CN102954461B - 自适应船用直流锅炉压力控制系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

自适应船用直流锅炉压力控制系统，包括操作显示单元、控制单元、两个给水调节阀、给水流量传感器、蒸汽流量传感器、蒸汽温度传感器和三个蒸汽压力传感器，操作显示单元接收来自蒸汽流量传感器和给水流量传感器的信号，并向控制单元发送所述信号以及给水调节阀自动或手动信号，同时操作显示单元向两个给水调节阀发送遥控操作信号；控制单元接收来自两个给水调节阀的阀位反馈信号，以及接收三个蒸汽压力传感器、蒸汽温度传感器采集的信号，控制单元向对应的给水调节阀发送电流驱动信号；本发明采用三冲量控制，具有对故障的自动识别能力，针对不同的控制模式具有自动适应功能，提高了系统的稳定性。

Description

自适应船用直流锅炉压力控制系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及船用锅炉给水控制领域，具体来讲是一种自适应船用直流锅炉压力控制系统及其实现方法。

背景技术

船用给水控制系统是保障船用蒸汽动力装置运行安全的重要系统。直流锅炉压力控制系统作为给水控制系统的重要组成部分，承担着稳定锅炉压力，维持主辅机正常工作的重要任务。直流锅炉压力控制系统如果出现故障，将导致船用主机、辅机进汽参数不稳定，降低主辅汽轮机的工作效率，甚至损坏设备，使蒸汽动力装置无法正常工作。船用直流锅炉压力控制系统功能是通过控制给水流量，维持直流锅炉出口蒸汽压力，使蒸汽参数满足船用主机、辅机的工作要求。

目前国内外在超临界直流锅炉方面研究较多，但是此类型锅炉多用于电厂发电，由于船用直流锅炉需要频繁变负荷，因此这类超临界直流锅炉不适合作为船用直流锅炉使用。另外，船用直流锅内炉部工质分为预热段、蒸发段、过热段三个区段，在变负荷情况下，三个区段的长度是变化的。通常船用直流锅炉在自动控制过程中，缺乏对传感器、阀门故障情况的适应能力，在出现故障后，需要立即将控制系统解除自动，排除故障后才能够继续运行，导致船舶运行不够稳定。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种自适应船用直流锅炉压力控制系统及其实现方法，采用三冲量控制，具备多种控制模式，具有对蒸汽流量传感器、给水流量传感器、蒸汽压力传感器、给水调节阀执行器等故障的自动识别能力；针对不同的控制模式具有直流锅炉压力控制策略自动适应功能，提高了船用给水控制系统的稳定性，保证了船舶主辅机的正常运行。

为达到以上目的，本发明提供一种自适应船用直流锅炉压力控制系统，包括一个操作显示单元、一个控制单元、两个给水调节阀、一个给水流量传感器、一个蒸汽流量传感器、三个蒸汽压力传感器和一个蒸汽温度传感器，操作显示单元分别连接两个给水调节阀、蒸汽流量传感器、给水流量传感器以及控制单元；控制单元分别连接两个给水调节阀、三个蒸汽压力传感器以及一个蒸汽温度传感器；操作显示单元接收来自蒸汽流量传感器和给水流量传感器的信号，并向控制单元发送所述信号以及给水调节阀自动或手动信号，同时操作显示单元向两个给水调节阀发送遥控操作信号；控制单元接收来自两个给水调节阀的阀位反馈信号，以及接收三个蒸汽压力传感器、蒸汽温度传感器采集的信号，控制单元向对应的给水调节阀发送电流驱动信号。

在上述技术方案的基础上，所述控制单元包括采集单元、控制显示单元、分析单元、模式选择单元、数据计算单元、输出单元，采集单元连接所有与控制单元相连的部件，并采集所述部件的信号，将需要显示信号传送至控制显示单元显示，并将信号传给分析单元，分析单元对接收信号进行故障分析后传入模式选择单元，模式选择单元根据接收信号选择对应的控制模式，并发送至数据计算单元，数据计算单元计算阀位开度控制量，并将结果传至输出单元，输出单元连接两个给水调节阀，并将结果转换为电流驱动信号，发送至相应的给水调节阀。

在上述技术方案的基础上，所述操作显示单元包括操作单元，蒸汽流量显示单元和给水流量显示单元，蒸汽流量显示单元连接蒸汽流量传感器，并显示蒸汽流量传感器采集数据；给水流量显示单元连接给水流量传感器，显示给水流量传感器采集数据；操作单元连接两个给水调节阀，向其发送自动或手动信号；操作单元还连接控制单元中的采集单元，将来自蒸汽流量传感器和给水流量传感器的信号、所述自动或手动信号传给采集单元。

