GE PQMII-T20-C-A    

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OMRON PLC在供暖鍋爐智能化控制中的應(yīng)用

摘要：鍋爐的燃燒過程十分復(fù)雜，燃燒系統(tǒng)內(nèi)部的給煤、鼓風(fēng)耦合性強，過程的非線性和大滯后也成了控制對象的難題，本系統(tǒng)采用一種基于人工智能的專家系統(tǒng)控制方案，有效地適應(yīng)鍋爐各參數(shù)之間頻繁的變化，克服多回路耦合和煤質(zhì)干擾，很好的解決了鍋爐燃燒控制的難題，特點是自動尋優(yōu)、人工智能、專家系統(tǒng)、全自動運行，節(jié)能增效。

　　關(guān)鍵詞：智能控制、自動尋優(yōu)、專家系統(tǒng)、多路耦合。



　　1 引言

　　我國是世界上少數(shù)幾個以煤為主要能源的國家之一，目前每年煤炭消費量約12億噸，其中80%通過燃燒被利用。然而，燃燒設(shè)備陳舊、效率低、排放無控制造成了能源和環(huán)境污染嚴重，能源節(jié)約與環(huán)境保護已成為現(xiàn)有燃煤技術(shù)所需解決的主要問題。我國現(xiàn)有大量的電站鍋爐和供熱鍋爐，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的比例相當(dāng)驚人，但大多數(shù)工業(yè)鍋爐處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染等嚴重的生產(chǎn)狀態(tài)。故提高熱效率，降低耗煤量是一件具有深遠意義的工作。

　　國外燃煤鍋爐自動控制，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展主要經(jīng)歷了初創(chuàng)、成熟、擴展幾個時期，而燃燒系統(tǒng)的控制，始終作為燃煤鍋爐自動控制的重點課題。美國的FOXBORO公司在推出I/A SERIS智能鍋爐自動控制系統(tǒng)，德國德萊斯勒燃燒器公司,以及英國海威燃燒工程公司研制出的鍋爐控制系統(tǒng)，其燃燒系統(tǒng)的控制都在一定條件下，達到了較好的控制效果；而鍋爐燃燒系統(tǒng)控制采用的模型算法的發(fā)展趨勢，基本上都是采用智能控制、專家系統(tǒng)、模糊控制以及常規(guī)控制集成到系統(tǒng)中。

　　我國燃煤鍋爐自動控制系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，正在走向成熟。有代表性的為：大連海運學(xué)院的DMC鍋爐控制系統(tǒng)，重慶鋼鐵公司的工業(yè)爐窯模糊控制自動化系統(tǒng)，湖南康通信息技術(shù)有限公司的鍋爐智能控制系統(tǒng)。與國外同類系統(tǒng)相比，國內(nèi)鍋爐控制系統(tǒng)正處在不斷完善、逐步走向成熟階段。雖然我國燃煤鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制模型算法發(fā)展趨勢向前沿靠攏，但是結(jié)合燃煤供暖鍋爐運行實際，燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的運行效果一直不很理想。主要表現(xiàn)在不能夠有效的滿足負荷需求，熱效率不能夠得到有效的提高，投運時過于依賴有經(jīng)驗的操作人員，數(shù)據(jù)化控制不強。如何結(jié)合燃煤鍋爐運行實際，設(shè)計行之有效的鍋爐燃燒系統(tǒng)控制模型，是燃煤鍋爐控制系統(tǒng)中一個迫切需要解決的課題。為了解決這個問題，我們在哈市某供暖小區(qū)采用日本OMRON公司的CS1控制系統(tǒng)而研制開發(fā)了鍋爐智能尋優(yōu)自動控制系統(tǒng)，保證鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的同時，實現(xiàn)了鍋爐智能化、自動尋優(yōu)控制，達到了保護環(huán)境，大大提高鍋爐燃燒效率，節(jié)約能源的目的。


