模糊控制在单元机组锅炉给水阀门自动切换控制中的应用.pdf

收 稿日期 2006-11-08;修 返日期 2007-03-09 作 者简介 贺鸿 1962- , 男 , 山西太 原人, 讲 师, 博士研 究生 , 主 要研究 方向 为过程 控制 及计算 机 tyhehong sina. com ; 谷 红兵 1959- , 女, 高 级实验 师; 何小 刚 1959- , 男, 副 教授; 熊淑 燕 1938- , 女 , 教 授. 模 糊 控 制 在 单 元 机 组 锅 炉 给 水 阀 门 自 动 切 换 控 制 中 的 应 用 贺 鸿 a , 谷红兵 a , 何小刚 b , 熊淑燕 b 太原理工大学 a. 化学化工学院; b. 信息工程学院, 太原 030024 摘 要某电厂 300 MW 单元机组控制系统采用西门子 TELEPERM ME DCS 集散控制系统, 在对其锅炉给水系 统阀门切换的改造过程中, 利用模糊控制理论, 根据实际运行状况及运行资料, 通过大量的实验分析, 设计出切 实可行的给水阀门切换逻辑, 使燃煤锅炉给水系统给水阀门实现自动切换, 解决了大容量单元机组燃煤锅炉实 现全程给水自动控制所必须解决的一个关键问题。本系统的投运不仅节约了改造、 更换给水系统所需的大量资 金, 由于机组实现自动启动, 大大缩短了启动时间, 使机组启动过程中消耗的燃料量明显下降, 经济效益十分显 著; 同时也给出了模糊控制技术在控制工程中实际应用的一种思路。 关键词计算机集散控制系统; 单元机组; 模糊控制; 全程给水系统; 阀门自动切换 中图分类号TP273. 4 文献标志码A 文章编号1001-3695 2007 12-0300-03 Application of fuzzy control for feed-water valve alternating control in large-scale boiler-turbine unit HE Hong a, GU Hong-binga, HE Xiao-gangb, XIONG Shu-yanb a. College of Chemistry large-scale boiler-turbine unit; fuzzy control; whole-course feed-water control system; valve auto-alternate 1 问题的提出 某电 厂 300 MW 单 元 机 组 控 制 系 统 采 用 西 门 子 TELEPERM ME DCS 集散控制系统, 图 1 为给水系统流程简 图。当机组负荷在 15 以下时, 图 1 中的截止阀 S17-3 处于关 闭状态, C10-1 控制阀处于工作状态, 启动泵的转速保持在较 低的允许数值。转速闭环控制回路维持给水母管压力一定, C10-1 阀闭环控制回路维持汽包水位一定。随着机组负荷的 增加, 汽包蒸发量 主汽流量 增大, 锅炉要求的给水量不断增 加, C10-1 控制阀的开度也逐渐开大。当 C10-1 阀的开度达到 90 左右时, 它已不能满足锅炉对给水量的要求, 需要开启主 隔离阀 S17-3, 即 进行控制阀 C10-1 与截止阀 S 17-3 之间 的 切换。 由于 S17-3 阀是一个非常大的开环控制阀, 为防止 S17-3 阀开启时引起水位大的扰动, 必须根据控制阀 C10-1 和截止阀 S 17-3 及给水管道系统的特性, 按照一定的规律缓慢地开启截 止阀 S 17-3 和关闭控制阀 C10-1 或反过程 。如果该问题处 理不当, 将使给水全程控制不能实现。 2 设计思想的确定及依据 大旁路调节阀 C10-1 与主给水截止阀 S17-3 的特性是 截然不同的, 调节阀 C10-1 能连续控制, 而截止阀 S17-3 是具 有快开特性的开关阀。S17-3 截止阀的开启与关闭, 将直接影 响汽包压力、 汽包水位、 给水流量等锅炉运行中的重要监控参 数。在 S17-3 开启的初始阶段, 给水流量的变化很大, 将对汽 包水位产生较大的冲击, 特别是当阀两端的压差较大时, 这一 冲击更为严重。为了降低大旁路调节阀 C10-1 与主给水 阀 S17-3 的切换过程对汽包水位系统的扰动, 使系统能够自动稳 定地运行, 应该利用操作人员的切换操作经验, 采用闭环控制 的方法; 同时考虑汽包水位、 给水流量、 主汽流量、 汽包压力等 参数以及它们的变化率, 来决定 S17-3 阀的开启及停止, 必要 时应能使其关小一定的开度, 简单地采用按时间比例的方式进 行切换。 