一、改造前概况
1.1 存在的主要问题
1.1.1 没有设计自动控制系统
四炉二机主蒸汽母管系统未设计“母管压力控制系统”;在多炉同时运行时，单炉主蒸汽压力自动控制很难承担稳定母管蒸汽压力，运行各炉没有统一的控制目标，不能同时控制母管蒸汽压力，造成已有的各炉主蒸汽压力自动在蒸汽母管运行方式时无法使用。
1.1.2 控制系统的“细节”组态不够
总结很多中小机组自动投入率不高，原由并不是控制方案设计有误，而是方案中很多细微的环节或参数设置不合适，导致整个控制系统无法投运。
1.1.2.1操作比较繁琐、条件多;主蒸汽压力控制系统，三层给粉机控制必需保持同样的转速才能投自动。在运行中三层给粉量是运行人员根据锅炉的燃烧需要确定的，投自动强迫要求其开度一致，不利于锅炉的燃烧调整。同样，送、引风机的二个调节挡板投自动开度要求也相同。
另外，多操作器的自动控制系统有投自动先后次序的要求，顺序错误给系统造成扰动。
1.1.2.2运行人员投自动时必需先消除或减少“给定值与测量值偏差”操作，在偏差小到一定范围内时，投自动后的扰动才能小到可以容忍的程度，否则操作人员会误认为自动系统失灵或不能用。
1.1.3 控制系统变更
四台炉的八台引风机电机增加了八台高压变频器，改变引风电机电源频率来控制引风机的转速，达到控制炉膛压力的目的。
引风机电机使用高压变频器调节后，仍保留原调节挡板，炉膛压力的控制系统应增加三种控制模式，形成以下几种控制方式;
引风机入口两侧挡板控制方式(原控制方式)
引风机二台变频器控制方式
甲引风机入口挡板和乙引风机变频器控制方式
乙引风机入口挡板和甲引风机变频器控制方式
由于炉膛压力控制系统的原组态并未做修改，加之高压变频器故障较多，因此炉膛压力自动控制方式需经常变化。新增的三种控制方式，共四种控制模式间的无扰切换，成为炉膛压力控制组态的重点。
1.1.4调节阀的问题
锅炉部分减温水调节阀、汽机高低加热器疏水调节阀、凝汽器水位、制粉系统调节挡板等，阀门特性差、线形度差、回差大、死行程大，影响了自动投入。
1.2 原MCS控制系统构成
炉主蒸汽压力、氧量调节、送风风量调节、炉膛压力调节、锅炉汽包水位调节、甲乙一级减温调节、甲乙二级减温调节、1、2、3、4号高低压加热器水位调节、5、6、7号高压加热器水位调节、凝器汽水位调节、汽轮机功率，转速调节系统(DEH)、轴封供汽压力调节、低压除氧器压力调节、低压除氧器水位调节、高压除氧器压力调节、高压除氧器水位调节系统。
二、改造方案
2.1 结构设计
与DCS有关的外围接线设计和控制对象要与DCS组态有机的衔接，要尽可能的充分利用DCS内的软件控制功能，而少依靠DCS外围“逻辑”，就是内部软件可以设计得很复杂，其外围接线要很简单，提高整个控制系统的可靠性。
2.1.1系统设计考虑各调节系统中的相关信号和控制输出布置在同一个机柜，避免或减少一个控制系统采集的信号或输出控制对象跨“机柜”传输。
2.1.2 将锅炉给粉机控制的单操、层操全部拆除，同时拆除的原给粉控制盘内变频器的全部辅助设备(如：用于转速反馈转换的匹配器，操作器配套电源等)，DCS直接控制变频器，减少中间环节。
2.1.3 拆除锅炉给煤机(链条式给煤机)控制柜内变频器外围的所有辅助设备。
2.2 组态设计(软件设计)
提高自动投入率最主要就是组态必须符合运行实际要求、对运行人员没有或很少使用要求即操作很简单、控制系统有完善的“保护”功能，“软”“硬”兼顾性好。
2.2.1 系统设计
总结一些中小机组热控自动投入率长期提不高的原因,热控系统的组态细节不完善、“使用条件、要求”多，可靠性低是主要因素，所以新系统的设计要克服这些缺陷，结合DCS内部组态所能达到的控制要求，施以配套的调节器外围，设计出一套比较满意的控制系统。