　　2 控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

　　2、1鍋爐系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)分析

　　供暖鍋爐系統(tǒng)是一個多容系統(tǒng)。每臺爐的熱負荷用給煤、送風(fēng)、引風(fēng)調(diào)節(jié)，作為內(nèi)部燃燒系統(tǒng)控制；給水控制的任務(wù)主要是控制供水流量和回水流量 ,從而間接地影響回水溫度和供回水溫差。單臺鍋爐內(nèi)部燃燒系統(tǒng)的給煤、送風(fēng)調(diào)節(jié)耦合性強；且燃燒控制與給水控制及采暖也有復(fù)雜的耦合關(guān)系。同時，各爐并網(wǎng)運行時各爐之間也相互耦合，特別是取暖負荷變化較大時，各爐間耦合更為突出；而取暖負荷本身的調(diào)節(jié)又是一個帶純滯后的非線性過程；為了解決相互間耦合、過程滯后及非線性過程所帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定等，前臺程序用Visual Basic語言來實現(xiàn)自動尋優(yōu)、組織運行算法等，通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換與KINGVIEW上位機軟件通訊，實現(xiàn)監(jiān)測、控制。


　　2、2 燃燒效率曲線

　　大多數(shù)工業(yè)鍋爐處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染等因素，與燃燒有直接關(guān)系，從各種燃燒裝置的實際運行都可知道：如果空氣量不足，燃燒不充分，燃燒效率低；但空氣過多也會使排煙帶走的熱量增加，同樣也是不經(jīng)濟的。根據(jù)以上分析知有以下曲線：

圖一　燃燒效率曲線

　　關(guān)于燃燒問題存在一個普遍的燃燒效率山頂現(xiàn)象，即熱效率對空燃比來說都有一個大值，可以肯定燃燒效率η是空燃比k的上單峰函數(shù)，這是在燃燒系統(tǒng)進行優(yōu)化控制的基礎(chǔ)。[1]可記作：η=f(k)，根據(jù)此函數(shù)可得燃燒效率與空燃比之間的函數(shù)關(guān)系，達到佳燃燒值點，提高效率，節(jié)約能源。


2、3 專家系統(tǒng)自尋優(yōu)算法模型
設(shè)η=f(k)在約束條件a≤k≤b下是一個上單峰函數(shù)，則用改進的極值搜索法設(shè)計的自尋優(yōu)算法模型計算過程如下：


　

圖二　自尋優(yōu)算法模型框圖

　　尋優(yōu)步長 SOP;計數(shù)器 n;

　　專家系統(tǒng)模型具有兩個*鮮明的特點：

　　①具有智能性，無論尋優(yōu)的起始點在大值的哪邊，它都可以迅速找對優(yōu)化的方向；
　　②它可以達到任何所要求的尋優(yōu)精度[2]。


　　2、4 鍋爐燃燒效率公式

　　　　η=Q1/Q η燃燒熱效率;Q1鍋爐供熱量;Q鍋爐給熱量
　　　　Q1=G*ΔT G總循環(huán)水量; ΔT供回水溫差
　　　　Q=T*Qnet T鍋爐耗煤量; Qnet煤低位發(fā)熱值

　　通過以上計算公式與鍋爐自尋優(yōu)算法調(diào)配風(fēng)煤比相結(jié)合,可降低鍋爐耗煤量,大大提高熱效率。 


　　3 軟件設(shè)計

　　根據(jù)控制方案及用戶要求，計算機控制系統(tǒng)主要完成下列功能：工藝參數(shù)顯示功能、參數(shù)的修改與設(shè)置、輸出量的控制、事故記錄的報警及保存、報表數(shù)據(jù)查詢打印等。我們選用Visual Basic 作為前臺程序設(shè)計語言[3]，實現(xiàn)自動尋優(yōu)算法，與亞控公司的KINGVIEW軟件進行數(shù)據(jù)交換，Microsoft Access 作為后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于保存故障、報警等數(shù)據(jù)。軟件編制主要包括上位機流程圖與下位機控制程序。


　　4 鍋爐智能控制的設(shè)計

　　由取暖小區(qū)需求供熱量、鍋爐系統(tǒng)實際總供熱量和取暖小區(qū)實際消耗熱量，以及能量損失等數(shù)據(jù)組成檢測知識庫。來實現(xiàn)檢測點數(shù)據(jù)的識別、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、熱效率計算、燃燒狀況的測定等推理操作；經(jīng)數(shù)據(jù)過濾、分類、分析等數(shù)據(jù)處理后，送鍋爐系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫。
由時變非線性負荷給定模型形成供暖鍋爐組的控制知識庫，即形成滿負荷運行爐、幫燒調(diào)節(jié)爐、停燒爐及其運行時間等控制知識庫的規(guī)則[1]。由控制推理機來實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的負荷給定和優(yōu)化燃燒，且得到隨負荷變化的負壓給定。

