1 引言
鍋爐是發電廠及其它工業企業中最普遍的動力設備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過燃燒轉化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設備。目前，國內大多數工業鍋爐都是人工控制的，或簡單的儀表單回路調節系統，燃料浪費很大。工業鍋爐作為一個設備總體，有許多被控制量與控制量，擾動因數也很多，許多參數之間明顯地存在著復雜的耦合關系。對于工業鍋爐這個復雜的系統，由于其內部能量轉換機理過于復雜，采用常規的方式進行控制，難以達到理想的控制效果，因此，必須采用智能控制方式控制，才能獲得最佳控制效果。
2 系統的組成
系統運行的示意圖如圖1所示。
圖1 系統運行示意圖
由圖1可知，燃料和空氣按一定比例進入燃燒室燃燒，產生的熱量傳遞給蒸汽發生系統，產生飽和蒸汽，經負荷設備調節閥供給負荷設備使用。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經引風機送往煙囪排入大氣。
鍋爐是個較復雜的調節對象，為保證提供合格的蒸汽以適應負荷的需要，生產過程各主要工藝參數必須加以嚴格控制。主要調節項目有;負荷、鍋爐給水、燃燒量、減溫水、送風等。主要輸出量是:汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、過剩空氣等。這些輸入量與輸出量之間是互相制約的，例如，蒸汽負荷變化時，必然會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度的變化;燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、空氣量和爐膛負壓等。對于這樣復雜的對象，工程處理上作了一些簡化，將鍋爐控制系統劃分為若干個調節系統。主要的調節系統有:
(1) 汽包水位調節系統
被調量是汽包水位，調節量是給水流量，它主要考慮汽包內部物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸發量，維持汽包水位在工藝允許范圍內。
(2) 過熱蒸汽溫度調節系統
維持過熱器出口溫度在允許范圍之內，并保證管壁溫度不超過允許工作溫度。
(3) 燃燒調節系統
使燃料燃燒所產生的熱量適應蒸汽負荷的需要;使燃料量與空氣量之間保持一定比例，以保證經濟燃燒;使引風量與送風量相適應，以保持爐膛負壓穩定。
這里將討論鍋爐汽包水位調節系統、燃燒調節系統及蒸汽溫度調節系統。
2.1 系統的檢測信號及鍋爐的控制任務
鍋爐設備的檢測信號包括:蒸汽流量、汽包水位、汽包蒸汽壓力、加水量、爐膛負壓、鼓風量、煙氣含氧量、當已知檢測信號的情況下，鍋爐的控制任務是:在用戶蒸汽機需要的情況下，PLC控制加水閥、輸煤量、鼓風量與引風量，使保持鍋爐汽包水位穩定，蒸汽壓力穩定，爐膛負壓穩定，煙氣穩定，使燃料能量最充分地燃燒，以取得最大的熱效率。
2.2鍋爐的主要控制流程
(1) 鍋爐水位控制流程
水位自動控制的主信號為水位差壓變送器輸出的信號。前饋信號可以取水壓力的變化，以補償給水母管的壓力波動;取蒸汽流量的變化，以補償負荷的波動。其控制框圖如圖2所示。
圖2 鍋爐水位控制系統
(2) 蒸汽溫度控制系統
為控制過熱蒸汽的出口溫度，設有表面式或噴水式減溫器。增加進入減溫器的水量即降低主蒸汽溫度。
該回路的主要信號是主蒸汽溫度。前饋信號可以取減溫器前的蒸汽溫度，還可以取給水流量。對表面式減溫器，主蒸汽溫度的變化和經過減溫器的給水量有關，因而與水位控制有耦合作用，即水位波動而調節給水閥時會影響到主蒸汽溫度。因主蒸汽溫度變化而調節減壓閥也影響到水位。為此，設有分配閥。
由此可知，給水閥、減壓閥的分配控制是耦合的，要采取解耦措施才可以使水位和蒸汽溫度能控制在允許的偏差范圍內。
蒸汽溫度的控制流程圖見圖3所示。
圖3 蒸汽溫度的控制框圖
(3) 鍋爐燃燒過程控制
對拋煤機倒轉鏈條爐來說，燃燒自動控制包括控制主蒸汽壓力和最佳的燃燒工況。通常根據主蒸汽壓力的變化控制給煤量并控制爐排轉速來控制煤在爐膛中的燃燒時間，當給煤量變化時，要相應地改變一次風和二次風，使不完全燃燒損失和排煙損失之和為最小，即鍋爐燃燒效率為最高。氧化鎬可用來測量煙氣中含氧量。可由含氧量來判斷燃燒工況是否處于最佳狀態。另一種方法為根據該爐實際燃燒的情況，找出煤量和風量在不同負荷下的關系曲線，把它存在計算機中，按這一經驗曲線進行燃燒自動控制，當煤種或運行工況有較大變化時，可重新設置這一曲線。另外可按智能控制和專家控制的方法自動尋找最佳的燃燒工況。
鍋爐燃燒過程控制的流程圖見圖4。
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圖4 鍋爐燃燒過程控制系統