2.2.1.1母管压力控制系统
母管压力调节器的被调量是主蒸汽母管压力,该调节器还接受来自9、10号机组速度级压力 “前馈信号”。
母管压力控制系统见图1。
母管压力控制系统主要解决各炉间的负荷分配。对于连续调节器(4～20mA)，普遍的设计方法是：调节器的一个输出同时控制两个或两个以上的对象,在投自动时就要求必须先将各对象的负荷(或位置)调成一致,调节器才能投自动,否则投自动后造成热力系统的扰动;即自动系统不是在投自动前各炉原有负荷的基础上进行调节，而是先将各炉负荷拉平再进行调节，这个过程是运行人员所不希望的，也是母管压力控制系统长期投不上自动的重要因素之一。
“负荷分配”，实质是在并列各炉输往蒸汽母管的蒸汽流量不同或相同时，该调节系统能够根据当时并列各炉负荷情况，控制系统自动跟踪各炉负荷，在投入自动后仍保持原负荷状况，不产生控制系统对被控对象的扰动。各炉的蒸汽流量随时在变化。一般并列各炉的负荷调正是由总流量需求、各炉的自身工况和运行人员的操作习惯等多因素确定。最能代表锅炉负荷的是给粉机转速，本组态以各炉给粉机层操作器的平均位置反映锅炉负荷。各层操作器位置代表锅炉负荷的最大优点是手/自动转换时很方便地实现双向无扰切换。组态设计做到了一台调节器同时跟踪四个不同的目标(四台炉的给粉量)，即“多目标跟踪”，解决了母管压力控制系统的“负荷分配”问题。
母管压力调节器在手动状态时分别跟踪四台炉给粉层操作器的平均位置，自动调节时PID模块的输出分别加上各炉负荷跟踪运算结果，由四个相互独立的模拟输出通道送至各炉主压力调节器。
本设计锅炉的热负荷控制系统，共有多种控制模式;
a.母管压力控制方式;四台炉均投自动。
b.母管压力控制方式;任意二台或三台炉投自动，其它炉带固定负荷。
c.母管压力控制方式;系统只有任意二台炉运行，一台投炉母管压力自动另一台炉带固定负荷，或二台炉均投自动。
d.母管压力调节器不参与控制(只有在11、12号炉与13、14号炉相互隔离);主蒸汽压力控制方式;11号炉投自动，12号炉带固定负荷，或12号炉投自动，11号炉带固定负荷。
e.母管压力调节器不参与控制(只有在11、12号炉与13、14号炉相互隔离);主蒸汽压力控制方式;13号炉投自动，14号炉带固定负荷，或14号炉投自动，13号炉带固定负荷。
f.母管压力调节器不参与控制;四台炉中任意二台炉运行，其中任何一台炉投主压力自动，另一台炉带固定负荷。
g.母管压力调节器不参与控制;四台炉中任意一台炉单炉运行或蒸汽母管中的各炉相互隔离，单炉控制主蒸汽压力。
主蒸汽母管压力多种控制模式只需一个单联(DCS内部软开关)开关实现转换(切换开关称“母管压力/炉主汽压力控制转换开关”)。多种控制模式的转换要实现相互“无扰动”切换。母管压力、主汽压力控制方式的“转换开关”，设在11、12号炉的DCS画面上，13、14号炉LCD画面只能看到但无法干预，压力给定由11、12号炉操作人员确定。
母管压力控制系统手/自动切换信号，是由四台炉的总给粉操作器经主压力调节器送至母管压力调节器，所以总给粉操作器手/自动切换信号同时控制母管压力和主压力两台调节器。
在母管压力控制方式，炉主压力调节器处在跟踪状态;在主蒸汽压力控制方式，母管压力调节器处在跟踪状态。实现了在任何时刻、任何负荷两种控制模式的双向无扰切换。
母管压力调节器在故障时将自动切至手动的信号直接送到主蒸汽压力控制的调节器。
