智慧电厂干货｜火电燃煤机组APS的“傻瓜自动”（1/2）-北极星火力发电网

投稿

我要投稿

有一种相机俗称为“傻瓜相机”，这类相机最突出的特点是操作非常简单，被人调侃连“傻瓜”都能利用它拍摄出曝光准确、影像清晰的照片来。这是因为相机的焦距、对焦、快门、变闪光等操作都被高度自动化、智能化了。其实这里的“傻瓜”是对“智能”的反义标注。热工自动控制中有这种“傻瓜”操作吗？不瞒您说，真的有。本文介绍的模拟量自动调节回路“三态式自举切换”与“超驰纠偏”的珠联璧合形成的模拟量调节回路就具备类似“傻瓜相机”般的操作，工艺系统静止状态下把MCS调节回路投入“自动”，只需一下硬手操，后续的控制都由算法逻辑搞掂。我们给这种智能化、人工操作简便的MCS冠以“傻瓜自动”的名号并不为过。

APS启、停机组以顺序控制为主线，不过，从某种意义上来说，APS成功与否取决于模拟量自动调节而非顺序控制。机组设备运转后，APS要求自动调节回路“手动／自动”的投切、调节器“手动”投“自动”之前调节器入口偏差的纠正，一切都要由DCS自动完成而无需人工参与。在机组启、停乃至正常运行过程中，模拟量自动调节始终贯穿全程，调控机炉参数和负荷变化，尤其是锅炉燃烧自动调节、给水自动调节和汽机旁路自动调节构成了APS自动启动的三大支柱。机炉模拟量自动调节只有达到全工况、全过程和全自动的控制水平，APS才能真正实现“机组程序自动启停”。按设计要求和实际控制功能，APS只负责不投油稳燃负荷之前的机组启动和50％ECR以下负荷的机组停运。机组不投油稳燃负荷之前的启动过程，是设备启动和系统控制、调节最复杂多变的区间，相对于顺序控制，模拟量调节要动态应对更多样、更复杂、更多变的运行工况。

一、模拟量三态式自动调节

就变量特性而言，开关量逻辑组成顺序控制，模拟量运算实现PID调节，开关量是断续的但SCS自动过程可以是连续的，模拟量自动调节是连续的，但常规设计的MCS “手动→自动”切换却会产生断续。这是因为，MCS从“手动”投入“自动”有一个过程，首先需要人工手动调整过程参数（PV）接近给定值（SV），这种调节，我们定义为“纠偏”，两者的差值（Δ）减小到允许范围，再手动切换PID调节器工作方式，将模拟量调节回路从手动投到自动，PID调节才能转入“自动”。非APS的SCS顺控与MCS调节分别自成体系独立存在，相互间缺失逻辑交集，步进过程中开关量自动控制和模拟量手动操作各行其是，形成不了有机关联的整体而降低了自动控制性能。APS总体设计框架是步进程序控制，由顺序控制（SCS）与模拟量调节（MCS）两种特性不同的自动控制系统互联互动而成，在SCS连续的进程当中要求MCS“无缝自动”，否则会出现顺序自动控制过程中混搭手动操作。由此APS对模拟量自动调节提出了新的功能要求，作为APS实现全自动控制的基础条件。

1 、常规模拟量调节

在火力发电厂中，维持工艺参数恒定的模拟量自动调节（MCS）是机组控制的重要组成部分，MCS通常设计有两种工作方式，“手动”和“自动”,对应两种控制状态，自动方式下的PID闭环调节与手动方式下的人工远方操作。手动工作方式转为自动工作方式必须人工切投，工作方式一经切换，控制状态和工作方式同时生效，这就决定了MCS“自动”一定要在设备和工艺系统启动运行且参数正常后才能投入，常规模拟量自动调节回路手／自动切投原理见图1。