　　結(jié)合鍋爐工藝運行，實施推理規(guī)則為：用給煤、鼓風(fēng)、引風(fēng)粗調(diào)負荷后使系統(tǒng)燃燒滿足負荷需求且爐膛燃燒趨于穩(wěn)定，再采用熱效率尋優(yōu)模型細調(diào)風(fēng)煤比尋優(yōu)，可有效完成鍋爐系統(tǒng)運行達到熱效率極大值點，實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒的目的。

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圖三 供暖鍋爐專家智能控制系統(tǒng)

　　由取暖小區(qū)需求供熱量、鍋爐系統(tǒng)實際總供熱量和取暖小區(qū)實際消耗熱量，以及能量損失等數(shù)據(jù)組成檢測知識庫，由檢測推理機來實現(xiàn)檢測點數(shù)據(jù)的識別、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、熱效率計算、燃燒狀況的測定等推理操作，經(jīng)數(shù)據(jù)過濾、分類、分析等數(shù)據(jù)處理后，送鍋爐系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫。

　　上述小區(qū)供暖鍋爐智能控制系統(tǒng)運行成功的關(guān)鍵問題，是鍋爐燃燒控制知識庫的規(guī)則獲取。我們考慮控制規(guī)則可以來自于四個方面：鍋爐燃燒過程運行理論，運行專家的操作經(jīng)驗，工業(yè)現(xiàn)場實際經(jīng)驗的摸索，運行過程中的不斷完善。

　　專家智能控制系統(tǒng)是用前臺語言Visual Basic實現(xiàn)的，上位機KINGVIEW軟件將鍋爐實時運行的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，表中可清晰了解鍋爐每小時運行數(shù)據(jù)，供、回水溫度、爐溫、溫差、供熱量、給熱量、耗煤量、室外溫度，包括鍋爐的熱效率和負荷率。鍋爐運行情況、節(jié)煤情況等一目了然，提高了管理水平。

　　專家智能控制系統(tǒng)另外一個突出的優(yōu)點是，組織運行策略，計算機了解室外平均溫度后，可自動根據(jù)組織運行策略，自動起機、自動燃燒、自動尋優(yōu)、自動停爐，按時打印報表，全自動運行。

　　燃燒系統(tǒng)的負荷和燃料的協(xié)調(diào)達到理想狀態(tài)，從而節(jié)約大量燃料和電能，并使鍋爐壽命延長。減輕了對大氣污染，真正達到了環(huán)保的目的。另外，自動化的管理模式保證鍋爐運行的安全、穩(wěn)定，減輕操作人員的勞動強度。


　　5 結(jié)束語

　　本文根據(jù)智能自動化的系統(tǒng)理論，設(shè)計這一供暖鍋爐智能專家控制系統(tǒng)；通過供暖鍋爐控制系統(tǒng)的運行環(huán)境的取暖需求模型，作為建立專家智能系統(tǒng)的關(guān)鍵，強調(diào)供暖運行效果；采用一種面向應(yīng)用對象功能實現(xiàn)的自尋優(yōu)算法模型，克服多回路耦合和煤質(zhì)干擾，很好的解決了鍋爐燃燒控制難題，自動化程度及控制精度都較高，主要技術(shù)指標有爐膛負壓控制精度：士2Pa；空氣過剩系統(tǒng)：小于1.8；渣含碳量：小于15%；熱效率比手動控制提高：4%；變頻調(diào)速節(jié)電：30%；節(jié)煤：每臺鍋爐（以20噸每小時為例）年節(jié)煤2000噸。本套鍋爐系統(tǒng)具有人工智能、全自動運行，提高效率等優(yōu)點，為國家大大節(jié)約能源，在國內(nèi)各類型鍋爐中具有很好的推廣價值。