由于 S17-3 阀的特性不很清楚, 现场条件又不允许对其进 第 24 卷第 12 期 2007 年 12 月 计 算 机 应 用 研 究 Application Research of Computers Vol. 24 No. 12 Dec. 2007 行精确的特性试验, 加之影响切换过程的参数多且关系复杂, 因而采用常规的方法来控制 S 17-3 阀的开启与关闭的确存在 一定的难度。经过现场调研发现, 有经验的运行人员有时能够 利用手动操作完成这一切换过程。 在切换过程中, 运行人员通过观察汽包水位的偏差及其变 化率, 给水流量的变化率, 以及给水流量与主汽流量之间的平 衡关系, 来决定 S17-3 阀的开启与关闭, 从而保证了在切换过 程中汽包水位在工艺允许的范围内变化, 给水控制系统能正常 运行。 在调研过程中, 通过现场观察操作人员在阀门切换过程中 的实际操作以及与操作人员座谈, 可以总结出操作人员在阀门 切换过程中的以下逻辑思维过程 切换一般选择在第一台磨启动后, 第二台磨启动前进行; 切换前一般先将汽包水位的给定值降低 设定值由原来的 0 降低到 - 25 mm左右 , 以防止在 S17-3 阀开启的初始阶段由 于给水流量的突然增加而使汽包水位超越上限; 操作人员的操 作主要依据汽包水位 H、 给水流量 F、 蒸汽流量 D 的测量值及 其变化量 Δ H、 Δ F、 Δ D, 给水流量 F 与蒸汽流量 D 的差值- 及其变化量 Δ-以及汽包压力 P 的高低来决定主给 水阀 S17-3 的开启、 停止开启和关闭。 操作人员的操作过程可用下列条件语句表示 if H NL and Δ NL then open S17-3; ⋯ if H NM and Δ H PM then stop open S17-3; ⋯ if H NS and Δ H NL then open S17-3; ⋯ if H NS and if Δ H NB then open S17-3; ⋯ 由以上分析可见, 采用模糊控制理论, 运用操作人员的操 作经验, 可以设计出满足工艺要求的切换方案。 3 切换方案的设计 3. 1 输入/输出变量的确定 3. 1. 1 输入/输出变量的确定 由于汽包压力 P、 汽包水位 H、 给水流量 F 和主汽流量 D 以及它们的变化率等参数均对 S 17-3 阀的动作有关, 例如, 若 汽包压力 P 过低, 或汽包水位 H过高, 或主汽流量 D 反映负 荷的大小 较小时, S 17-3 阀不能开启。因而都可以作为模糊 控制器的输入量; 在切换过程中, 除了要控制 S 17-3 的动作外, 调节门 C10-1 的开度和变速给水泵的转速等都需要进行控制, 即它们都可以作为模糊控制器的输出变量。这就是说, 若将上 述参数都作为模糊控制器的输入量和输出量, 将构成一个多输 入/多输出的模糊控制器, 如图 2 所示。这样一来, 模糊控制器 的结构将会变得非常复杂。 事实上, 汽包压力已由调节门 C10-1 构成的单回路控制系 统进行控制; 变速给水泵的转速也有专门的变速泵转速控制系 统进行控制等; 模糊控制器的结构可以大大简化。 作为切换过程开始的条件, 操作规程规定, 启动阶段只有 当汽包压力 P 大于最小值 约 4. 5 Mpa , 蒸汽流量 D 大于 180 T/h 反映负荷的大小, 此时负荷为 15 , 并且汽包水位 H 在 - 35 ～- 15 mm时, 切换才能进行。切换过程中若上述某一条 件不满足时, 切换过程将停止, 直到条件满足后再继续进行。 故将“ P≥Min 4. 5 Mpa , D≥180 T/h, H为 - 35 ～- 15 mm” 作 为切换控制器开始工作的条件, 不将其作为模糊输入量。 考虑到系统中能量与物量的平衡关系, 以及上述各参数在 切换过程中的作用, 可选汽包水位的偏差 Δ H, 给水流量与蒸 汽流量的差值 ΔF -作为控制器的输入, 这样选既考虑 了系统对汽包水位的要求, 使其偏差尽可能小, 又兼顾了系统 中的物量、 能量的平衡关系, 同时 Δ F 的大小也能间接反映汽 包水位偏差的变化率。控制器的输出量选为对给水截止阀的 控制量 U 开关信号, 只有“ 关闭、 停止、 开启” 三个状态 。这 样做既能满足系统的要求, 又可以简化控制器的设计。 3. 1. 2 变量的语言值及其隶属函数的确定 汽包水位的偏差 Δ H, 给水流量与蒸汽流量的差值 Δ F -对应的语言变量均分为 7 档, 即 NL、 NM、 NS、 O、 PS、 PM、 PL 负大、 负中、 负小、 零、 正小、 正中、 正大 , 与此对应, 将偏差 Δ H分为 13 级, 即 - 6, - 5, - 4, - 3, - 2, - 1,0, 1, 2,3, 4, 5,6。 依据操作人员的经验, 切换前可将汽包水位 H 的设定值 由原来的 0 调整为 - 25 mm, 以保证在切换过程中, 不会由于 S17-3 阀的开启所造成的给水流量 F 的大幅度增加而导致汽 包水位超越上 限值; 并将汽包水位 偏差 Δ H 变 化范围定 为 [ - 10 mm, 10 mm] , 这样既不影响锅炉的正常工作, 又能保 证切换的正常进行。 