摘要：首先介紹了火電廠熱工鍋爐汽包水位控制系統以及現階段普遍采取的報警和故障檢測方法。針對一般方法的弊端，提出一種新穎的汽包水位預警的方法。該預警系統采用信號間的連鎖和模糊控制的思想，在故障發生以前提出預警，并且找出可能發生的故障。從而達到在水位越限以前進行故障檢修，避免水位越限。
　　　　
　　發電機組的汽包水位控制是火力發電廠控制系統中十分重要的環節之一，汽包水位控制的好壞直接影響到火電廠整機的安全、穩定運行。由于電廠DCS系統運行的復雜性，故障檢測、預警和報警是整個DCS控制系統*的組成部分。汽包水位的過高或過低，都會影響機組的發電量，甚至產生安全生產隱患。實現對汽包水位的監控、預警和報警是十分必要的。對故障的預警和報警而言，系統無需增加額外的硬件成本，通過現有DCS的實測數據分析，尋求優化、實用的數據處理和故障檢測算法，用軟件實現故障的預警和報警，在現有技術水平上是*可行的。
　　
　　目前，大多數火電廠所采用的僅是報警系統，是對事故發生后的報警。例如在電廠應用的集散報警控制系統以及自動保護報警系統[1-3]。故障檢測技術的研究與應用、報警系統的建立已越來越受到控制理論界和工業企業界重視[1-7]。為提高報警系統的可靠性，及時準確的將報警信號從眾多實時數據中提取出來，各種智能技術被引入到故障檢測系統之中，已成為故障檢測研究的重要內容之一。狀態空間法、數據統計、模擬，神經網絡法、知識表達以及輔助決策等各種思想與方法被應用于故障診斷。然而，實際中故障的預報和預警更為重要，他可以提醒檢修人員可能要進行檢查和維護信息，避免故障的發生，做到故障前的預報和預警。本文將針對電廠汽包水位控制系統的所有器件和設備，設計其故障檢測、故障預報和故障預警系統，對所涉及的數據信息分類別提出不同的處理方式。
　　
　　1、設計原理
　　
　　汽包水位控制系統的工藝流程圖，如圖1所示。
　　
　　圖中Lsi為第i臺泵的注水流量，各臺泵可同時運行也可選擇性運行，且各泵的運行如何和輸出流量受泵的給水閥控制，各泵輸出水經匯總到主給水管道向汽包給水，在汽包內經加熱將水變成蒸汽，zui后蒸汽經出氣管道輸出到通常是通過控制汽包水位達到控制汽包輸出蒸汽量的目的。因而，在汽包水位出現不穩定(或越限)時要判斷是何處出現問題，即何處出現故障。本文的設計目的是：
　　
　　(1)在系統正常運行即維護水位穩定時，盡量能發現可能要出現的潛在故障，實現預警和預報。
　　
　　(2)在系統出現不正常運行時，找出故障同時給出報警。
　　
　　通常汽包水位要設置2個水位限制：上限(H1)和下限(H2)，所謂運行正常是指水位(H)維持在上下限之間，即H2≤H≤H1，故當出現H≥H1或H≤H2時，就表示系統出現了故障。影響系統出現故障的原因很多，如水泵故障、閥門故障、調節器故障、變送器故障等均會導致水位越限。為了實現設計的目的，采用數據融合技術和模糊控制思想，整個預報、預警系統結構如圖2所示。由圖2可見，將所有與本系統有的信號分成模擬信號與開關信號兩類，對模擬信號進行濾波處理，以減少干擾的影響，同時故障檢測又是為單信號與多信號分別進行處理，以保證故障定位的準確性；對開關信號只是作為該器件是否運行的依據，也是為故障定位服務的。所需的測點信號為：
　　
　　模擬量：汽包水位H1；汽包水位H2；給水流量Ls；
　　
　　主氣流量Lq；泵給水流量Lsi(i＝1，2…n)；
　　
　　泵電流Ii(i＝1，2…n)。
