火力发电厂自动化控制系统设计研究

邹 毅，肖 丽，廖 源

（国能九江发电有限公司 江西 九江 332000）

0 引言

电能作为一种高效、清洁的能源，得到了广泛的应用和发展。 然而，传统的火力发电厂操作方式存在着一定的缺陷，例如人为因素的影响较大、运行效率低下等问题。因此，对火力发电厂进行自动化控制系统的改造成为了当前亟待解决的问题。 本文将从火力发电厂的自动化控制系统基本理论展开，通过对其设计，实现了火力发电厂的智能化和高效化的生产目标。

1 火力发电厂自动化控制系统

1.1 火力发电厂自动化控制系统概述

火力发电厂作为一种重要的能源生产方式，其自动化控制系统的建设对于提高发电效率和降低运行成本具有重要意义。 火力发电厂的自动化控制系统主要包括锅炉控制系统、汽轮机控制系统、火电厂监控系统以及其他相关设备的控制系统。 这些控制系统通过对各环节进行智能化管理，可以实现对整个电站的全面监控与控制。 锅炉控制系统是火力发电厂自动化控制系统的核心部分。 它主要负责锅炉温度、压力、流量等方面的数据采集和处理，并提供给其他控制系统所需的信息。 同时，锅炉控制系统还包括了锅炉自动调压功能，能够实时调整锅炉的工作参数以达到最佳燃烧效果。 汽轮机控制系统则是火力发电厂自动化控制系统的另一个关键组成部分。 它主要用于调节汽轮机的速度和转矩输出，保证机组稳定可靠地工作。 火电厂监控系统则主要是用于监测各个工况指标的变化情况，及时发现异常现象并采取相应的措施来保障电站正常运转［1］。 除此之外，还有其他的控制系统如烟气脱硫装置、水泵站等，它们也都是火力发电厂自动化控制系统的一部分，如图1 所示。

图1 火力发电厂的自动化控制系统组成

1.2 火力发电厂自动化控制系统的特点

火力发电厂自动化控制系统具有以下几个主要的特点：①高效率。 通过对锅炉和汽轮机的自动控制，可以提高能源利用效率，降低燃料消耗量。 ②可靠性。 采用先进的技术手段，如计算机监控系统、智能传感器等，提高了系统的稳定性和安全性。 ③节能环保。 在自动化控制下，锅炉运行更加稳定，减少了排放废气的情况发生，从而实现了节能减排的效果。 ④经济效益。 自动化控制系统能够实现生产过程的自动化管理，缩短了生产周期，提高了生产效率，为企业创造更多的利润空间。 ⑤安全保障。 自动化控制系统可以通过实时监测设备状态，及时发现故障并进行处理，避免了人员操作带来的风险。

2 火力发电厂自动化控制系统硬件设计

2.1 自动化控制系统硬件组成

在火力发电厂的自动化控制系统中，硬件设备是整个系统的核心部分。 自动控制系统硬件主要包括：传感器、控制器、驱动器和执行机构等。 其中，传感器采用的是基于微处理器的智能型传感器，具有高精度、高速度、稳定性强的特点。 可以实现对锅炉温度、压力、流量等方面的实时监测和测量，并且能够快速地将采集到的数据转换为电信号输出［2］。 同时，该传感器还具备了抗干扰能力和防雷击保护功能，保证了系统的可靠性和安全性。 控制单元采用了基于控制算法（proportion intergration differentiation，PID）实现的自适应控制方式。 这种方法可以通过对传感器收集到的数据进行分析和计算，从而调整控制参数以达到最佳的效果。 此外，该控制单元还可以实现对不同工况下的自适应调节，使得系统更加灵活和高效率。 驱动器则是用于驱动执行机构的工作，其主要作用就是将控制器发出的指令转化为实际动作。 执行机构则包括各种类型的机械装置，如开关、电机、电磁阀等。 它们通过与驱动器相连接的方式来完成工作任务，如图2 所示。