在上述技术方案的基础上，所述两个给水调节阀相同，均包括遥控单元、驱动单元和阀位反馈单元，遥控单元与操作显示单元中的操作单元连接，接收操作单元的遥控操作信号；驱动单元与控制单元的输出单元连接，接收输出单元的电流驱动信号；阀位反馈单元与控制单元的采集单元连接，向采集单元发送阀位反馈信号。

本发明还提供一种自适应船用直流锅炉压力控制系统的实现方法，包括如下步骤：S1.直流锅炉压力控制系统上电并初始化，设置各种变量和接口，控制单元对其接受到的各种信号进行采集，并将所述信号显示出来；S2.控制单元判断是否有调节阀投自动，若是，则进入S3；若否，进入S10；S3.控制单元判断压力传感器的故障情况，当一个压力传感器故障时，选择另外两个压力传感器数据平均值作为采集参数，进入S4；当所有压力传感器无故障时，选择三个压力传感器的平均值作为采集参数，进入S4；当两个或三个压力传感器故障时，进入S5；S4.进一步判断给水流量传感器或蒸汽流量传感器是否发生故障，若是，进入S5；若否，进入S6；S5.控制单元选择输出锁定控制作为控制模式，将发生故障前的正常控制输出值传送至对应给水调节阀，并维持不变，同时产生报警信号，转入S2；S6.进一步判断蒸汽温度传感器数值是否超限，若是，进入S7；若否，进入S8；S7.控制单元采用变权值三冲量控制作为控制模式，进入S9；S8.控制单元采用三冲量控制作为控制模式，进入S9；S9.判断两个给水调节阀是否故障，若任意给水调节阀故障，则进入S5；否则，控制单元计算给水调节阀的控制量，并转换为电流驱动信号发送至对应的给水调节阀，进入S2；S10.操作人员通过操作显示单元对未投自动的给水调节阀进行远程手动操作，进入S2。

在上述技术方案的基础上，所述三冲量压力控制是指，通过给水流量、蒸汽流量以及蒸汽压力三个变量计算给水调节阀的控制量。

在上述技术方案的基础上，所述变权值三冲量压力控制，是指引入可变化的权值，通过权值改变蒸汽压力因素、蒸汽流量与给水流量因素对于给水调节阀控制量的影响大小，并通过给水流量、蒸汽流量以及蒸汽压力三个变量计算给水调节阀的控制量。

在上述技术方案的基础上，所述控制单元包括采集单元、控制显示单元、分析单元、模式选择单元、数据计算单元和输出单元，采集单元判断是否有调节阀投自动，以及接收两个给水控制调节阀的阀位反馈信号；分析单元判断压力传感器、给水流量传感器、蒸汽流量传感器以及给水调节阀的故障情况；模式选择单元选择控制模式，数据计算单元计算给水调节阀的控制量，输出单元将电流驱动信号传给对应的给水调节阀。

在上述技术方案的基础上，当一个给水调节阀投自动时，电流驱动信号就送给该给水调节阀；当两个给水调节阀同时投自动时，电流驱动信号就同时送给两个给水调节阀。

本发明的有益效果在于：

1. 本发明自适应船用直流锅炉压力控制系统及其实现方法，能够对蒸汽压力传感器故障进行自动适应。为了保证蒸汽压力的可靠性，采用了三个独立的压力传感器进行信号采集，当任意一个压力传感器故障时，将采用另外两个传感器数据进行替代；当两个或三个蒸汽压力传感器出现故障后，控制系统能够将控制输出锁定，最大限度保持直流锅炉压力控制系统的正常运行。

2. 本发明能够对给水或蒸汽流量传感器故障进行自动适应。当给水或蒸汽流量传感器故障时，控制系统能够将控制输出锁定，最大限度保持直流锅炉压力控制系统的正常运行。

3. 本发明能够对蒸汽温度超限值故障进行自动适应。当蒸汽温度超过正常运行范围时，控制系统能够切换控制模式，采用变权值三冲量控制方式对蒸汽压力进行控制，最大限度地保证直流锅炉压力控制系统的安全。

