一种用于火电厂过热蒸汽温度控制的外挂式预测控制器的制作方法

本实用新型涉及一种用于火电厂过热蒸汽温度控制的控制器，尤其是涉及一种用于火电厂过热蒸汽温度控制的外挂式控制器。

背景技术：

过热蒸汽温度控制品质的好坏影响了火力发电厂运行的经济性和电厂设备的使用寿命。目前火力发电厂DCS(分布式控制系统)不支持先进控制算法运行，缺少有效、可靠的技术手段将先进控制算法应用于火电厂过热蒸汽温度的控制，目前火力发电厂过热蒸汽温度控制中串级PID控制效果不佳，动态性能差，超调过大，而先进的模型预测控制算法在对温度控制上具有很好的控制特性，但是由于电厂制度规范的限制，加上该算法本身具有一定的复杂性，因此不易在DCS控制平台上加以实现。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于火电厂过热蒸汽温度控制的外挂式预测控制器。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于火电厂过热蒸汽温度控制的外挂式预测控制器，与DCS控制设备连接，用于DCS控制设备的扩展，所述的外挂式预测控制器包括外挂式导轨、模型预测控制器、模拟量信号输入接口模块和模拟量信号输出接口模块，所述的外挂式导轨固定在DCS控制设备机柜上，所述的模型预测控制器、模拟量信号输入接口模块和模拟量信号输出接口模块卡扣于外挂式导轨上，所述的模拟量信号输入接口模块输入端设有多个对应连接至DCS控制设备的控制参数接入端口，模拟量信号输入接口模块输出端连接至模型预测控制器，模型预测控制器还连接模拟量信号输出接口模块输入端，模拟量信号输出接口模块输出端设有连接至DCS控制设备的过热器减温水阀门控制律输出端口。

所述的模型预测控制器、模拟量信号输入接口模块和模拟量信号输出接口模块均设有一个外壳底板，所述的外壳底板上设有与所述的外挂式导轨匹配的导槽，所述的外挂式导轨嵌入所述的外壳底板进行卡扣连接。

所述的模型预测控制器包括用于通信的串行通信模块、用于模型预测控制的微型计算机主板以及用于给微型计算机主板供电的电源模块，所述的串行通信模块、微型计算机主板和电源模块分别通过一个基座固定在模型预测控制器的外壳底板上，所述的串行通信模块一端连接微型计算机主板，另一端分别连接至模拟量信号输入接口模块和模拟量信号输出接口模块，所述的电源模块输入端连接外部24V供电电源，输出端连接微型计算机主板。

所述的微型计算机主板上设有散热器。

所述的微型计算机主板上还设有用于将其与外部计算机进行通信的以太网接口。

模拟量信号输入接口模块输入端的多个控制参数接入端口包括过热蒸汽温度设定值输入端口、过热蒸汽温度实时值输入端口、过热器减温水阀门开度实时值输入端口和外挂式预测控制器启动切换端口，所述的过热蒸汽温度设定值输入端口、过热蒸汽温度实时值输入端口和过热器减温水阀门开度实时值输入端口连接至DCS控制设备对应的端口，所述的外挂式预测控制器启动切换端口通过分压模块连接至DCS控制设备上的切换端口，所述的分压模块包括两个串联连接的分压电阻，分别为第一电阻和第二电阻，所述的第一电阻和第二电阻的串联连接端连接至外挂式预测控制器启动切换端口，第一电阻另一端接地，第二电阻另一端连接DCS控制设备上的切换端口。

所述的模拟量信号输入接口模块和模拟量信号输出接口模块上均设有用于连接外部24V供电电源的电源接口。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型针对火电厂的过热蒸汽温度控制问题设计了一款外挂式预测控制器，设计了外挂式控制器的接口模块，包括模拟量信号输入接口模块和模拟量信号输出接口模块，设计的外挂式预测控制器通过模拟量信号输入接口模块获取对火电厂过热蒸汽温度控制所需的参数，从而输入至模型预测控制器，通过外置式的模型控制器进行模型预测控制给出过热器减温水阀门控制律，进而通过模拟量信号输出接口模块输出至DCS控制设备并对热器减温水阀门进行控制，在不改变DCS控制设备内部控制平台的基础上实现了DCS控制设备功能的扩展；

(2)本实用新型设计外挂式导轨，模型预测控制器、模拟量信号输入接口模块和模拟量信号输出接口模块与外挂式导轨进行卡扣连接，方便各模块的维修拆换；

(3)本实用新型模拟量信号输入接口模块输入端的多个控制参数接入端口设置的过热蒸汽温度设定值输入端口、过热蒸汽温度实时值输入端口和过热器减温水阀门开度实时值输入端口便于外挂式预测控制器进行相应的控制，外挂式预测控制器启动切换端口可以实现外挂式预测控制器与DCS控制设备自带的控制方法的切换，只需DCS控制设备上的切换端口给出24V高电平即可切换至外挂式预测控制器进行火电厂过热蒸汽温度的控制。