图1 常规模拟量调节回路手／自动切投原理图

2 、 APS的模拟量调节

随着顺序控制启动工艺系统，设备运转、参数提升，MCS需要适时投入自动调节，如果仍然采用人工切投选择工作方式，一方面开关量顺序控制在连续自动运行，而另一方面模拟量自动调节还需要经过手动调节、转换工作方式这一过程，600MW等级的燃煤机组模拟量自动调节计有110多个回路，对APS而言，这种自动控制与手动操作混搭的状况，成为散布在APS启动进程中的一道道路梗。如果设想，把所有自动调节回路“手动投自动”的操作都安排在顺序控制启动之前，并且将“调节回路已投自动”作为顺序控制启动的必要条件，在顺序控制过程中利用DCS的控制策略让MCS自动地投“自动”，APS步进顺序控制中就再也不会出现人工操作，成为纯粹的全工况自动，APS进程也就实现了全自动的设计目标。依据这种设想，APS中设计的模拟量自动调节回路工作原理如图2，有两种工作方式：自动和手动；三种工作状态：手动下的人工手操（MAN）、自动下的调节器自动伺服（Stand-By）和自动调节（AUTO）。特别指出，Stand-By功能提供了MCS实现全过程自动的机制，与带有智能化缺省自动联锁的SCS有机配合就能构建出全过程、全工况、全自动的控制，满足APS程序控制的要求。

3 、三态式调节M/A切换

三态式自动调节回路M/A操作器逻辑原理参阅图2。

1）手动工作方式

人工切换M/A操作器K1至“手动”位，K1-1和 K1-2的接点a-b同时接通，恒流给定器SG01与回路输出相连，手动调节恒流给定器SG01提供输出信号MV。数字信号给定器OFF01置与门AND02的输入端3 为“0”，进而使AND01输出为“0”，控制K2接点a-b闭合，调节器PI01 的输出It 自动同步跟踪执行器开度反馈If并始终相等，反相器NO001输出“1”，M/A操作面板显示“MAN”。

2）自动伺服（Stand-By）

人工切换M/A操作器K1至“自动”位，K1-1和K1-2的接点b-c同时闭合，K1-2接通数字信号给定器ON01，与门AND02的输入端3被置成“1”，K1-1接通调节器输出It即为MV，但It输出的是“自动调节”还是“同步跟踪”，要视条件逻辑运算结果，根据AND01输出状态而定。条件逻辑分两个层级，第一级为自动设备品质条件，取自组成调节回路的自动化仪表和控制装置，如热工信号测量变送器、被控对象调节执行机构和DCS过程控制I/O卡件等的工作状态，作为与门AND02的输入。第二级为工艺设备运行状态条件，用诸如动力设备、管路阀门、泵或风机的运行状态以及机组运行参数等表示，输入至与门AND01。如果装置条件符合，则AND02输入1、2端均为“1”，输入端3已经在“1”状态，AND02的输出即AND01的输入端4则为“1”，而工艺条件若不足，AND01输出为“0”，K2的接点a-b仍将闭合，调节器依旧维持同步跟踪If。我们定义这种工作状态为“自动伺服”（Stand-By），调节回路自动工作方式下的伺服状态，M/A操作面板显示 “Stand-By”。MCS调节回路在自动伺服工作状态既不能手动操作也不能自动调节。当然，另外设计有超驰控制功能的除外。

3）自动调节

当AND02输出为“1”，工艺条件也同时满足，AND01的输入端1、2、3都为“1”，AND01的输出被逻辑举升为“1”，令K2的接点a-b断开，跟踪被切除，调节器PI01开始处理来自偏差Δ01的输入信号Ix，经PID运算形成自动调节输出MV，即从调节回路自动工作方式下的伺服状态转为自动闭环调节状态，我们称这个逻辑过程为“自举”。M/A操作面板相应显示工作状态为“AUTO”。

