西门子PCS7在干熄焦锅炉过热蒸汽温度串级控制系统中的应用
摘要：锅炉过热蒸汽的品质和稳定是干熄焦经济效益的重要体现，由于温度和流量都是滞后环节，文中采用串级控制系统进行调节，并对其进行详细介绍，与单回路控制系统进行比较。结合西门子PCS7编程软件环境， 介绍了串级控制系统在该软件中的实现。该方法广泛应用于全国多个干熄焦过热蒸汽温度控制系统中，并取得了良好的控制效果。
关键词：PCS7；串级系统；温度控制；PID控制器
Application of SIEMENS PCS7 in Cascade Control System of CDQ Boiler
Overheating Steam Temperature
Abstract: The quality and stability of boiler overheating steam is important for economic benefit of CDQ. Because of the time-delay of temperature and flow, the paper chooses cascade control system, introduces it in detail, and compares with the single-loop control system. At the same time, it introduces the method of cascade control system with the software of SIEMENS PCS7. The method has been successfully applied in lots of CDQ boiler overheating steam temperature control system, and the result is pretty effective.
Key words: PCS7; cascade system; temperature control; PID controller 0 引言
干熄焦(CDQ,Coke Dry Quench)余热锅炉是利用吸收了红焦显热的高温循环气体与除盐除氧纯水进行热交换，产生额定温度和额定压力蒸汽，并输送给汽轮机的一种受压、受热的设备。
在干熄焦系统中，过热蒸汽输送到汽轮机进行发电，这是干熄焦经济效益中的最重要的环节，因此，对过热蒸汽的温度稳定性要求很高，波动范围要求为额定温度的±5℃。
作者简介：梁巍（1982-），男（汉），湖北黄石人，硕士，主要从事工业自动化相关工作。
随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行及对控制质量的要求也更高。在干熄焦锅炉过热蒸汽温度控制系统中，锅炉过
热蒸汽温度超过预定的上限值对锅炉的安全运行影响较大，会缩短锅炉的使用寿命，使锅炉的元件、与锅炉相连的设备(如汽轮机等)受到损坏，锅炉过热蒸汽温度低于预定的下限值。因此，控制锅炉过热蒸汽温度非常重要。传统的单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，串级控制系统可以改善纯滞后对控制质量的影响，能够较好的满足现代工业生产中锅炉温度串级控制系统的生产工艺要求：
(1)可以实现对整个锅炉系统工艺流程的控制。 (2)能够自动控制锅炉温度，并达到所需精度。
(3)有良好的人机界面，能方便地在线修改参数，并以动画实现数据和流程的“可视化”。
1 干熄焦过热蒸汽温度串级控制系统分析
常用的过热蒸汽串级控制系统如图1所示，主回路控制为过热蒸汽温度控制，副回路控制为减温水流量控制。其中，GC1(s) 是温度控制器的传递函数，G01(s)，是过热蒸汽温度的传递函数，Gm1(s)是过热蒸汽温度变送器的传递函数， GC2(s) 是流量控制器的传递函数，G02(s)是减温水流量的传递函数，Gm2(s)是减温水流量变送器的传递函数，GV(s) 是减温水气动调节阀的传递函数。
r1 e1 GC1(s) r2=u1 e2 GC2(s) u2 GV(s) G02(s) y2 G01(s) y1 ym2 Gm2(s) ym1 Gm1(s) 图1 过热蒸汽温度串级控制框图
假设主、副回路各个环节的传递函数分别为：
GC1?s??KC1 ， GV?s??KV ， Gm1?s??Km1 ， G01?s?? GC2?s??KC2 ， Gm2?s??Km2 ， G02?s??K01 ，
T01s?1K02 式（1） T02s?1?如果把整个副回路看作是一个等效副对象，并用G02?s?表示其传递函数，则
KC2KVK02y2??s??1?KCT2KsVK02Km2 式（2） ?G02r202?11?KC2KVK02Km2由此可得串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小到原来的
1倍，时间常数变小意味着副对象的容量滞后减小，使系统的响
1?KC2KVK02Km2应速度加快，控制更加及时。同时，对于克服二次干扰的能力也有一定程度的提高。另外，由于副对象时间常数减小，主回路控制通道的时间也相应缩短，克服一次干扰时，比同等条件下单回路控制系统的控制作用更及时，响应速度更快，控制质量更高。等效副回路的放大系数减小，这可使主控制器的增益经整定后大于单回路控制器的增益，这对系统的抗干扰能力更有利。
由式（2）可得串级控制系统的特征方程为
s2?T01?T02?KC2KVK02Km2T011?KC2KVK02Km2?KC1KC2Km1KVK01K02Km2s??0
T01T02T01T02 式（3）
将式（3）与典型二阶系统的标准型比较，有
2 s2?2??0s??0?0
2??0?T01?T02?KC2KVK02Km2T01
T01T02 ?0?21?KC2KVK02Km2?KC1KC2Km1KVK01K02Km2 式（4）
T01T02式（4）中，?表示串级控制系统的阻尼比；
?0表示串级控制系统的无阻尼自然振荡角频率。 串级控制系统的工作角频率?串即其特征方程根的虚部为
s1,2????0?j?01??2????0?j?串
?串??0T01?T02?KC2KVK02Km2T011??21???? 式（5）
T01T022?2 同理，可得单回路控制系统的工作角频率?单为
T01?T021??'2? ?单? 式（6） 'T01T022? 假设串级控制系统和单回路控制系统的衰减系数相同，即???'，则
?串T01?T02?KC2KVK02Km2T01???单T01?T021??1?KC2KVK02Km2?T1?01T02T01T02?1 式（7）
由此得出，?串??单，串级控制系统的工作频率提高，使系统响应的振荡周期缩短，从而提高系统的快速性，改善了系统的动态品质。
串级控制系统由于副回路作用对干扰具有较强的抗干扰能力，对负荷变化的适应性增强，还可以实现更为灵活的控制操作方式。 2 PCS7环境下过热蒸汽温度串级控制系统的实现
西门子SIMATIC PCS7是西门子公司在TELEPERM系列集散系统和S5，S7系列可编程控制器的基础上，结合最先进的电子制造技术、网络通讯技术、图形及图像处理技术、冗余技术、现场总线技术、计算机技术和先进自动化控制理论开发的面向所有过程控制应用场合的新一代过程控制系统。PCS7中的CFC连续功能图是一种简介方便的图形编程语言，以功能块为基础，系统配置了很多预编程的功能块，以库的形式体现，用户直接调用即可。
使用CFC编程，一个功能块的输出信号直接通过连线的方式输入到另一个功能块的输入信号，无需中间变量的连接。PCS7环境下的串级控制回路由两个PID（FB41）控制器构成，其中主回路控制器接收过热蒸汽温度，其输出值与减温器入口温度、过热蒸汽流量通过一定的逻辑关系处理后作为副回路控制器的设定值，其输出值来控制执行机构（减温水流量调节阀），通过调节阀门的开度来达到调节温度的目的。串级控制系统逻辑框图如图2所示。