附图说明

图1为本实用新型用于火电厂过热蒸汽温度控制的外挂式预测控制器的结构示意图；

图2为本实用新型用于火电厂过热蒸汽温度控制的外挂式预测控制器的原理图。

图中，1为模型预测控制器外壳底板，2为串行通信模块基座，3为串行通信模块，4为电源模块，5为以太网接口，6为散热器，7为电源模块基座，8为微型计算机主板基座，9为微型计算机主板，10为模拟量信号输入接口模块外壳底板，11为模拟量信号输入接口模块，12为模拟量信号输出接口模块，13为模拟量信号输出接口模块外壳底板，14为外挂式导轨，15为通信设备拨码地址开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

如图1、图2所示，一种用于火电厂过热蒸汽温度控制的外挂式预测控制器，与DCS控制设备连接，用于DCS控制设备的扩展，外挂式预测控制器包括外挂式导轨14、模型预测控制器、模拟量信号输入接口模块11和模拟量信号输出接口模块12，外挂式导轨14固定在DCS控制设备机柜上，模型预测控制器、模拟量信号输入接口模块11和模拟量信号输出接口模块12卡扣于外挂式导轨14上，模拟量信号输入接口模块11输入端设有多个对应连接至DCS控制设备的控制参数接入端口，模拟量信号输入接口模块11输出端连接至模型预测控制器，模型预测控制器还连接模拟量信号输出接口模块12输入端，模拟量信号输出接口模块12输出端设有连接至DCS控制设备的过热器减温水阀门控制律输出端口。

模型预测控制器、模拟量信号输入接口模块11和模拟量信号输出接口模块12均设有一个外壳底板，分别为模型预测控制器外壳底板1、模拟量信号输入接口模块外壳底板1010和模拟量信号输出接口模块外壳底板13，各外壳底板上设有与外挂式导轨14匹配的导槽，外挂式导轨14嵌入外壳底板进行卡扣连接。模拟量信号输入接口模块11和模拟量信号输出接口模块12都有通信设备拨码地址开关15，以便设置各自的通信地址。

模型预测控制器包括用于通信的串行通信模块3、用于模型预测控制的微型计算机主板9以及用于给微型计算机主板9供电的电源模块4，串行通信模块3、微型计算机主板9和电源模块4分别通过串行通信模块3基座2、电源模块基座7和微型计算机主板9基座8固定在模型预测控制器的外壳底板上，串行通信模块3、微型计算机主板9和电源模块4分别通过螺钉固定在各自对应的基座上。串行通信模块3一端通过杜邦线连接微型计算机主板9，另一端通过双绞线分别连接至模拟量信号输入接口模块11和模拟量信号输出接口模块12，电源模块4输入端连接外部24V供电电源，输出端连接微型计算机主板9。微型计算机主板9上设有散热器6。微型计算机主板9上还设有用于将其与外部计算机进行通信的以太网接口5，外部计算机可通过以太网线远程登录外挂式预测控制器中的微型计算机主板9。同样，模拟量信号输入接口模块11和模拟量信号输出接口模块12上均设有用于连接外部24V供电电源的电源接口。模型预测控制器通过RS485通信线路和Modbus通讯协议与模拟量信号输入接口模块11和模拟量信号输出接口模块12进行通信连接。电厂提供的外部24V供电电源同时给模型预测控制器、模拟量信号输入接口模块11和模拟量信号输出接口模块12供电。

模拟量信号输入接口模块11输入端的多个控制参数接入端口包括过热蒸汽温度设定值输入端口、过热蒸汽温度实时值输入端口、过热器减温水阀门开度实时值输入端口和外挂式预测控制器启动切换端口，过热蒸汽温度设定值输入端口、过热蒸汽温度实时值输入端口和过热器减温水阀门开度实时值输入端口连接至DCS控制设备对应的端口，外挂式预测控制器启动切换端口通过分压模块连接至DCS控制设备上的切换端口，分压模块包括两个串联连接的分压电阻，分别为第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻的串联连接端连接至外挂式预测控制器启动切换端口，第一电阻另一端接地，第二电阻另一端连接DCS控制设备上的切换端口。