該系統根據主蒸汽壓力來控制給煤量，并取蒸汽和汽鼓壓力的變化為前饋量。PLC輸出到給煤機的信號作為爐排轉速的控制信號，并作為一次風的前饋信號。
一次風的控制算法有三種:
?一種是按氧量儀進行控制;
?威另一種按風煤比的關系曲線進行控制;
?第三種為按智能控制算法進行自尋優控制。
PLC輸出給一次風執行器的信號也作為二次是按風的控制信號及引風控制的前饋信號。引風門的控制可使爐膛負壓控制在微負壓狀態，既不使爐膛內的煙灰噴出爐外，又不使大量冷空氣漏入爐內，影響鍋爐效率。
3 PLC控制系統結構
3.1 PLC控制系統的組成
PLC控制的結構如圖5所示。控制設備選用德國SI-EMENS公司的PLC系列可編程序控制器。系統配有一臺上位機和一臺下位機。通過數據通訊網絡，彼此相連。下位機的CPU模板采用PLC SIMATIC S7可編程控制器，上位機采用臺灣研華公司的工業控制機IPC。
圖5 PLC控制系統的結構圖
系統配置的軟件有S7-400編程軟件和SIMATIC WinCC全面開放的新一代人機界面監控軟件。STEP 7-400用于PLC的編程、調試和生成各種程序文檔，SIMATIC WinCC用于實現人機接口功能。
鍋爐控制系統由鍋爐本體，一次儀表、微機、手/自動切換操作器、執行機構及閥、滑差電機等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力，流量，氧量，轉速等熱工參數轉換成電壓、電流或電阻值輸入PLC。手/自動切換操作部分:手動時由操作人員手動控制，用操作器控制滑差電機及閥等，自動時由PLC發出控制信號經執行部分進行自動操作。PLC對整個鍋爐的運行進行監測、報警、控制，以保證鍋爐正常可靠地運行。
除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進行PLC系統設計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數應設置常規儀表及常規報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發生重大事故。
3.2 燃燒過程的模式識別與智能控制
燃燒過程的模式識別與智能控制結構圖如圖6所示:
圖6 燃燒過程智能控制結構圖
這里給定量為給煤量、送風量、引風量等;被控量為蒸汽溫度、蒸汽壓力、煙氣含氧量、爐膛壓力蒸汽流量等。
本系統設計了一個專家控制器。
(1) 專家控制器的基礎是知識庫
專家控制器由經驗數據庫和學習與適應裝置組成。圖6所示的為工業鍋爐燃燒專家控制器的結構框圖。圖6中知識庫用于存入有關工業鍋爐燃燒過程控制的專家知識，包括有經驗的鍋爐操作人員和控制工程師手動操作調整的綜合經驗與判斷能力。其中經驗數據庫主要存儲經驗和事實數據，學習與適應裝置的功能是根據在線運行獲取的信息補充或修改知識庫的內容，對鍋爐熱效率進行自學習尋優。鍋爐專家控制器在某一工況下，可以通過改變鼓風量，搜索到鍋爐燃燒熱效率的最高點，按此時的最佳風煤比設定鼓風量、拋煤機轉速和爐排轉速并把這些數據補充到知識庫中，從而可以實現鍋爐的節能經濟運行并改善系統的動態特性。
(2) 建立知識庫
建立知識庫的主要工作是如何表達已獲取的知識。專家控制器的知識庫用產生式規則建立，其中每條規則都可以獨立地增刪修改，使知識庫的內容便于更新。控制規則集是被控過程的各種控制模式和經驗的歸納和總結，當規則條數不多，搜索空間很小時，推理機構可以采用向前推理方法，逐次判斷各規則的條件，滿足則執行，否則繼續搜索。
(3) 特征識別與信息處理
這部分的作用是實現對信息的提取加工，為控制決策和學習適應提供依據。它包括抽取動態過程的特征信息、識別系統的特征狀態，并對特征信息作必要的加工。在鍋爐專家控制器中，通過主蒸汽流量和壓力的測量值及計算一段時間內的累加值，就可以判斷蒸汽負荷的增減，通過爐膛溫度的測量值及增量和累加值，就可以判斷鍋爐的燃燒狀況，從而為下一步控制決策提供依據。
利用上述方法，在負荷波動較大時搜索最高爐溫。在負荷平穩時搜索最佳風煤比以獲得最高的鍋爐效率。此外還可采用分層遞階智能控制算法。
4 結束語
經過對武鋼能源總廠工業鍋爐控制系統的反復調試與不斷改進，生產過程的自動控制得以實現，生產效率明顯提高，節能效果十分顯著，取得了良好的經濟效益和社會效益，受到了生產廠的一致好評。該系統的設計思路及設計技巧對其它相似過程的控制也具有一定的借鑒作用。
實踐證明，鍋爐這種具有大慣性、純滯后、非線性的多變量系統，各變量間相互耦合，干擾因素多，數學模型不易建立，某些參數難以檢測，燃料發熱值及壓力頻繁波動情況下，用常規方法不能進行有效控制，應用智能控制及模式識別技術，能夠收到滿意的控制效果。