　　
　　開關量：泵啟動/停轉信號Kii＝(1，2…n)；
　　
　　閥門動作信號Fi(i＝1，2，…，n)。
　　
　　2、預警系統的設計
　　
　　我們知道如何模擬信號，在使用時由于可能出現的干擾而不能直接使用，故對采樣的模擬信號要首先經過預處理，處理方法很多包括信號濾波、補齊、剔除等。本系統涉及的信號預處理方法將另文給予說明，這里主要介紹故障檢測與預警的主要設計思想與實現。以下所有的信號均假定是處理后的信號(即認為是準確反映現場的信號)。
　　
　　2.1單個信號預警與報警設計
　　
　　這一步驟是常規的單個信號的報警，也是zui為普遍的報警形式，在預警和故障檢測中是zui基本的一步。在本系統中，如水位、泵的出水流量、蒸汽流出量等均屬于單個信號。
　　
　　(1)顯然，實際中每個模擬量信號在正常運行時都有自己的變化范圍，超出其范圍就可能意味著發生了故障，具體某個信號的上下限設置，則*根據實際要求而設定，信號越限則發出單信號報警。每2個警報(上限報警、下限報警)對應一個信號。
　　
　　設X為某單個信號，上下限分別為Xmax，Xmin，則信號正常表示為Xmin≤X≤Xmax，否則給出的報警信號。
　　
　　(2)對于每一個信號，他都有自己的變化速度，變化可以慢，但是不能太快，否則可判定系統不正常，給出信號變化過快預警。要求｜Xt1－Xt2｜≤a1，否則給出單個信號X的變化過快預警，其中Xt1是信號在t1時刻的值，Xt2是信號在t2時刻的值，t1－t2為信號X的采樣周期，d1是給定值，根據信號X的具體實際情況而定。
　　
　　2.2組合信號預警
　　
　　這是預警系統的核心部分，通過觀察各種信號之間的關系，在水位越限以前發現各個故障，發出預警信號。
　　
　　(1)當水泵啟動后，進入了正常運轉，Ki＝1，泵電流和泵給水流量成正比。否則泵或者流量變送器可能出現故障，發出電流轉速不匹配預警信號(AL1)。
　　
　　其中：Ii為泵電機電流；Lsi為泵出水流量；ki為比例系數，由其電機特性決定；d2為給定值。
　　
　　(2)多個泵的流量總和應等于總給水流量。否則一定是變送器或者水泵、閥門有問題，發出給水量不匹配預警信號(AL2)，提示水流量不等。
　　
　　其中：Ls為汽包給水流量；d3為定值；Lsi是單泵給水流量；0≤Pi≤1為融合系數，一般定為1，泵停止工作時，即Ki＝0時，Pi定為0。
　　
　　汽包水位的2個測點相差不能太大。否則有一個以上變送器有故障。發出測點信號不匹配預警信號(AL3)。
　　
　　其中H1，H2為汽包水位的2個水位測點信號；d4為給定值。
　　
　　(3)在汽包水位控制系統中，為了保證水位的穩定，進水量與出氣量大致相當，而且與水位高低有關。水位過高，進水量要小于出汽量，水位過低，進水量要求大于出汽量。但是這種小于或者大于并不是的。因為水位并不是不允許波動的。當水位過高時，進水量不一定要時時刻刻都小于出氣量，否則預警系統會在沒有任何故障的情況下時時刻刻報警。為此提出公式(4)。
　　
　　｜Ls－Lq｜≤A(4)
　　
　　其中：Ls為進水量；Lq為出氣量；A為給定值。然而，A又不是一個在系統運行過程中始終不變的定值，在不同的汽包水位值，其大小應是一個受水位高低影響的模糊控制變量。設水位H＝H1s1＋H2s2，s1，s2為融合系數，s1＋s2＝1。為了提高預警的性，把水位視為一個模糊量，給出一種模糊劃分。