利用变换公式 x 12--2] 将在[ - 10 mm, 10 mm] 间变化的偏差 Δ H、 在[ - 80 t/ h, 80 t/h] 间变化的流量差值 Δ F 分别转变为[ - 6, 6] 间的变 化量 e、 c, 这就确定了表 1、 2。 表 1 各档 偏差 e 的 隶属度 表 语言值 隶属度 e - 6- 5- 4- 3- 2- 10123456 E1NL1. 00. 80. 40. 1000000000 E2 NM0. 20. 71. 00. 70. 200000000 E3 NS000. 20. 71. 00. 90000000 E4 0000000. 51. 00. 500000 E5PS0000000. 90. 91. 00. 70. 200 E6 PM000000000. 20. 71. 00. 7 0. 2 E7 PL0000000000. 10. 40. 8 1. 0 表 2 各档 差值 c 的 隶属度 表 语言值 隶属度 e - 6- 5- 4- 3- 2- 10123456 C1 NL1. 00. 80. 40. 1000000000 C2 NM0. 20. 71. 00. 70. 200000000 C3 NS000. 20. 71. 00. 90000000 C4 0000000. 51. 00. 500000 C5 PS0000000. 90. 91. 00. 70. 200 C6PM000000000. 20. 71. 00. 7 0. 2 C7 PL0000000000. 10. 40. 8 1. 0 将表 1 中汽包水位偏差 Δ H - 10 ～10 mm 、 表 2 中给 水流量与蒸汽流量的差值 Δ F - 80 ～ 80t/h 均分为 13 段, 分 别如表 3、 4 所示。 103第 12 期贺 鸿, 等 模糊控制在单元机组锅炉给水阀门自动切换控制中的应用 高 加 系 统 EFWP TFWP1 TFWP2 除 氧 器 S17轧1 S17轧3 C10轧1 S17轧2 S17轧4S17轧5 省 煤 器 图 1 给水系统流程简图图 2 多变量模糊控制器 模糊 控制器 X1 X2 Xn Y1 Y2 Yt F DFD , /bb /aa [x FD D F 控制量 U分为三档, 即 - 1 关闭 、 0 停止 、1 开启 。 3. 2 构造模糊控制表 为简化设计, 直接给出控制表如表 5 所示。表中各量之间 的关系能很直观地反映控制过程。由于现场实际条件的限制, 在实际控制过程中, 根据西门子 TELEPERM MEDCS 系统的功 能及特点, 在上述方案的基础上经过简化, 将相应分段进行了 合并, 设计了以下所述的切换方案。 表 5 模糊控 制表 eU e - 6- 5- 4- 3- 2- 10123456 汽 包 水 位 偏 差 - 61111111111100 - 51111111111000 - 41111111110000 - 31111111100000 - 21111111000000 - 11111110000000 01111100000000 1111100000000- 1 211100000000- 1- 1 31100000000- 1- 1- 1 4100000000- 1- 1- 1- 1 500000000- 1- 1- 1- 1- 1 600000000- 1- 1- 1- 1- 1 3. 3 切换方案组态图 切换方案组态示意图如图 3 所示。 该切换方案同时考虑了升负荷时由调门 C10-1 到主给水 阀 S 17-3 的切换和降负荷时由主给水阀 S17-3 到调门 C10-1 的 切换。图 3 中, C01. F90主汽 流 量; C10. L90汽 包 水 位; C22. F90总给水流量; C10. P90汽包压力; B1S17-3 已经 全开 逻辑信号 ; M/A/B3手动。 3. 3. 1 截门打开的条件 由图 3 可知, 截门打开的条件为下列条件相与 a 主汽流量 C01. F90 大于 180 t/h; b 汽包压力 C10. P90 大于最小值; c 汽包水位 C10. L90 在 - 20 ～- 25 mm之间; d 主汽流量 与给水流量的 差值 C01. F90 - 22. F90 在 120 ～ 80 t/h 之间; e 截门没有完全打开。 其中 主汽流量 C01. F90 大于 220 t/h 保证了大旁路调门与 主给水截门的切换在负荷大于一定值 20 时进行; 主汽流 量与给水流量的差值大于120 t/h 保证了切换在调门不能满足 运行对给 水量 的要求 时开 始进 行; 汽包 水位 C10. L90 在 - 20 ～- 25 mm之间保证了截门打开时不会使汽包水位升得 过高。 