模型预测控制器的功能为数据的处理、控制算法的承载以及控制律的计算，模型预测控制器内设有现有的模型预测控制软件包，而模拟量信号输入接口模块11和模拟量信号输出接口模块12将通过硬接线的方式与电厂DCS控制设备直接相连，根据控制器设计需求，需要从DCS控制设备获取过热蒸汽温度设定值、过热蒸汽温度实时值、过热器减温水阀门开度实时值和外挂式预测控制器启动信号这4种参数，外挂式预测控制器将通过模拟量信号输入接口模块11的4路AI通道与DCS对应的4路模拟量输出通道进行硬接线连接，实时地从DCS获取所需的4种过程控制参数：过热器减温水阀门开度实时值通过过热器减温水阀门开度实时值输入端口AI0通道被控制器获取来实现控制器的跟踪功能；过热蒸汽温度实时值通过过热蒸汽温度实时值输入端口AI1通道被控制器获取；过热蒸汽温度设定值通过过热蒸汽温度设定值输入端口AI7通道被获取；外挂式预测控制器启动切换端口AI2通道接分压模块，引出的引脚为DI-，通过硬接线与DCS控制设备上的切换端口DO-相连接，接收其传输的控制器切换信号。模拟量信号输出接口模块12通过一路模拟量输出通道AO1将模型预测控制器计算得到的过热器减温水阀门控制律通过硬接线输出给DCS相应的一路模拟量输入通道，以达到控制效果。模拟量信号输入接口模块11的AI2端口和COM端口与一个内含分压电路的分压模块相连接，最终的引出端变成了DI-和COM，DI-与DCS侧的D0-相连接，DO-另一端连接的是带有干节点的24V直流电源正极，而COM端则连接24V直流电源负极，当DCS侧干节点闭合，DI-和COM之间的电压为24V，通过分压模块使AI2端口分到5V的电压，当干节点断开，AI2端口则接收到0V的电压。模型预测控制器中的微型计算机主板9内的处理模块会自动根据接收到的数值自动进行解析处理，来判断接收到的电压信号是5V还是0V，从而判断DCS侧干节点的通断情况，最终判断DCS发出的控制切换信号的状态。

模型预测控制器能够通过模拟量信号输入接口模块11从DCS获取过热蒸汽温度设定值、过热蒸汽温度实时值、过热器减温水阀门开度实时值和外挂式预测控制器启动信号这4种控制所需的参数，并根据模型预测控制算法计算出过热器减温水阀门控制律，再通过模拟量信号输出接口模块12传输给DCS，从而达到控制效果。

采用外挂式技术和自动控制技术可实现该控制器的电厂热工参数自动检测、控制器切换信号自动检测、控制器自动无扰动切换、控制律计算及控制律输出等功能，其硬件结构示意图如图1所示。电厂提供的24V直流电源作为整个外挂式预测控制器的能量源，为所有的用电模块进行供电。围绕控制器的设计需求，模拟量信号输入接口模块11通过硬接线从DCS获取所需的电厂热工参数及控制器切换信号，并通过RS485和Modbus通讯协议传输给串行通信模块3，经转化成TTL电平信号后发送给微型计算机。微型计算机可通过接收到的控制器切换信号自行判断控制器应处于跟踪状态还是工作状态，若控制器处于工作状态，微型计算机利用获取到的所需热工参数，通过模型预测控制算法计算出相应的控制律，以TTL电平形式传输给串行通信模块3，再经模块转化后传输给模拟量信号输出接口模块12，最终传输给电厂DCS以达到控制效果。若控制器处于跟踪状态时，则对DCS对减温水阀门开度的控制律进行实时跟踪，以便在控制器切换到工作状态时能够实现无扰动切换。

针对火电厂的过热蒸汽温度控制问题，设计了一款外挂式预测控制器，并重点且有针对性地设计了外挂式控制器的接口模块，保证了外挂式控制器能够通过接口模块获取所有控制所需参数，并将计算得到的控制律同样通过接口模块传输给DCS以实现外挂式预测控制器对火电厂过热蒸汽温度的控制。本控制器的实现，为控制领域先进算法在电厂的应用提供了有效、可靠的手段，同时，该外挂式预测控制器所具有的对DCS的实时跟踪和无扰动切换功能更是保障了火电厂的安全运行。此外，该控制器所采用的模型预测控制算法，能够根据过热蒸汽温度控制问题，对被控对象在未来时刻的反应性做出一定的预测，并在此基础上有针对性地根据迭代算法计算出合适的过热器减温水阀门开度值，并进行输出，达到对过热蒸汽温度的控制目的，成功克服了原有串级PID控制器的包括超调过大等在内的动态性能差的缺点，降低了执行机构和设备的运行损耗，在设备健康运行方面有极大优势。本实用新型的重点不在于模型预测控制器中的模型预测控制算法，而在于整个外挂式预测控制器的整体结构，通过这种方式提供了一种在不改变DCS控制设备内部控制平台的基础上实现了DCS控制设备的功能式扩展，因此模型预测控制器也可以是其他的先进控制器，从而达到火电厂过热蒸汽温度的更优控制。