即变化到新的值。
2．当XA和XB两者偏差的绝对值小于ALDB－DBND时，XDEV状态才会消失。
若DBND没有或为零,则在XA与XB的偏差回到ALDB以下时XDEV才会消失。
3．CNDB状态的消除与XDEV相似.
在对SM2XMTRS算法定义时，要定义一个字段CNTL（控制指示字），这是一个整形数。
在该字段中，
第０位－－－平均值选择，０表示不允许，１表示允许。
第１位－－－低值选择，０表示不允许，１表示允许。
第２位－－－高值选择，０表示不允许，１表示允许。
第３位－－－质量报警类型，０代表BAD,１代表NOTGOOD。
二、三测量处理算法MEDSEL2
MedianValueSelectorQualityandDeviationCheck
MEDSEL2是一个文本算法,是一个三测量处理算法，它监视每一个输入的质量以及它们之间的偏差。
只要没有质量报警和偏差报警，算法的输出将选取三个测量中的中间值，否则，算法将决定选取最好或最可能正确的输入，或者是选取输入值的平均值。
该算法除了产生XOUT输出外，还将产生一个高值报警输出HI，低值报警输出LO，以及12个数字信号，用来指示输入信号的状态。
MEDSEL2算法的主要功能是：
1．若两个测量无质量报警，当两者的偏差大于控制偏差死区CNDB时，则产生一个控制偏差报警。
同样，当偏差大于报警偏差死区ALDB时，则产生一个报警偏差报警。
ALDB应小于CNDB。
2．如果所有变送器都有质量报警，则算法输出为零，即XOUT=0。
如果XOUT的值是非法的，或三个输入都出现质量报警，则输出XOUT的质量为BAD。
3．如果有两个输入存在质量报警，则XOUT选择第三个无质量报警的输入。
4．如果只有一个输入有质量报警，而且其它两个输入没有控制偏差报警，那么，XOUT等于那两个无质量报警的输入信号的平均值。
5．如果只有一个输入出现质量报警，而另两个无质量报警，但有控制偏差报警，那么，XOUT在两个好的测量中选择。
ａ，如果其中的较大者大于高报警限值HMTR，而较小者不小于低报警限值LMTR，则取较低者。
ｂ，如果其中的较小者小于低报警限值LMTR，而较大者不大于高报警限值HMTR，则取较大者。
ｃ，根据控制字中的规定选择其中的一个。
6．如果三个输入都不存在质量报警，但三个当中两两之间都有控制偏差报警，那么，
ａ，如果其中最大者大于HMTR，而最小者不小于LMTR，则选最小者。
ｂ，如果其中最小者小于LMTR，而最大者不大于LMTR，则选最大者。
ｃ，根据控制字的规定，选择最大者或最小者。
7．如果没有质量报警，但其中之一与另外两个都有控制偏差报警，而另两个之间没有控制偏差报警，那么，XOUT是那两个无控制偏差报警的输入信号的平均值。
如果，三个都无质量报警，而有两个之间存在控制偏差报警，但与第三个无控制偏差报警，那么，XOUT取第三个变送器的值。
8．如果三个都无质量报警，也无控制偏差报警，而两两之间都有报警偏差报警（或都无报警偏差报警），那么，将取它们的中间值输出。
9．如果三个都无质量报警，也无控制偏差报警，但有一个变送器与另两个都有报警偏差报警，而另两个之间无报警偏差报警，那么，取另两个的平均值输出。
10．如果无质量报警，也无控制偏差报警，但有两个输入存在报警偏差报警，而它们与第三个却无报警偏差报警，那么，XOUT取第三个变送器的值。
该算法除了产生XOUT输出外，还将产生下列输出：
（1）XBQ：
质量报警。
若三个都存在质量报警，则，XBQ为TRUE（真）。
（2）XABQ：
Ａ质量报警。
（3）XBBQ：
Ｂ质量报警。
（4）XCBQ：
Ｃ质量报警。
（5）ABDC：
Ａ与Ｂ之间存在控制偏差报警。
（6）ACDC：
Ａ与Ｃ之间存在控制偏差报警。
（7）BCDC：
Ｂ与Ｃ之间存在控制偏差报警。
（8）ABDA：
Ａ与Ｂ之间存在报警偏差报警。
（9）ACDA：
Ａ与Ｃ之间存在报警偏差报警。
（10）BCDA：
Ｂ与Ｃ之间存在报警偏差报警。
（11）XALM：
变送器异常报警。
当任一变送器输入有质量报警，或者任意两个变送器的偏差大于控制偏差死区CNDB或报警偏差死区ALDB时，称为变送器异常报警。
（12）MRE：
切手动
当下列情形出现时，产生MRE信号:
ａ，所有变送器都有质量报警
ｂ，一个存在质量报警，而另两个无质量报警的输入之间却又存在控制偏差报警。
ｃ，三个之间都有控制偏差报警。
MRE信号可能是脉冲信号，也可能是保持信号，这取决于控制指示字CNTL的规定。
CNTL控制指示字的第０位，表示MRE输出类型，０代表脉冲，１代表保持。
打包的数字输出PBPT包括了MRE、变送器异常报警、质量报警、控制偏差报警、报警偏差报警等信息。
第三节平衡电路的原理、XMASTER算法及M/A站
一、平衡电路一般原理
对于同一个过程变量,有时由两个或多个执行机构及辅助设备共同控制。
例如，一次风母管压力，它由两台一次风机共同控制；二次风母管压力由两台送风机共同控制；炉膛压力由两台引风机控制，等等。
在这类多执行机构的系统中，每个执行机构都配有手动／自动控制站（Ｍ／Ａ站），执行机构的动作可以由它们共同的控制器进行自动控制，也可由运行人员分别在相应的手动／自动控制站手动操作。
以双执行机构的系统为例，在正常情况下，两控制站都可投入自动方式，控制器的自动控制信号分别经过相应的控制站去控制对应的执行机构，两执行机构及辅助设备在自动控制信号的控制下同时改变出力。
但是当其中一侧设备由于某种缺陷而不能产生与另一侧的设备同等的出力时，就希望能通过适当的操作，降低存在缺陷的一侧的控制输出，同时将这一侧减少了的出力，由另一侧自动予以补偿，这样可避免对过程产生较大扰动。
如果一侧控制站处于手动方式，运行人员可手动从控制站上改变控制输出。
在这种情况下，有两点要求应予以考虑。
第一，当系统处于平衡状态，手动调整一侧的控制输出时，应该有适当的“电路”自动对另一侧处于自动方式的控制站的输出予以修正，使两侧控制输出之和保持不变，以尽量减小对过程的扰动。
第二，处于手动方式的控制站的输入应自动跟随该站的手动输出，以便实现从手动方式向自动方式的无扰切换。
如果两站都处于手动方式，应考虑两个站分别投入自动时的无扰切换。
平衡“电路”正是考虑上述要求而设计的。
图3－1该电路的原理方框图。
1．当两个控制站都处于自动方式时，设ＰＩ调节器输出的自动控制信号为Co，Ａ侧控制站的输出为Ca，Ｂ侧控制站的输出为Cb，正常时，Ca=Co，Cb=Co，两控制站的输出之和为２Co
此时，因两个站都处于自动方式，切换开关Ｔ２选择bo输出。
运行人员可通过Ｂ站上的设定值按钮，设置一偏置值bo，bo又被称为手动偏置。
加入偏置后，两站输出分别为Ca＝Co＋bo，Cb＝Co－bo，两控制站输出之和仍为２Co，即加入偏置后，对Ａ、Ｂ两站的控制输出进行了重新分配，而对系统不会产生扰动。
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