4. 本发明能够对给水调节阀故障进行自动适应。当给水调节阀发生故障后，控制系统能够立即锁定控制输出，保证直流锅炉压力控制系统的安全。

附图说明

图1为本发明实施例自适应船用直流锅炉压力控制系统的结构信号流向图；

图2为图1中具体信号流向图；

图3为本发明实施例自适应船用直流锅炉压力控制系统实现方法的流程图。

附图标记：

第一给水调节阀1，第一遥控单元11，第一驱动单元12，第一阀位反馈单元13；

第二给水调节阀2，第二遥控单元21，第二驱动单元22，第二阀位反馈单元23；

操作显示单元3，操作单元31，蒸汽流量显示单元32，给水流量显示单元33；

控制单元4，采集单元41，控制显示单元42，分析单元43，模式选择单元44，数据计算单元45，输出单元46；

蒸汽流量传感器5；给水流量传感器6；第一蒸汽压力传感器7，第二蒸汽压力传感器8，第三蒸汽压力传感器9；蒸汽温度传感器10。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明自适应船用直流锅炉压力控制系统，包括第一给水调节阀1、第二给水调节阀2、操作显示单元3、控制单元4、蒸汽流量传感器5、给水流量传感器6、第一蒸汽压力传感器7、第二蒸汽压力传感器8、第三蒸汽压力传感器9和蒸汽温度传感器10。操作显示单元3分别连接第一给水调节阀1、第二给水调节阀2、蒸汽流量传感器5、给水流量传感器6以及控制单元4；控制单元4分别连接第一给水调节阀1、第二给水调节阀2、第一蒸汽压力传感器7、第二蒸汽压力传感器8、第三蒸汽压力传感器9以及一个蒸汽温度传感器10。操作显示单元3接收来自蒸汽流量传感器5和给水流量传感器6的信号，并向控制单元4发送所述信号以及给水调节阀自动或手动信号，同时操作显示单元3向两个给水调节阀发送遥控操作信号；控制单元4接收来自两个给水调节阀的阀位反馈信号，以及接收三个蒸汽压力传感器、蒸汽温度传感器10采集的信号，控制单元4向对应的给水调节阀发送电流驱动信号。

如图1和图2所示，操作显示单元包括操作单元31、蒸汽流量显示单元32和给水流量显示单元33，蒸汽流量显示单元32和给水流量显示单元33均采用船用小型光柱数字显示仪，蒸汽流量显示单元32连接蒸汽流量传感器5并对其参数进行显示，给水流量显示单元33连接至给水流量传感器6，并对其参数进行显示。操作单元31连接至第一给水调节阀1、第二给水调节阀2，向其发送自动或手动信号；操作单元31还连接控制单元4，将来自蒸汽流量传感器和给水流量传感器的信号、所述自动或手动信号传给连接控制单元4。

控制单元包4采集单元41、控制显示单元42、分析单元43、模式选择单元44、数据计算单元45和输出单元46。采集单元41连接所有与控制单元4相连的部件，并采集所述部件的信号，将需要显示信号传送至控制显示单元42显示，并将信号传给分析单元43；分析单元43对接收信号进行故障分析后传入模式选择单元44；模式选择单元44根据接收信号选择对应的控制模式，并将控制模式发送至数据计算单元45，所述控制模式预先设置并存储与模式选择单元44的数据库中；数据计算单元45根据选择模式计算阀位开度控制量，并将结果传至输出单元46，输出单元46连接两个给水调节阀，并将结果转换为电流驱动信号，发送至对应的给水调节阀，即已投自动的给水调节阀。

所述第一给水调节阀1和第二给水调节阀2相同，第一给水调节阀1包括第一遥控单元11、第一驱动单元12、第一阀位反馈单元13；第二给水调节阀2包括第二遥控单元21、第二驱动单元22、第二阀位反馈单元23。每个遥控单元都与操作显示单元3中的操作单元31连接，接收操作单元31的遥控操作信号；每个驱动单元与控制单元4的输出单元46连接，接收输出单元46的电流驱动信号；每个阀位反馈单元与控制单元4的采集单元41连接，向采集单元41发送阀位反馈信号，阀位反馈信号以电流信号传送出去。

如图3所示，本发明实施例自适应船用直流锅炉压力控制系统实现方法，包括如下步骤：

S1.直流锅炉压力控制系统上电并初始化，设置各种变量和接口，控制单元对其接受到的各种信号进行采集，并将所述信号显示出来。

本实施例中，初始化包括控制单元4的参数初始化、第一给水调节阀1和第二给水调节阀2的供电初始化、蒸汽流量传感器5和给水流量传感器6的供电初始化，第一蒸汽压力传感器7、第二蒸汽压力传感器8、第三蒸汽压力传感器9和蒸汽温度传感器10的供电初始化。