3. 3. 2 截门保持的条件 下列条件之一成立时截门保持 a 给水流量与主汽流量的差值 C22. F90 - C01. F90 大于 200 t/h; b 汽包水位 C10. L90 大于 - 15 mm; c 在系统启动后 5 s 内; d 截门 S17-3 手动。 其中 给水流量与主汽流量的差值 C22. F90 - C01. F90 大于 200 t/h表明, 给水流量相对于截门动作前已有了较大的增加, 为了防止由于给水流量增加过多而造成汽包水位大幅上升, 需 暂时停止截门的继续开启, 这是切换过程中必须考虑的主要条 件; 汽包水位 C10. L90 大于 - 15 mm表明汽包水位相对于截 门动作前已有了较大的升高, 为了保证切换的安全进行, 汽包 水位不至于升得过高, 需暂时停止截门的继续开启, 这是保证 切换过程安全顺利进行所必须考虑的辅助条件; 在系统上电后 的 5 s 内, 不允许发出开门信号, 以防止产生误动作。 当系统运行工况由高负荷下降至切换点时, 该逻辑可以实 现由截门至调门的自动切换, 即随着负荷的下降, 截门 S17-3 逐渐自动关闭。 3. 3. 3 截门 S17-3 关闭的条件 截门关闭的条件为下列两个条件 A 或 B之一成立 a 条件 A。下列三个条件相与 a 主汽流量 C01. F90 小于 170 t/h; b 汽包压力 C10. P90 小于最小值; c 汽包水 位 C10. L90 大于 15 mm。 当截门 S17-3 为手动或在系统刚上电的 5 s 内, 为防止误 动作, 不发条件 A 即此时条件 A不起作用 。 b 条件 B。三台给水泵全停。 主汽流量 C01. F90 小于 170 t/h表明此时机组负荷已降 至 15 以下, 大旁路阀已能满足水要求。 在切换组态图中, M/A/B3 信号是为操作人员设置的用来 实现截门 S17-3 自动与手动切换的开关量信号, 以便于操作人 员对截门 S17-3 的工作方式进行选择。 下转 第 312 页 203计 算 机 应 用 研 究 第 24 卷 c C01.F90 150 c 170 c C01.L90 10 c 15 再加上网络处理器 的并行, 多线程编程结构可以根据情况组合多种算法以达到最 优的效果。因此在实际应用时, 可对具体算法加以必要的改进 和优化。在同等的测试环境下, 由测试结果可知, 在单项测试 中各算法各有优劣。综合考虑匹配时间、 占用存储空间以及预 处理时间的条件, 单模式匹配算法中 BM 算法要优于其他算 法, 多模式匹配算法中 AC-BM 算法是性能最好的。根据网络 系统的性能要求, 选择具有针对性的模式匹配算法是非常必 要的。 参考文献 [ 1]UPTA P, McKEOWN N. Algorithms for packet classification[ D] . Stanford Computer System Lab, Stanford University, 1999. [ 2]GUPTA P,McKEOWN N.Packet classification on multiplefields [ C] / / Proc of ACM SIGCOMM’ 99. Cambridge [ s. n. ] , 1999. [ 3]GUPTA P, McKEWON N. Packet classification using hierarchical in- telligent cuttings[ J] . IEEE Micro, 2000, 20 1 34-41. [ 4]CHARRAS C, LECROQ T. Handbook of exact string-matching algo- rithms[ K] . London King’ s Colledge London Publications, 2004. [ 5]CROCHEMORE M, RYTTER W. Text alogrithms[ M] . Oxford Ox- ford University Press, 1994. [ 6]BAEZA-YATES R A, GONNET G H. A new approach to text sear- ching[ J] . Communication of ACM, 1992, 35 10 74-82. [ 7]BOYER R S, MOORE J S. A fast string searching algorithm[ J] . Communication of ACM, 1977, 20 10 762-772. [ 8]CROCHEMORE M. Off-line serial exact string searching in pattern matching algorithms[ M] . Oxford Oxford University Press, 1997 1- 53. [ 9]石晶林 , 程胜, 孙江 明. 