摘要：在我国火电厂大型机组上，集通信技术、控制技术、计算机技术和图形显示技术于一体的集中管理分散控制的集散控制系统DCS已经得到广泛的应用，并在机组的监控、管理和安全运行方面发挥着越来越重要的作用。然而，到目前为止，我国自行研制或者引进的各种DCS都采用PID控制作为其基本控制策略，其控制效果较原始的手动控制虽然有明显的改善，但是对一些重要的热工自动控制系统，如汽温控制、燃烧控制、机组远程调度控制、机炉协调控制等，简单的PID控制无法长期、稳定、有效地对这些热工过程实现有效的控制。在火电厂过程控制中，先进DCS的潜能没能得到充分发挥，也使DCS的性能／投资比大为降低。因此，智能化控制技术手段取代常规控制已成为火电厂DCS控制技术发展的必然趋势。
关键词：火电厂；集散控制系统；通信；OPC；
基于OPC通信技术的后台复杂控制算法应用程序的集散控制系统（DCS）构架。利用组态软件，设计了针对火电厂主蒸汽温度的DCS监控界面。采用组态软件ForceControl R自带的PCAuto.OPCServer作为OPC服务器，利用Simulink工具箱搭建系统现场的仿真框图，并采用工具箱自带的OPC接口与组态软件OPC服务器建立一个连接。同时利用MATLAB编写与OPC服务器建立另一个连接的后台控制算法应用程序，并将该程序编译成可执行文件以供组态软件随时调用。通过对该系统的仿真实验表明，该系统运行稳定、可靠。
一、火电厂DCS及其通信存在的问题
1.火电厂DCS控制技术。在大型火电机组中，热工自动控制有30多个主要控制回路。这些热工过程多数采用以PID为基础的常规控制策略。PID控制的优势一方面在于简单可靠，而且早已被工程技术人员普遍接受；另一方面在于其鲁棒性较强，对控制系统的先验性知识要求较低，对过程模型的依赖程度较低。但是由于火电厂的生产过程特点是分布参数、非线性、多变量、大扰动和有较大滞后，常规PID控制难以对其实现有效控制。常规PID控制的缺点主要表现在2个方面：第一，不适用于大滞后对象的控制；第二，对负荷变化的适应性较差。
2.火电厂DCS通信技术。当前火电厂DCS中，现场传感器、控制仪表以及工业计算机等硬件设备与工业组态软件之间采用的通信方式繁多。由于技术和知识产权壁垒，商家所采用的传感器、自动化仪表等硬件设备的标准不同，其数据传输协议和方式也不统一，当因构建大型、复杂的DCS而需要多家设备集成时，其通信协议的转换和协调不仅提高了成本，延长了开发周期，还会因为协议转换和沟通的附加环节而使得系统的实时性和稳定性下降。鉴于组态软件在复杂控制算法的实现方面的缺陷，要使智能控制技术应用于火电厂DCS中，必须借助于其他软件开发平台，如MATLAB、VC等。该方案的实现，首先要解决的问题就是智能复杂控制算法软件包如何从DCS中获取需要的数据信息，以及设计的智能复杂算法控制器利用这些数据信息计算出控制量后，如何将控制数据发送到DCS中。除此之外，二者各自的数据格式也是一个不容忽视的问题。只有解决了上述问题，才能将智能控制算法应用到火电厂的热工控制DCS中。
二、系统构架
当前，在火电厂DCS中，对现场生产过程的控制多数是由在监控室中的工程技术人员根据现场传输回来的数据信息，并结合自己的经验对相应控制参数进行人为手动调整完成的，这种控制方式对工人的操作经验有过高的依赖性。也有一些DCS对某些参数的控制采用了诸如PLC等现场设备的硬件来实现，这虽然可在一定程度上提高控制效率，但是如果算法过于复杂，其硬件实现就很困难。基于OPC通信技术，设计了嵌入有复杂智能控制器的DCS。该DCS充分利用了算法编程软件在复杂算法实现方面的优势，实现对工业过程的复杂、智能控制，并且无需对原DCS进行大的改动，其控制效率也远高于传统方式。系统运行后，DCS按照一定的采样周期从生产现场采集实时数据。这些数据一方面显示于系统的监控界面上；另一方面被存储到DCS的历史数据库中，以备查阅使用。而后台的控制器一旦被DCS唤醒，将按照事先设定的周期通过OPC数据交换通道读取DCS中的实时数据，并利用这些数据信息计算出控制量，再及时将该控制量通过OPC数据交互通道传递到DCS实时数据平台，由该平台向工业现场控制器发出相应的控制指令，从而完成一个控制周期循环。后台控制算法按照设定的周期，重复以上过程，直至收到DCS实时数据平台发出停止指令。