S2.控制单元4中的采集单元41进行信号采集，判断是否有调节阀投自动，若是，进入S3；若否，进入S10。

其中，控制单元4中的采集单元41进行信号采集，分别采集两个阀位反馈单元传来的阀位反馈信号、操作单元31传来的操作信号、蒸汽流量显示单元32传来的蒸汽流量信号、给水流量显示单元33传来的给水流量信号、三个蒸汽压力传感器传来的蒸汽压力信号以及蒸汽温度传感器10传来的蒸汽温度信号。采集单元41通过控制显示单元42将上述各种信号显示出来。

S3.控制单元4中的分析单元43判断压力传感器的故障情况，判断结果包括一个压力传感器故障、两个或三个压力传感器故障、所有压力传感器无故障。当一个压力传感器故障时，选择另外两个压力传感器数据平均值作为采集参数，进入S4；当所有压力传感器无故障时，选择三个压力传感器的平均值作为采集参数，进入S4；当两个或三个压力传感器故障时，进入S5。

S4.进一步判断给水流量传感器或蒸汽流量传感器是否发生故障，若是，进入S5；若否，进入S6。

S5.控制单元4的模式选择单元44选择输出锁定控制作为控制模式，输出单元将发生故障前的正常控制输出值转变为电流驱动信号，输出至给水调节阀，并维持不变，同时产生报警信号，转入S2。

S6.进一步判断蒸汽温度传感器数值是否超限（预先设定的限值），若是，进入S7；若否，进入S8。

S7.控制单元采用变权值三冲量控制作为控制模式，进入S9；所述变权值三冲量压力控制，是指引入可变化的权值，通过权值改变蒸汽压力因素、蒸汽流量与给水流量因素对于给水调节阀控制量的影响大小，并通过给水流量、蒸汽流量以及蒸汽压力三个变量计算给水调节阀的控制量。

S8.控制单元采用三冲量控制作为控制模式，进入S9；所述三冲量压力控制是指，通过给水流量、蒸汽流量以及蒸汽压力三个变量计算给水调节阀的控制量。

S9.判断两个给水调节阀是否故障，若任意给水调节阀故障，则进入S5；否则，数据计算单元45计算给水调节阀的控制量，并由输出单元46转换为电流驱动信号发送至对应的给水调节阀，进入S2。

S10.操作人员通过操作显示单元对未投自动的给水调节阀进行远程手动操作，进入S2。

如图1和图2所示，本发明自适应船用直流锅炉压力控制系统运行的一次循环过程为：在进行参数初始化后，采集单元41分别采集到了蒸汽流量信号、给水流量信号、3路蒸汽压力信号，还采集到了2个给水调节阀的阀位反馈信号，采集单元41也采集到了操作单元31中的2台给水调节阀投自动信号。此时系统没有发现任何故障，选择三个蒸汽压力传感器平均值作为采集蒸汽压力参数，采用三冲量控制方式控制蒸汽压力，将蒸汽压力控制在规定范围内，控制系统稳定运行。

若此时有一个蒸汽压力传感器发生故障，控制系统选择另外蒸汽压力传感器的数据平均值作为蒸汽压力采集参数，控制系统能够适应这个故障模式，继续正常运行。当有两个或三个蒸汽压力传感器同时发生故障，或者发现给水流量传感器或蒸汽流量传感器发生故障，控制系统立即通过分析单元43辨识出该故障模式，并通过模式选择单元44选择控制输出锁定控制，此时两个给水调节阀开度将保持不变，控制系统仍然继续运行，操作人员将根据报警提示，确定故障，当系统停运后，排除故障。

当蒸汽温度超过限值时，分析单元43辨识出该故障模式，并通过模式选择单元44选择变权值三冲量控制模式，将蒸汽温度维持在设定范围内，并且将蒸汽压力的波动降到最小，当任意给水调节阀发生故障后，控制系统将自动适应该故障给出控制输出锁定控制，并给出报警信号。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种自适应船用直流锅炉压力控制系统，其特征在于：包括一个操作显示单元、一个控制单元、两个给水调节阀、一个给水流量传感器、一个蒸汽流量传感器、三个蒸汽压力传感器和一个蒸汽温度传感器，操作显示单元分别连接两个给水调节阀、蒸汽流量传感器、给水流量传感器以及控制单元；控制单元分别连接两个给水调节阀、三个蒸汽压力传感器以及一个蒸汽温度传感器；操作显示单元接收来自蒸汽流量传感器和给水流量传感器的信号，并向控制单元发送所述信号以及给水调节阀自动或手动信号，同时操作显示单元向两个给水调节阀发送遥控操作信号；控制单元接收来自两个给水调节阀的阀位反馈信号，以及接收三个蒸汽压力传感器、蒸汽温度传感器采集的信号，控制单元向对应的给水调节阀发送电流驱动信号。

