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王丽君1,王东风1,黄立颖2
(1.华北电力大学,河北保定071003；
2.北京通力环电气股份有限公司,北京101100)
摘 要：根据球磨机、中储式制粉系统运行特性和控制要求，以模糊控制理论、仿人智能控制理论、PLC技术为基础，提出适合不同被控过程的实用控制策略，成功地应用于制粉系统全过程自动控制。实践证明，该系统安全、经济，值得推广应用。
关键词：制粉系统；球磨机；模糊控制；仿人智能控制；PLC
目前，我国火电厂的锅炉制粉系统大多采用钢球磨煤机、中储式制粉系统，由于该系统具有强耦合、大时滞、慢时变等特点，而且球磨机磨内存煤量难以准确测量，人工操作或用传统的调节仪表往往难以达到理想的控制效果，普遍存在耗能高、自动控制困难等问题。随着计算机技术及控制理论的发展，制粉系统控制技术又重新引起人们的重视。本文根据制粉系统运行特性和控制要求，以模糊控制理论、仿人智能控制理论、PLC技术为基础，提出适合不同被控过程的实用控制策略，成功地应用于制粉系统全过程自动控制，不仅确保了系统的长期安全运行，而且使其工作在最佳工况，取得了明显的经济效益。
1制粉系统控制方案
以某电厂#5机组为例，制粉系统采用钢球磨煤机、中储式热风送粉，分为#1～#4制粉系统。统从制粉系统启动到正常运行直至停机的全过程称为制粉系统的全程控制。在启停阶段，主要是各风门和转机的顺序控制，而正常运行阶段主要是过程变量的连续控制。
在制粉系统的正常运行中，有3项任务：磨制出一定量的合格煤粉；对煤粉进行干燥；有必要的风量将磨制出来的煤粉吹走。即制粉系统的运行必须同时满足磨煤出力、干燥出力和通风出力的要求。为提高磨煤出力，需保持最佳的钢球装载量，可通过热力调整试验和定期补充钢球完成；为提高干燥出力和通风出力，在保证入口负压及出口温度不越限的前提下，应尽量开大热风门，关小压力冷风门。为保证磨煤机有较高的出力，减小电耗，一般情况下再循环风门、冷风门不参与调节。
一般认为，要实现球磨机的自动控制，关键要找到一个测量球磨机存煤量的有效方法。为此采用磨负荷变送器测量磨内存煤量，它是根据磨前轴承的振动频谱作为测量信号，并结合磨煤机差压及电流信号，利用模糊识别技术解决了异常状态下球磨机存煤量的检测与报警问题。由于测量手段的改进，与常规采用磨煤机进出口差压表征磨内存煤量相比，风门开度变化对磨负荷影响很小，可以忽略。这样，就可将磨负荷控制设计为一个单回路。另外，磨负荷信号对给煤量反应灵敏，线性度强，有助于磨负荷控制系统的投入。在磨入口负压和出口温度都正常时，根据优化算法，尽量加大给煤量，寻找最佳经济工作点，保证磨始终在最佳工况附近运行，从而降低制粉电耗。
研究人的宏观控制行为不难得出，对系统暂态响应的要求是快速、平稳；对稳态响应的要求是稳定、无差（准确），同时要求两者都具有较强的对付系统不确定性的能力。对于仿人智能控制来说，为了获得好的控制效果，关键还在于合理确定控制方式，实时选择大小和方向适当的控制量以及合理的采样周期和控制周期。为此，提出了一种多变量仿人智能模糊控制方案，它由仿人智能逻辑解耦回路、仿人智能多模态模糊控制器（简称IMFC）和仿人智能控制周期的在线自调整3部分组成，如图1所示。图中，yp，yt，yh分别为磨入口负压、磨出口温度、磨负荷；Rp，Rt，Rh分别为各回路的给定值，可在线设定；pmax，pmin分别为负压允许范围。下面分别介绍各部分。
1.1仿人智能多模态模糊控制器
模糊控制器具有良好控制效果的关键是有一个完善的控制规则，但对于高阶、非线性、大时滞、时变以及随机干扰严重的复杂被控过程，仅靠对操作者实践经验的总结或模糊信息的归纳，很难设计出适合于被控过程的所有不同运行状态下的控制规则。为此，笔者基于文献［2］［3］提出了归一模糊量化及带修正函数的模糊控制器的方法，设计了一种智能多模态模糊控制规则，规则如下：