投自动的操作也很简单;在“母管压力”控制方式，将参与调节的炉各层给粉操作器切至自动位置，再将炉的总给粉操作器投入自动，任何一台或几台炉总操作器投入自动，就已参与母管压力控制。
以上如此多的控制方式，要实现相互无扰动的转换，又要让运行人员没有操作上很麻烦的感觉，才能真正意义实现了主蒸汽母管压力自动的投入。
主蒸汽母管压力控制系统的软件组态在#11炉的DPU柜。
2.2.1.2主蒸汽压力控制系统
各炉的主蒸汽压力调节系统被调量为本炉集汽联箱出口压力与本炉的汽包压力微分信号和来自母管压力调节器的指令。两种控制过程由“母管、主汽压力方式”切换软开关的位置确定。本炉的汽包压力微分信号在母管压力和主蒸汽压力两种控制方式下都起作用。
每台炉有三层给粉，控制同样遵循“多目标跟踪”原则。
主蒸汽压力控制系统见图2。
2.2.1.3 送风控制系统
送风调节系统为串级控制方式，对象为本炉甲、乙两侧氧量，内环控制本炉甲、乙两侧风道的风量信号，接受的信号还有主蒸汽压力调节器来的前馈信号。主蒸汽流量经折线f(X)为炉负荷修正氧量内给定(SV)。
送风控制系统有甲、乙两侧调节档板，运行人员一般的操作习惯是保持甲、乙两侧风机电流一致，或甲、乙两侧风道风量一致，因为电机、风道特性有差异，所以两侧档板的实际开度可能不同，同样采用“多目标跟踪”方式。
2.2.1.4 引风控制系统
引风调节系统控制目标为本炉的炉膛压力,为了改善调节质量,还接受送风调节器输出的前馈信号。
由于引风电动机增加了高压变频器，控制方式很复杂见1.1.3项。
引风控制系统见图3。
引风调节器的四个模拟输出分别控制甲、乙两侧引风机入口调节档板的位置和甲、乙引风电机变频器，四个控制对象，采用“多目标跟踪”方式。
2.2.1.5 一、二级减温控制系统
一、二级蒸汽减温控制采用的是常用的串级控制系统，被调量为二级减温器入口温度、过热器出口温度，付环测量信号来自一级、二级减温器出口温度。
蒸汽温度控制系统与其它控制系统不同的是;在特定的工况下，控制系统不参与调节，如在自动状态时，被控温度偏低或偏高，减温水调节阀处在全关或全开的状态，被调量仍低于或高于给定量，这时主调节器因为“积分”作用输出一直在变化，使付调的给定与测量偏差越来越大，当蒸汽温度升高或降低到可控范围时，因为主调节器的长期“积分”作用，付调的偏差在短时间内很难消除(调节器增益相对较小，积分时间较长)，这时被控温度偏离给定值，但调节系统的阀位控制输出维持不变。在主调克服“过积分”作用时，付调的给定量已远离被调量;调节系统需较长的时间才能消除由主调节器而产生的“过调”，这种情况被运行人员识为调节系统不好用。也是影响汽温自动投入率的重要因素。
减温自动控制系统在正常减温情况下使用不存在上述现象。
因此自动控制系统的设计不仅要考虑正常情况下的使用，还需考虑非正常情况，控制系统才更加实用。
为此减温控制专设计了“抗积分饱和”电路，见图4。当调节阀大于98%(调节阀全开)，被控温度大于给定温度2℃;或调节阀开度小于2%(调节阀全关)，被控温度小于给定温度2℃，主调节器的输出被限制，不发生“过积分”作用，避免前述现象的出现，提高了蒸汽温度的调节质量。
2.2.1.6 其它自动控制系统
汽包水位自动设有单冲量和串级三冲量控制系统，分别控制旁路给水和主给水调节阀。
其它自动控制系统多为单回路控制。
2.3 相同部分
2.3.1“自动变增益”
母管压力控制、主蒸汽压力控制、送风控制、引风控制四套系统都有“自动变增益”功能。