图2 火力发电厂的自动化控制硬件系统

2.2 控制系统的硬件选型

在锅炉监控方面利用先进的传感器技术，以确保准确性和稳定性。 同时，还需要考虑设备的耐久性、易维护性和成本等因素［3］。 在实际应用过程中，选择了一些性能优异且价格合理的硬件产品作为控制系统的基础。 其中，温度传感器是最为关键的一个部分。 因此，采用了高精度、高响应速度的热电耦式温度传感器来监测锅炉内各个部位的温度变化情况。 此外，还选用了压力传感器、流量计、磁力转速计等多种类型的传感器来获取锅炉的各种参数数据。 这些传感器通过数字信号转换模块将模拟信号转化为数字信号，并传输到计算机上进行处理和分析。 除了传感器外，控制系统的硬件还包括电源供应、通信接口、汽轮机监控、机组监控等方面。 为了保证系统的稳定运行，选用了一台可靠的不间断电源（uninterruptible power supply， UPS）供电装置以及一套稳定的通信网络连接设备。 同时，为了提高系统的安全性能，还安装了一些防火警报、自动灭火等安全防护措施。 通信接口采用RS-485／485 串口通信方式，与外部设备之间实现了双向的数据交换［4］。 汽轮机监控方面采用了基于PID 算法的控制策略，结合了模糊逻辑控制方法。 该方案能够有效地降低机组故障率和停运时间，提高了机组的效率和经济效益。 机组监控等方面，可以选择具有高分辨率摄像头和视频处理能力的产品，以便更好地观察到设备运行状况。

2.3 控制系统的网络结构

在火力发电厂的自动化控制系统中，网络结构是至关重要的一部分。 为了实现对各个设备和传感器之间的通信和数据传输，需要确定整个自动化控制系统的拓扑结构。 一般来说，该系统可以分为主站与分支站两部分。 其中，主站负责管理整个系统的运行状态，并通过无线或有线方式与其他节点进行通信；而分支站则承担着具体的监测和控制任务。 具体来说，可以将整套自动化控制系统划分为多个子网，每个子网都由一组相关设备构成，如锅炉组、变压器组、水泵组、烟气排气装置、监控室等。 这些子网之间采用不同的网络协议，以确保不同设备间的通信不受影响。 例如，锅炉组使用Ethernet 协议连接到主站上，变压器组则使用RS-485 协议，水泵组则使用MODBUS 通信协议。 烟气排气装置使用PROFIBUS-PA 协议，监控室则使用WiFi 或者蓝牙技术。 这样可以避免同一类型的设备在同一个子网上产生干扰现象，如图3 所示。

图3 自动化控制系统网络结构

3 火力发电厂自动化控制系统

3.1 火电厂自动化控制系统软件开发环境

为了保证系统的稳定性和可靠性，需要建立一个完整的软件开发环境来支持整个系统的构建和运行。 因此，采用MicrosoftVisual Studio 2010 作为主要开发工具，并结合其他相关技术进行集成。 选择VisualBasic aspx 为基础语言，该语言具有易于学习、代码简洁明了的特点，并且可以与WindowsForms 相结合，实现界面的设计和交互功能。 通过使用SQLServer 数据库管理系统（database management system， DBMS），实现了对数据的存储和处理的功能；同时，利用ActiveX 控件库中的ImageControl 控件实现了图像显示和处理功能。 采用了WebServices 技术将各个模块之间的通信进行了统一化和规范化的处理。 在实际应用过程中，还针对一些特殊需求进行了相应的优化和改进。 例如，对于实时监测设备的数据采集和传输问题，使用了Socket 编程接口来实现数据的双向传递；另外，为了提高系统的安全性和稳定性，采用了加密算法对数据进行保护。

3.2 火电厂自动化控制系统软件设计

火力发电厂的自动化控制系统软件模块主要包括：监控与报警、数据采集与处理、设备状态监测和控制、安全保护等，如图4 所示。 在实际应用中，这些功能需要相互配合，协同工作才能实现系统的稳定运行。 因此，对火电厂自动化控制系统进行合理的模块划分是非常重要的。 监控与报警模块采用了先进的PID 算法，收集各种传感器的数据，并将其转换成可视化的图形界面输出，以便于操作人员及时发现异常情况并采取相应措施。 数据采集与处理模块则采用了Modbus 通信协议，能够快速地将现场的各种数据上传到主控中心数据库中进行分析和存储。 设备状态监测和控制模块则采用基于Web 技术的HMI／SCADA 平台，实现了对各设备的状态实时监控和远程控制。 同时，该系统还具备了故障诊断和预测的功能，可以提前预警出潜在的问题，提高生产效率和安全性。 安全保护模块则采用了多种防护措施，如防火墙、入侵检测、病毒查杀等，确保系统的稳定性和可靠性［5］。