其中E、EC及ΔU均为经过归一量化的模糊变量，其相应的论域分别为模糊控制器的误差、误差变化、增量式输出；α为修正函数，β为误差积分权重，且α，β∈（0，l）；∑E为智能积分项；符号＜·＞表示取最接近于“·”的一个整数；E1、E2、E3为根据专家经验设计的误差阈值，且E1＞E2＞E3。
当误差较大（｜E｜≥E1）时，按式（1）计算，对误差的控制作用给予较大的权重而加大控制量，以便尽快消除误差，提高响应速度。只有当｜E｜＜E1之后，方可考虑别的特征和相应的控制模式。
当误差逐渐增大背离设定值（E×EC＞0）或为误差变化的极值点（EC=0且E≠0）时，按式（2）计算，除了采用常规模糊控制外，应加积分控制作用，以便通过对误差积分而加强控制作用，使系统输出尽快回到稳态值。反之，当误差逐渐减小趋于设定值（E×EC＜0）时，若再继续施加积分作用势必造成系统超调，此时应停止积分，以利于系统借助于惯性向稳态过渡。这种有选择性的积分即为智能积分，它可使积分作用更加符合人的控制特征，较好地解决了常规积分引起的稳定性与准确性间的矛盾，即在保持较大积分作用的基础上，有效地克服了超调带来的系统振荡。
当误差逐渐减小趋于设定值（E×EC＜0）但误差仍较大（｜E｜＞E2）时，系统还受到模糊控制作用的制约，此时，为避免系统响应的超调，应对误差变化给予较大的权重，如式（3）所示。
当系统接近稳态（E×EC＜0）而存在较小误差（｜E｜≤E2），或系统进入死区（｜E｜≤E3）时，控制器切换至保持模式，如式（4）所示。保持模式具有类积分功能，能够克服常规模糊控制器的不足，消除残差而实现精确的控制，但是却没有积分器那样的易造成系统不稳定的缺点；另外，增加死区功能，可避免执行机构频繁动作。
3个控制回路均采用该模糊控制器。因为负压回路响应速度快，不必考虑误差变化，控制规则直接采用（1）式。实践证明，该算法比常规PID控制有更快的动态响应特性，更小的超调，比常规模糊控制具有更高的稳态精度。
1.2仿人智能逻辑解耦
球磨机实际上是一个多变量互相耦合的复杂控制系统，无论改变压力冷风门开度、热风门开度、给煤量中的任何一个量，都会影响其入口负压、出口温度及进出口差压等。对于如此复杂的多变量系统，常规单回路调节器显然达不到要求，若强行将其间的相互联系割裂开来，只能顾此失彼，得不到理想的控制效果，这是各种改进方案不能成功实现的根本原因。此外，因诸多复杂因素和干扰因素的影响，要准确求出各变量间相互关系的数学表达式也几乎不可能，即用数学方法解耦无法做到。因此，在确定控制方案时，不再简单地将磨煤机出口温度与热风门开度或给煤量对应，入口负压与压力冷风门或热风门开度对应，而是综合考虑各个参量之间的相互影响，作为一个整体来考虑。例如，负压偏高（实际值）且温度偏低时，若按单回路考虑，则分别关小压力冷风门以降低负压，开大热风门以升高温度，但是由于回路之间的耦合作用，本来负压已经较高，若此时再开大热风门势必造成系统冒正压。而对于有经验的操作人员，只适当关小压力冷风门，既降低了负压，又升高了温度，一举两得。而且，当原煤比较潮湿、热风温度偏低或给煤偏多时，压力冷风门已经关到下限，负压仍偏高且温度偏低，正确的控制策略是及时减小给煤量，甚至关小热风门，以确保系统不冒正压。
为此，仿照人的操作逻辑思维，对耦合回路进行智能解耦，将入口负压和出口温度分别以设定范围和给定值为中心划分区域，根据落在不同区域来确定何时用压力冷风门进行调节，何时用热风门进行调节，何时调节给煤量。确定调节方式的原则如图2所示，共分为5个区域，Ⅰ或Ⅲ：关或开热风门；Ⅱ：若压力冷风门没关到下限时，关压力冷风门，否则减小给煤量甚至关热风门以保证系统不冒正压；Ⅳ：开压力冷风门；Ⅴ：正常运行区域，风门不动作。et＝Rt－yt——温度回路的偏差信号；etmax、etmin——根据专家经验设计的误差阈值，可在线设定。
1.3仿人智能控制周期的在线自调整
制粉系统的被控参数具有不同程度的时间滞后，给过程控制带来了困难。模糊控制虽具有良好的抗噪性能，但是常规的模糊控制规则集中并没有包含对象纯滞后信息，为此，模拟人的调调——等等——看看的操作方式，提出了开环、闭环相结合的变结构智能控制模式。当系统受到扰动时，控制器根据算法输出当前时刻的输出值，调节时间达TC后，则相应的控制器进入保持状态，即采用开环控制模式；等待时间达TW后，则控制器重新采用闭环控制模式。这种模式巧妙地避开了滞后所带来的不利影响，成功地解决了系统稳定性问题。