2.如权利要求1所述的自适应船用直流锅炉压力控制系统，其特征在于：所述控制单元包括采集单元、控制显示单元、分析单元、模式选择单元、数据计算单元、输出单元，采集单元连接所有与控制单元相连的部件，并采集所述部件的信号，将需要显示信号传送至控制显示单元显示，并将信号传给分析单元，分析单元对接收信号进行故障分析后传入模式选择单元，模式选择单元根据接收信号选择对应的控制模式，并发送至数据计算单元，数据计算单元计算阀位开度控制量，并将结果传至输出单元，输出单元连接两个给水调节阀，并将结果转换为电流驱动信号，发送至相应的给水调节阀。

3.如权利要求2所述的自适应船用直流锅炉压力控制系统，其特征在于：所述操作显示单元包括操作单元，蒸汽流量显示单元和给水流量显示单元，蒸汽流量显示单元连接蒸汽流量传感器，并显示蒸汽流量传感器采集数据；给水流量显示单元连接给水流量传感器，显示给水流量传感器采集数据；操作单元连接两个给水调节阀，向其发送自动或手动信号；操作单元还连接控制单元中的采集单元，将来自蒸汽流量传感器和给水流量传感器的信号、所述自动或手动信号传给采集单元。

4.如权利要求2或3所述的自适应船用直流锅炉压力控制系统，其特征在于：所述两个给水调节阀相同，均包括遥控单元、驱动单元和阀位反馈单元，遥控单元与操作显示单元中的操作单元连接，接收操作单元的遥控操作信号；驱动单元与控制单元的输出单元连接，接收输出单元的电流驱动信号；阀位反馈单元与控制单元的采集单元连接，向采集单元发送阀位反馈信号。

5.一种基于权利要求1中自适应船用直流锅炉压力控制系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.直流锅炉压力控制系统上电并初始化，设置各种变量和接口，控制单元对其接受到的各种信号进行采集，并将所述信号显示出来；

S2.控制单元判断是否有调节阀投自动，若是，则进入S3；若否，进入S10；

S3.控制单元判断压力传感器的故障情况，当一个压力传感器故障时，选择另外两个压力传感器数据平均值作为采集参数，进入S4；当所有压力传感器无故障时，选择三个压力传感器的平均值作为采集参数，进入S4；当两个或三个压力传感器故障时，进入S5；

S4.进一步判断给水流量传感器或蒸汽流量传感器是否发生故障，若是，进入S5；若否，进入S6；

S5.控制单元选择输出锁定控制作为控制模式，将发生故障前的正常控制输出值传送至对应给水调节阀，并维持不变，同时产生报警信号，转入S2；

S6.进一步判断蒸汽温度传感器数值是否超限，若是，进入S7；若否，进入S8；

S7.控制单元采用变权值三冲量控制作为控制模式，进入S9；

S8.控制单元采用三冲量控制作为控制模式，进入S9；

S9.判断两个给水调节阀是否故障，若任意给水调节阀故障，则进入S5；否则，控制单元计算给水调节阀的控制量，并转换为电流驱动信号发送至对应的给水调节阀，进入S2；

S10.操作人员通过操作显示单元对未投自动的给水调节阀进行远程手动操作，进入S2。

6.如权利要求5所述的自适应船用直流锅炉压力控制系统的实现方法，其特征在于：所述三冲量控制是指，通过给水流量、蒸汽流量以及蒸汽压力三个变量计算给水调节阀的控制量。

7.如权利要求5所述的自适应船用直流锅炉压力控制系统的实现方法，其特征在于：所述变权值三冲量控制，是指引入可变化的权值，通过权值改变蒸汽压力因素、蒸汽流量与给水流量因素对于给水调节阀控制量的影响大小，并通过给水流量、蒸汽流量以及蒸汽压力三个变量计算给水调节阀的控制量。

8.如权利要求5所述的自适应船用直流锅炉压力控制系统的实现方法，其特征在于：所述控制单元包括采集单元、控制显示单元、分析单元、模式选择单元、数据计算单元和输出单元，采集单元判断是否有调节阀投自动，以及接收两个给水控制调节阀的阀位反馈信号；分析单元判断压力传感器、给水流量传感器、蒸汽流量传感器以及给水调节阀的故障情况；模式选择单元选择控制模式，数据计算单元计算给水调节阀的控制量，输出单元将电流驱动信号传给对应的给水调节阀。

9.如权利要求5或8所述的自适应船用直流锅炉压力控制系统的实现方法，其特征在于：当一个给水调节阀投自动时，电流驱动信号就送给该给水调节阀；当两个给水调节阀同时投自动时，电流驱动信号就同时送给两个给水调节阀。