例入：母管压力控制系统;母管压力调节器在二台炉投自动另二台炉带固定负荷和四台炉均投自动的情况下，在同样的母管压力变化时，调节速度是不一样的，若PID的参数按二台炉调压整定，而三或四台炉都投自动时，控制系统会发生“过调”现象，即系统振荡。PID的参按四台炉调压整定，确只投其中任何二炉自动调压时，控制系统“响应速度”慢，调节品质较差。
同样，主蒸汽压力自动控制调节器，在系统投二层给粉与三层给粉，送风、引风自动控制调节器，在系统投单侧与双侧控制档板的工况下，与上述母管压力控制情况类同。
有了“自动变增益”功能，控制系统自动不论怎样投，都能根据投的是任何一单炉(单层给粉、单侧档板)或双炉(二层给粉、二侧档板)，自动变化已整定好的增益。调节效果都能达到控制要求。
2.3.2“给定值”跟踪“测量值”
无“给定值”跟踪“测量值”功能的自控系统,在运行人员投自动前必需进行消除“给定值”与“测量值”的偏差才能投自动,否则投自动后系统会产生扰动,扰动的大小由“给定值”与“测量值”偏差的大小和调节器内的增益决定(母管压力、主汽压力调节器、一、二级减温的增益往往设置很高，偏差造成的扰动比较大)。即便运行人员进行了消除偏差的操作，也有可能没完全消除偏差，投入自动后还会有扰动，若调节器的参数整定的不很合适，扰动可能很长时间不能消除。影响该自动的调节效果或投入率。
所有的自动控制系统都设有“给定值”跟踪“测量值”功能。“给定值”跟踪“测量值”作用就是在手动状态时，调节器的内给定跟踪被调节信号“测量值”(给定值等于测量值)，当运行人员投自动后，内给定值被锁定在投自动那一瞬间的测量值，这时自动调节系统是没有给定与测量偏差，所以投自动后也就没有扰动。
2.3.3 “负荷分配”、“多目标跟踪”
调节系统有了“多目标跟踪”功能，系统投入自动后，是在多执行机构原位置的基础上施加控制的，对各执行机构投自动前的位置没有要求。
有了“多目标跟踪”作用，控制两个以上调节对象，投自动时就没有先后次序和对象所处位置的要求，简化了自动系统使用要求。
2.3.4系统保护
所有的调节系统都设计有：当发生任何一个传感器故障、执行机构位置反馈故障、给定值与测量值偏差大于设定值时等，操作器在手动位置时投不上自动，在自动状态时则快速切至手动位置。
因为这些系统保护充分考虑到消除或降低控制系统外围设备故障对自动系统的影响，因此提高了自动系统的可靠性。
三、使用情况
“可变增益”、“给定值”跟踪“测量值”、“负荷分配”、“多目标跟踪”编程思想在组态中的综合应用，使自动控制系统有了“智能”作用，或者说具有了“傻瓜”操作功能，DCS操作画面很简捷，运行人员也很易直接理解，操作很简单、方便，这对提高自动的投入率具有很重要的意义。
总之，自动控制系统投自动的操作都是“一键式操作”，即投自动时不需考虑“对位”操作，消除偏差，各炉负荷，层给粉位置，甲、乙档板位置，投单侧还是双侧，投入先后次序，调节系统内有无故障等因素。投自动前,只需手动将被调量控制在“目标值”范围内即可。极大的提高了自动控制系统使用的方便性。
四、存在的问题
4.1 缺乏充分的准备
由于时间紧，工程的前期组态设计深度不够，以致在施工阶段没有时间修改组态，复杂的控制逻辑几乎都在机组运行时修改，有的控制功能的条件(中间点)因为事前在数据库没有相应的“注册”，机组在运行中“下装”服务器有风险，只能在机组停运后才能再修改，影响部分控制功能的使用。
4.2 MCS控制需要的DEH信息没能实现“共享”(如DEH加、减负荷指令等)
如10号机组的二号“域”，信息不能跨“域”传递到一号“域”，影响主蒸汽母管压力控制系统的调节质量。
五、结束语
本次技术改造，解决了长期影响西固9、10号机组热控重要自动投入率低的主要瓶颈问题。整个控制系统软件组态设计虽很复杂, 操作人员使用却很简单。