对于制粉系统，控制器输出若连续向某个方向动作，例如连续开/关热风门或增/减给煤量，容易引起能量的正向或反向积累，从而造成系统超调、出现振荡等。为此，仿效人的手动控制中变控制周期的策略，在上面控制算法的基础上，又增加了仿人智能控制周期的在线自调整，调整原则：对控制器当前时刻和上次输出进行逻辑判断，若同号，计数器开始计数。一旦达到规定值，则根据模糊优化算法自动缩短控制时间，延长等待时间，同时计数器清零；否则控制时间和等待时间保持不变。相反，若异号，计数器清零，控制时间和等待时间恢复初始值。
实践证明，这种控制器与采用不变的控制周期进行控制相比，在跟踪与抗干扰方面，其快速性及准确性有明显提高，并容易编程实现。
1.4自动启停控制
根据粉仓粉位的高低或电网负荷的变化，需要随时启停制粉系统。以前设计的制粉系统启停采用传统的继电器作为控制设备，不但控制功能受到限制，而且硬接点易老化、松动，经常出现误动作，直接影响制粉系统的正常运行；另外制粉系统的启停涉及到所有制粉设备的操作，而且这些操作必须严格按照规程进行，手动操作繁琐不便。这就要求制粉系统能有一套逻辑准确、保护功能可靠的自动启停控制系统。在这次改造中，由PLC采用梯形图编程实现制粉系统程序控制。根据S7-200 PLC的特点及制粉系统程控系统的情况，按照功能主要分为自动启动、正常调节、自动停止、联锁保护、油压保护和通讯等模块，由于篇幅有限，各模块功能详见文献［4］。
2硬件系统
为便于现场人员操作以及保存调试和运行期间的数据，系统采用两级分布式控制系统，硬件系统结构如图3所示。上位机采用一台研华工控机及其系列采集卡，担负的主要任务是采集现场各模拟量信号并进行数据处理，然后结合下位机状态参数进行判断。若制粉系统在正常运阶段，则按照模糊控制算法产生实时决策方案，并将操作指令传达到下位机，实现对制粉系统的过程控制。此外，还提供软手操和显示界面、历史数据存储及系统自诊断等功能。
下位机由5台SIMATIC S7-200可编程序控制器构成。每套制粉系统对应1台PLC系统，另外1台PLC热备。每套制粉系统有13个接点型开关量输入，34个继电器接点输出，选用SIMATIC CPU-214外加扩展继电器输出(EM-222）5块，每块有8路继电器输出。PLC主要负责制粉系统的启停顺序控制，包括给煤机、磨煤机、排粉机及与之相关联的各执行机构的自动启停控制，以及各种事故或跳闸情况下的联锁保护；另外完成开关量输入信号的采集处理，并根据上位机的命令分别完成系统自检、数据传送、控制输出等任务。
上位机与PLC之间通过RS-485总线通讯，采用自由口通讯模式，这样，总线通讯完全由用户编程实现控制。
3结束语
制粉系统全程模糊控制系统已成功应用于某电厂#5机组制粉系统的控制改造中。经3 a多现场运行表明，该控制系统总体设计合理，控制安全可靠，界面友好，操作简单，大大提高了电厂自动化水平，减轻了运行人员的劳动强度，是模糊控制理论、仿人智能控制理论、PLC技术及工控机相结合完成制粉系统过程控制的一次有益尝试。根据实际运行报表统计，该控制系统投入后，与手动操作相比，制粉系统耗电率下降了3～5 (kW·h)/t，节能效益显著，值得推广应用。
参考文献
［1］周海平,周建新.中储式球磨系统计算机控制的开发［J］.华东电力,1994，(8).
［2］李士勇.模糊控制·神经控制和智能控制论［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1996.
［3］李遵基,王丽君.模糊控制理论在球磨机制粉系统中的应用［J］.华北电力大学学报,1997，(1).
［4］王东风,李遵基.PLC在电站制粉系统中的应用［J］.基础自动化,1999，(3).
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