　　
　　記所要求的汽包理想水位值為0水位，一般而言，理想水位(即0水位)附近一段要求的范圍較大(即此時A的值要選的大一些)，離0水位點越遠，范圍越小，因為水位偏離正常水位越遠，預警精度要求越高，模糊量的劃分就越細。我們的具體做法為：
　　
　　首先對所測得的水位進行模糊化，寫出水位的論域，相應的語言變量取值為
　　
　　H＝｛VS(很低)，S(低)，MS(較低)，M(中)，ML(較高)，L(高)，VL(很高)｝，在各個語言變量論域上用于描述模糊子集的隸屬函數采用梯形隸屬函數。
　　
　　對于水位變量的隸屬關系采用的梯形隸屬函數如下：
　　
　　其中：i＝－3，－2，－1，0，1，2，3；j＝1，2，3，4，aij根據每個廠的具體情況有所不同，隸屬度函數梯形圖如圖4所示。
　　
　　對水位進行模糊劃分以后，在給定目標之下，提出用下列公式進行模糊推理，當水位高于0水位時：
　　
　　來描述一定水位階段系統工作是否正常的判斷，其中：Lq是平均出氣量；Ls是平均進水量。當式(6)和式(7)不成立，則說明水位變化出現不正常，給出預警(AL4)信號，此時可能出現了調節器故障，變送器故障或者閥門故障等或存在安全隱患，要求給予注意。但此時水位仍在安全工作范圍之內。根據火電廠實際經驗，每一段A的值都將有所不同，所以式(8)是一個分段函數。
　　
　　其中：Ai＞0(i＝－3，－2，－1，0，1，2，3)為常數，其取值原則可根據不同電廠的實際而有所不同，通常應滿足：當i≥0，時，Ai－1＞Ai；當i＜0時，Ai＞Ai－1，水位越高或越低，A的取值越小，A3，A－3可取為0。
　　
　　根據上述的模糊推理規則，很容易推理出不同論域所對應的A值。但是這并不是真正的輸出值，而真正的A的值要進行反模糊化才能得出。模糊推理后出來的結果是具有隸屬度的，是一個模糊的量，zui后的工作就是要得到一個清晰的量，必須對結果進行反模糊化，也就是清晰化的計算。本設計采用加權平均法進行清晰化的計算，此方法也稱為重心法。公式如下：
　　
　　由于采用軟件實現這一過程，信號是采用離散的信號，不是連續的信號，所以上面的公式并不適用，我們采用的是離散的重心法公式，如下：
　　
　　其中：H是實際的水位；i＝－3，－2，－1，0，1，2，3；Ai是對應于式(8)的經驗值；μi(H)是實際水位H所對應的隸屬函數。
　　
　　整個算法主要是用以上3個步驟來實現，在具體運用中，首先根據對所測定的汽包水位進行模糊化，通過式(5)，算出當水位在各個論域(VS，S，MS，L，ML，VL)中的隸屬度。然后通過式(10)，用每一個論域中的經驗值乘以對應的隸屬度，相加后再除以所有隸屬度之和，便得出輸出的具體A值，從而進行預警處理。
　　
　　對平均進水量Ls,由于當任何一個閥門動作(開或者關)時，即Fi＝1，給水量將有大幅度的變化，所以這里平均進水量的含義不同于其平均濾波。為減少出現誤預警現象，如圖5所示，當給水量有大幅度變化時，要求對Ls重新累計取平均數，以達到預警的目的。
　　
　　3、結語
　　
　　本文針對火電廠鍋爐汽包水位控制系統，進行預警，通過各種信號間的關系變化，經過各自的信號融合，能夠在水位超限以前提出預警，找出故障。在很大程度上減少水位越限，對于保證機組的安全運行具有很大的意義。本設計方案正在同火電廠其他系統的預警方案一起采取軟件實現，制作軟件包，很快將運用到火電廠。