图2 带有自举投自动逻辑的调节回路原理图

4）超驰纠偏

模拟量自动控制属定值调节，人工操作从手动切换到自动，通常都规定有一个适当的切换时机，要求调节回路过程测量值PV与给定值SV基本相等，也就是PID调节器的输入偏差Δ≈0。否则，在Δ值较大的情况下，强制调节回路从手动切到自动会对系统产生较大扰动，甚至造成回路调节振荡或发散而引发不安全事件。采用DCS逻辑自举投自动时会遇到与人工投自动时完全相同的问题，因此三态式自动调节回路设计有能够在自动伺服工作状态下平稳转向自动调节的无扰切换功能，也就是三态式自动调节的“超驰纠偏”（详细内容见文章“火电燃煤机组APS“傻瓜”操作的模拟量调节回路”）。

4 、三态式调节的特点

1)由于采用了控制装置品质条件以及工艺设备状态条件自举转换自动调节回路的工作方式，模拟量调节回路从手动到自动的过程经过一次人工操作和两次逻辑自举。人工操作属于“硬”触发，在DCS操作员站的M/A操作面板上完成。逻辑自举由控制逻辑完成，分两级“软”实现。因此，三态式MCS在工艺设备与系统尚未启动之前就可以投入自动方式，处于伺服（Stand-By）工作状态。

2)选择Stand-By作为允许APS顺序控制系统启动的必要条件，顺序控制设备状态作为APS模拟量三态式自动调节工作方式转换和超驰纠偏的充要条件，APS中的顺序控制和模拟量调节就结成了互动的关联体。顺序控制系统启动工艺设备后，模拟量自动调节回路的“超驰纠偏”逻辑，会自动地将MCS的控制水平从自动伺服提升到自动调节，避免了顺控自动与模拟量调节回路投自动阶段互不关联造成的手动、自动混搭现象。

3)模拟量“三态式”自动调节回路的M/A站和PID调节器在自动工作方式上功能是分离的。M/A站从手动切换到自动，并不意味着PID调节器就从跟踪状态直接转换到自动调节方式，只表明M/A站逻辑已经转为AUTO工作方式，在逻辑内部断开了手动操作给定信号，已经不能实施手动操作， M/A站接通了PID调节回路，其输出等于PID调节器的输出，至于调节器输出是PID对输入偏差的运算结果还是调节器的手动／自动同步跟踪输出，取决于PID调节器跟踪开关的状态。在图7.2中，K2＝“0”, a-b接通，调节器就处于跟踪状态，K2＝“1”，a-b断开，调节器转为自动调节。K2的开关状态由“三态式”自动调节回路自举逻辑控制。

4) Stand-by具备设备自检功能。控制装置品质条件逻辑能够在顺控系统启动之前自检本回路的检测仪表、控制装置是否正常。自检项目和逻辑控制如下：

1)DCS逻辑自检调节回路的PV信号、执行机构以及关联设备的品质。

2)符合品质要求，M／A站切入“自动”，调节回路转为自动Stand-by状态。

3)任一装置出现异常则无法进入Stand-by，仍维持在“手动”并发出安全警示。

二、常规／APS模拟量调节对比

表1 模拟量调节常规与APS设计功能对比

Stand-by设备自检功能的优点是常规自动调节回路所不具备的，三态式自动调节回路通过M／A站手动投自动的时机在工艺系统设备启动之前， M／A站人工手动切换自动过程中可利用自举逻辑提早发现热控装置异常。因为一旦出现异常自动调节回路就被锁定在“手动”状态，对引入了模拟量自动调节回路Stand-By工作方式作为启动条件的SCS系统将无法启动，能及时提醒检修人员消除故障，可以有效地避免在工艺系统已经运转起来后才发现自动调节装置存在缺陷而中断APS顺控进程，保证机组启动过程的正常节奏和效率。（未完待续）

《火电燃煤机组程序自动启停系统（APS）与智能控制》作者：王立地

可供大型火力发电厂、电力研究院、电力设计院、DCS生产厂家、火电安装调试等单位从事热工自动化、节能优化运行、智能电厂规划等专业的技术人员在生产培训、工程设计、系统调试、软件组态时借鉴应用，也可作为大专院校相关专业的辅助教材。