三、火电厂主蒸汽温度系统仿真实验设计
1.DCS的构建。基于系统架构，原有DCS无需进行大的改动，只需在DCS实时数据库中增加被控对象的控制量，并在DCS中添加启动后台控制器的相关指令即可。为验证该系统架构是否合理可行，利用北京三维力控有限公司的组态软件Forcecontrol 6.1设计了火电厂主蒸汽温度DCS。在系统界面中，主蒸汽温度设定值为系统的输入量，即期望的主蒸汽温度稳定值，由操作人员根据需要来输入；主蒸汽温度则是被控对象的实际输出量；减温水流量的大小则反映出后台控制算法的计算结果，即控制器输出的控制量。
2.OPC接口程序的设计实现。火电厂主蒸汽温度系统的智能复杂控制器由MATALB语言编写实现，控制算法通过OPC接口程序与DCS交换实时数据。MATLAB为OPC提供了专门的接口程序以供创建和配置OPC对象、读写和记录数据。后台控制器可以通过MATLAB中的OPC工具箱提供的相应函数或Simulink中的OPC功能模块实现与ForceControl 6.1的数据通信。
3.后台控制算法。鉴于PID控制器的性能优良并且已被多数火电厂控制人员掌握和熟练使用，后台控制器仍选用PID控制为主要控制手段。但是，由于主蒸汽温度控制系统大滞后、强耦合以及时变等特性，采用参数固定的PID控制器很难实现对系统的有效控制，而且PID控制器的参数调整也是一个较为复杂的过程。为了很好地解决常规PID控制参数难以调整和对精确模型的依赖性问题，出现了模糊自整定PID控制系统。通过在控制器的前端加一个推理机，推理机根据系统当前的状态，选择相应的调整规则，实现对PID参数的实时调整。对于PID控制器的初始化参数，可以根据系统的大致模型，利用经验公式获得一个初始值，然后在此基础上按式（1）—（3）进行在线的整定修改：
整定后的控制系统可以按照要求，达到预期的控制指标。同时控制规则还可以根据不同的控制对象以及对性能指标的不同要求，灵活合理地修改控制规则。模糊推理系统的输入为系统期望输出设定值与系统实际输出值的偏差E及其变化率Ec，而推理系统的输出分别对应于PID控制器的3个参数的修正值，即ΔKP、ΔKI、ΔKD。推理系统采用在线控制的方式，实时地根据E和Ec的值，采用相应的控制规则以实现对PID控制器各个参数的在线整定。PID参数的整定必须考虑3个参数对系统性能指标的影响以及相互之间的互联关系。根据经验，可归纳出在一般情况下，对于不同的E和Ec被控对象对参数KP、KI和KD的部分要求为：当E较大时，应取较大的KP和较小的KD以使系统响应加快，且为避免较大的超调，故去掉积分作用，即KI=0；当E大小适中时，应取较小的KP和适当的KI、KD，以保证系统的响应速度；当E较小时，应取较大的KP和较大的KI，KD的取值要恰当以避免在设定值处出现振荡；当Ec较大时，KD可取大些；当Ec较小时，KD应取小些。将系统误差E、误差变化率Ec以及PID控制器修正值ΔKP、ΔKI、ΔKD的离散论域分为7个等级，并选择语言变量负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）来描述这7个等级。
对火电厂主蒸汽温度控制系统的仿真实验，证明了该系统构架的合理可行，而且控制器能够满足系统实时性的要求。这为智能控制技术在诸如火电厂等大型工业过程控制中的普遍应用提供了一种有效途径。
参考文献：
［1］宋伟强.火电厂热工自动化综述.2017.
［2］章燕.浅谈基于OPC通信技术的火电厂DCS后台控制.2017.
论文作者:张学东
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/13
标签：火电厂论文; 系统论文; 控制器论文; 算法论文; 参数论文; 数据论文; 组态论文; 《电力设备》2018年第18期论文;