火力发电厂水汽采样和化学加药控制系统毕业论文设计

第一章 绪论

1.1课题研究的意义

近年来，我国经济迅速发展，生产力不断提高，电力作为经济发展的动力得到了迅速的发展。为了节省能源和保护环境，提高火力发电的经济性，大容量超临界机组因其能源利用率高、经济性能好而得到快速发展，已在世界发达国家广泛使用。随着科学技术的发展及计算机更新升级，先进的控制策略、专家系统、现场总线和智能变送器的广泛使用，将有利于节约投资，降低能耗，便于维护和提高火电厂安全、经济运行水平。

热工自动化是火电厂不可缺少的组成部分，而热工自动化的水平又是现代火力发电技术和管理水平的综合体现。这主要有两个因素推动，一个是DCS，另一个是协调控制系统。DCS在电厂的普及使用，为火电厂热工自动化技术的发展奠定了基础。而协调控制系统在单元机组普遍投入，使火电厂热工自动化达到前所未有的新高度。目前广泛采用以微机为核心的DCS，其可靠性很高，可依赖性强，可以充分发挥自动化的功能，并取得了很好的安全和经济效益。在热工自动化系统采用开放的工业计算机系统和远程智能I/O，有利于减少信号电缆，降低造价；使用先进的控制策略、专家系统、可充分发掘DCS的潜力，解决一些老大难问题，进一步提高电厂安全和经济运行。

由于火电机组越来越大，对机组热工自动控制系统控制品质的要求也随之提高。为了保证单元机组的正常运行以及高度的安全性、经济性，对单元机组的自动化水平提出了更高的要求。由于单元机组存在着大迟延、大惯性和严重的非线性及扰动频繁等特点，传统的控制方法已经不能满足电网对机组的要求，用先进的智能化控制策略取代常规控制策略成为火电厂过程控制发展的趋势。目前，由于现有的给水加药控制系统运行不稳定，加药方式多采用手动间歇控制或是采用传统PID算法的自动控制，工作费时费力，控制精度又不高。为提高系统的自动化水平有必要研究新型的控制系统和控制策略，提高加药控制系统的准确性、快速性和鲁棒性。

1.2国内外研究现状及趋势

近年来，美国等发达国家对火电厂水汽监控方面做了大量研究，提出最佳的化学监控管理方案仍然是核心问题。自动化先进的发达国家拥有先进的设备和控制技术，其电厂监控自动化水平已经很高，但相对于快速发展的电力系统的要求来说，仍还有不足。

在我国大容量机组的发电厂热工系统发展迅速，而电气系统的整体控制水平则进展较慢，造成整个机组监控不协调，且在监控、管理技术上和国外水平有较大的差距。现场总线技术的发展和发电厂设备微机化程度的提高，为以数字通信方式建立电气监控管理系统提供了技术上的保证。发电厂电气监控管理系统是进一步提高电厂自动化水平，特别是电气运行管理水平的必然趋势，采用电气监控管理系统新建或改造发电厂DCS系统将节省可观的投资。而且，目前我国发电厂在控制上往往采用简单的PID控制，这也使控制能力大大降低。

自九十年代以来DCS系统在我国开始推广且不断走向成熟，为我国电厂自动化水平的提高做出了很大的贡献，同时也不断暴露出它的许多不足之处。以太网由于其开放性好，使用广泛以及价格低廉等特点，被工业控制系统都是采用以太网来统一管理层通信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接口，因此可以说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。现场总线控制系统(FCS)由于其彻底的开放性、分散性和完全互可操作性等特点，工业控制大量采用它做现场控制。总线技术和以太网通讯技术作为电厂DCS系统的补充，再加上先进的控制技术，将大大提高电厂控制自动化水平。

对照国内外研究的情况，不难看出加药系统未来的发展方向： (1)进一步加强环境保护意识，真正确立“绿色”无公害的加药系统。 (2)消灭化学原因的炉管漏爆事故，消灭汽轮机低压叶片、叶轮的腐蚀和积盐，取消锅炉化学清洗。

(3)从配药到加药全面实现自动控制，真正实现全自动无人值班。 (4)针对系统时滞的特点运用智能控制理论分析并建立智能控制系统。 (5)充分挖掘加药系统的潜力，使加药系统的功能向灵活化、多元化发展，实现监测和控制的一体化、网络化和智能化。

1.3本文的主要研究内容

通过工作实践和调研，并阅读了大量的资料文献，了解到目前我国热电厂水汽采样和化学加药控制系统存在着诸多问题，针对这些问题本文从硬件控制结构和控制算法两个方面提出了解决方案。

系统分为上、下位机两部分。

上位机部分采用工控机和组态软件进行监控，这部分要对计算机系统进行配置，编辑人机界面。友好的人机界面应能实现以下功能：实时显示现场信息；随时的历史数据库查询；定时打印和报警专家系统。计算机、组态软件和工业以太网作DCS的子站的管理层。

下位机选用西门子S7-400H的热备冗余系统，通过工业以太网和上位机和电厂的DCS通信，用Profibus 总线扩展三个远方从站，控制现场的数据的采集和化学加药。

同时还要研究现场信号采集和传输、DCS中现场总线的通信问题和冗余系统的容错问题。

针对化学加药系统的大时滞的特点，本文将模糊自适应PID控制使用于化学加药系统，代替手动加药系统和传统的PID控制，由于目前的各种先进的控制理论在电厂的化学加药系统中使用都处在研究阶段，本文将给出其仿真曲线说明其可行性。

因此，本论文研究的是一种利用总线系统做现场控制，以以太网系统做监控管理，结合DCS系统再加上先进的模糊控制技术，由现场控制层、监控层和企业管理层组成的先进完整的电厂水质监控管理系统。

第二章 电厂水汽监控系统介绍

2.1电厂DCS系统介绍

2.1.1DCS系统简介

DCS是分散控制系统(Distributed Control System)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。

2.1.2电厂控制级功能简介：

厂级管理工作站的功能：管理全厂的运行自动化。即全厂经济管理(EDC)；自动发电控制(AGC)；自动电压控制(AVC)；事故分析及事故处理；历史数据保存及检索管理；系统授权管理；运行报表打印等。

操作员工作站 操作员工作站是全厂集中监视和控制的中心及人机接口，用来实现热电厂的实时图形显示、各种事件的发布、各种报表显示、报警和复归的显示、系统自诊断信息的显示、设备的实时控制操作和调节、系统配置等各种操作处理。操作员工作站还作为厂级管理工作站部分功能的备用。

工程师工作站 工程师站除具有程序开发、调试以及培训仿真等功能外，并兼有操作员工作站的全部功能，还作为操作员工作站的冷备用。

通讯处理站的 通信处理机站是电厂监控系统和其他系统的输入/输出接口 ，可和广域网连接，仅允许电厂计算机监控系统向生产管理系统单向传输数据和信息，通信介质为屏蔽电缆。

电话语音报警处理站 电话语音报警处理站主要负责语音、电话报警。 打印处理站 处理电厂控制级的文件打印任务。

2.2火电厂水汽系统

在火电厂的热力系统中，水和蒸汽作为工作介质完成能量的传递和转换。水在火力发电过程中主要有两个循环系统:一是热力循环系统；二是冷却循环系统。在热力