图4 火力发电厂的自动化控制软件系统

4 火力发电厂自动化控制系统调试

4.1 调试前准备工作

在进行火力发电厂自动化控制系统的调试之前，需要做好充分的前期准备工作。 因此，要对整个系统的功能和特点有一个全面的了解，包括各个模块的功能以及它们之间的交互关系。 要对系统的硬件设备进行检查和维护，确保其正常运行。 同时，还需要制定详细的工作计划和测试方案，以保证系统的稳定性和可靠性。 还要准备好相应的工具和技术支持，以便于及时解决问题并提高调试效率。为了更好地理解系统的运作方式和特性，可以采用多种方法来进行模拟实验。 例如，可以通过仿真软件模拟系统的运行过程，或者通过实际操作来验证系统的性能表现。 这些准备工作的完成将为后续的调试工作打下坚实的基础。在进行火力发电厂自动化控制系统的调试时，需要注意系统的安全性问题，防止出现安全事故；注意系统的稳定性问题，避免因为故障而导致停机或中断生产；注意系统的易用性和可维护性问题，使系统的使用更加方便且能够长期稳定地运转。

4.2 调试过程

在本次调试过程中，对整个自动化控制系统的功能进行了测试。 通过模拟各种工况，如机组启动、停机、故障处理等情况，验证了系统的各项功能是否能够满足实际需求。 针对各个模块的功能进行了逐一测试。 例如，对于锅炉监控模块，对其温度、压力等方面的数据进行了监测和记录；对于锅炉自动调节模块，则对其动作响应速度、精度等方面进行了评估；对各模块之间的数据传输和交互进行全面测试。 通过以上一系列的调试工作，最终确认了系统的整体性能和可靠性。 同时，也发现了一些问题并及时予以解决，以保证系统的稳定可靠运行。

4.3 调试结果

通过对各部分的功能进行逐一验证和调整，最终取得了良好的调试效果。 具体来说，对以下几个方面进行了重点检查，对于锅炉运行状态监测模块，进行了详细的数据采集与分析，并对其中的异常情况进行了处理。 在此基础上，进一步优化了该模块的工作流程，提高了其稳定性和准确性。 例如采用数据压缩技术，减少了传感器数据传输量，从而降低了网络带宽需求；同时，也加强了对数据质量的检测和校验，以确保数据的可靠性和完整性。 针对烟气排放监控模块，采用了先进的传感器技术来实现实时数据采集和传输功能。 同时，还为该模块增加了一些自适应算法，公式为式（1）：

式（1）中，F（t）表示当前时间点的烟气浓度，a表示初始浓度，e 为自然常数，b代表衰减系数，t表示时间，T表示采样时间，c表示阈值。 通过这种方法可以更加精确地预测烟气排放的变化趋势，并且能够及时预警出可能出现的问题。 此外，为了提高自动化控制系统的安全性和可靠性，还对整个系统的防火保护措施进行了严格的检验和评估。在汽轮机控制模块中，主要关注的是机组的稳定运行和高效率工作。 为此，采用了基于模糊逻辑的方法，结合传统的PID 控制策略，实现了对汽轮机的自动调节和故障诊断。 在整套自动化控制系统中加入了云端远程监控平台，以便于管理人员随时随地掌握电站的生产状况和设备的状态变化。

5 结语

综上所述，在火力发电厂的自动化控制系统中，数据采集与处理是至关重要的一环。 只有准确地获取并处理大量的实时数据，才能够实现对整个电站的全面监控和管理。 对于火力发电厂的自动化控制系统而言，可以使用智能传感器来监测各种参数的变化情况，从而及时发现问题并做出相应的调整；为了保证系统的稳定性和可靠性，需要采取一系列有效的安全措施来保障系统正常、无故障地运行。 因此本文通过对火力发电厂的自动化控制系统的设计，并进行调试，可以得到一个稳定的、高效的自动化控制系统，为电力行业的发展提供了有力的支持。