网络 处 理 器原 理 、 设 计 与应 用 [ M] . 北京 清华大 学出 版社, 2003. [ 10] COMER D E. Network systems design using network processors[ M] . 北京 机 械工业 出版社 , 2004. [ 11] KIM S,KIM Y.A fast multiple string-pattern matching algorithm [ C] / / Proc of the 17th AoM/ IAoM Inernational Conference on Com- puter Science. San Diego [ s. n. ] , 1999. [ 12] WU S,MANBER U.A fast algorithm for multi-pattern searching, TR94_17[ R] . Tuscon University of Arizona, 1994. [ 13] Intel Corporation. Intel exchange architecture IXAprogrammer’ s reference manual[ K/CD] . 2004. [ 14] Intel Corporation. Intel exchange architecture IXA hardware refe- rence manual[ K/ CD] . 2004. [ 15] 胡 越明. Intel 网络 处 理 器 及其 应 用 开 发[ M] . 北 京 清 华 大 学 出 版社, 2005. 上 接第 302 页 方案中的有关参数, 是在现场实际运行实验的基础上, 经 过多次修改以后确定的。该切换方案现场运行情况良好, 基本 能满足机组运行工况及给水全程控制系统的要求。 4 结束语 本文在对某电厂 300 MW 单元机组燃煤锅炉给水系统阀 门切换的改造过程中, 利用模糊控制技术, 根据实际运行状况 及运行资料, 通过大量的实验分析, 设计出切实可行的给水阀 门切换逻辑, 使燃煤锅炉给水系统给水阀门实现自动切换, 解 决了大容量单元机组燃煤锅炉实现全程给水自动控制所必须 解决的一个关键问题。在经济上, 本系统的投运, 不仅节约了 改造、 更换给水系统所需的大量资金, 同时, 由于机组的启动实 现自动, 大大缩短了启动时间, 使机组启动过程中消耗的燃料 量明显下降, 经济效益十分显著。在技术上, 本文提供了模糊 控制技术在实际控制工程中应用的一种思路。 参考文献 [ 1]王水秀 . 阳泉二 电 厂 锅 炉给 水 调 节 系 统 的 设 计 [ J] . 山 西 电 力 技 术, 1995, 15 5 35-39. [ 2]石兆三 . 模糊控 制在火 电厂 热力过 程自 动控制 中的 应用[ J] . 自动 化仪表 , 1994, 15 10 12-17. [ 3]LEE C C. Fuzzy logic in control system Fuzzy logic controller Part I[ J] . IEEE Trans SMC, 1990, 20 2 404-418. [ 4]RAJU G V S, ZHOU J. Adaptive hierarchical fuzzy controller[ J] . IEEE Trans SMC, 1993, 23 4 973-980. [ 5]张弈英 , 周俊霞 . 国 产 300MW 机 组 给 水 全 程 控 制 系 统 [ J] . 华 北 电力学 院学 报, 1994, 21 4 52-58. 213计 算 机 应 用 研 究 第 24 卷 SimonKRMRTBMShift轧Or 8 6 4 2 0 8163248128 bits of rules 图 4 预处理时间与规则位数关系 LKRRFCAC轧BMSY 6 4 2 0 4008001 2001 600 numbers of rules 图 5 模式匹配时间与规则数关系 LKRRFCAC轧BMSYLKRRFCAC轧BMSY 200 160 120 80 40 0 4008001 2001 600 numbers of rules 图 6 占用存储空间与规则数关系 4 3 2 1 0 4008001 2001 600 numbers of rules 图 7 预处理时间与规则数关系