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      管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)及方法與流程

      文檔序號:12442032閱讀:337來源:國知局
      管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)及方法與流程

      本發(fā)明屬于管式加熱爐領域,尤其涉及一種管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)及方法。



      背景技術:

      調(diào)爐決策系統(tǒng)通過對采集得到的煙氣數(shù)據(jù)進行分析,得出相應的調(diào)爐建議,輔助現(xiàn)場技術人員對加熱爐進行調(diào)節(jié)。管式加熱爐是一個多變量、工況復雜、時滯、大慣性的系統(tǒng),其中多個變量變化頻繁并相互耦合,如空氣和燃料的發(fā)熱值。使用普通的PID控制方法對管式加熱爐進行控制操作很難達到控制要求。并且目前國內(nèi)石油化工企業(yè)對管式加熱爐的自動控制研究還是停留在工藝控制方面,對于加熱爐的熱效率控制還是通過人工調(diào)爐的方法,工作人員通過離線檢測的方法取得加熱爐的煙氣數(shù)據(jù),再通過經(jīng)驗對管式加熱爐進行調(diào)節(jié)。離線檢測得到的數(shù)據(jù)必然存在時延,不能及時的對加熱爐進行有效調(diào)節(jié)。



      技術實現(xiàn)要素:

      本發(fā)明旨在解決上述問題,提供一種管式加熱爐冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)和方法。

      本發(fā)明所述的一種管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng),包括中控室工控機、與中控室工控機連接的數(shù)據(jù)采集裝置、與數(shù)據(jù)采集裝置連接的數(shù)據(jù)分析裝置,其特征在于:所述數(shù)據(jù)分析裝置連接兩套冗余調(diào)爐決策裝置,所述兩套冗余調(diào)爐決策裝置分別為基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略裝置和基于模型的調(diào)爐策略裝置,所述基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略裝置以現(xiàn)場技術人員的調(diào)爐經(jīng)驗為基礎,建立管式加熱爐調(diào)爐規(guī)則庫,為工作人員調(diào)爐提供建議,所述基于模型的調(diào)爐策略則是以管式加熱爐模型為基礎,采用廣義預測控制算法對氧含量進行預測控制,在加熱爐平穩(wěn)運行的狀況下給出定量的控制建議。

      本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng),所述中控室工控機控制基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略裝置,所述基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略裝置的規(guī)則庫能根據(jù)現(xiàn)場加熱爐爐況的變化進行修改。

      本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng),所述基于模型的調(diào)爐策略裝置應用廣義預測算法對管式加熱爐的煙氣輸出值進行預測控制;所述基于模型的調(diào)爐策略裝置通過OPC與Matlab輔助計算設備連接;所述Matlab輔助計算設備讀取中控室工控機動態(tài)組件中的煙氣數(shù)據(jù),將讀取到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)矩陣中;然后對數(shù)據(jù)矩陣中的樣本數(shù)進行判斷。

      本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng),所述對數(shù)據(jù)矩陣中的樣本數(shù)進行判斷是:當數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時,使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型,并將模型進行線性化處理。

      本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng),所述數(shù)據(jù)采集裝置為煙氣數(shù)據(jù)采集裝置,所述煙氣數(shù)據(jù)采集裝置采集氧氣、一氧化碳以及二氧化碳含量數(shù)據(jù)。

      本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng),所述數(shù)據(jù)分析裝置為數(shù)據(jù)分析比較器,其比較的依據(jù)為預設值。

      本發(fā)明所述的一種管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策方法,該方法包括:

      1)數(shù)據(jù)采集

      數(shù)據(jù)采集是采集氧氣、一氧化碳以及二氧化碳含量數(shù)據(jù);

      2)爐況分析

      爐況分析比較的依據(jù)為預設值;

      3)爐況判斷

      3.1)若失穩(wěn),采用基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略;

      3.2)若平穩(wěn),采用基于模型的調(diào)爐策略;

      3.3)上述兩種策略的切換過程是:通過加熱爐煙氣采集系統(tǒng)獲取20組煙氣數(shù)據(jù),包括氧氣含量,二氧化硫含量和一氧化碳含量;首先去除20組數(shù)據(jù)中的最大值與最小值,并計算余下數(shù)據(jù)的平均值;將得到的氧氣含量、一氧化碳含量和二氧化硫含量的平均值與管式加熱爐平穩(wěn)運行時的基準值進行比較,得出比較結果,若任意一種煙氣數(shù)據(jù)平均值在基準值之外則計數(shù)器P加1,否則計數(shù)器P清零并計算下一組數(shù)據(jù);當P大于30時,則可以認為加熱爐處于非平穩(wěn)運行狀態(tài),選擇基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略,若P小于30時,則認為加熱爐處于平穩(wěn)運行狀態(tài),采用基于模型的調(diào)爐策略。

      本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策方法,所述基于模型的調(diào)爐決策是以管式加熱爐模型為基礎,利用Matlab進行輔助計算,將需要計算的原始數(shù)據(jù)通過OPC技術發(fā)送到Matlab中,完成運算后再將得到的結果返回到中控室工控機組態(tài)軟件中并通過組態(tài)界面進行顯示;

      首先,應用OPC技術讀取中控室工控機組態(tài)軟件中的煙氣數(shù)據(jù),將讀取到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)矩陣中;

      然后對數(shù)據(jù)矩陣中的樣本數(shù)進行判斷,當數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時,使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型,并將模型進行線性化處理;

      最后通過OPC技術讀取組態(tài)王中氧含量的給定值,應用廣義預測算法控制跟蹤給定的氧含量值并將控制量寫入中控室工控機組態(tài)軟件中。

      本發(fā)明所述的管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)及方法,通過設置冗余調(diào)爐的方式,基于現(xiàn)場技術人員的調(diào)爐經(jīng)驗,建立管式加熱爐調(diào)爐規(guī)則庫,為工作人員調(diào)爐提供建議;基于管式加熱爐模型為基礎,采用廣義預測控制算法對氧含量進行預測控制,在加熱爐平穩(wěn)運行的狀況下給出定量的控制建議,以此提高管式加熱爐的自動控制性能,使得操作人員便于及時采取應對措施,減少延遲,且本發(fā)明所述的管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)結構簡單,易于操作;所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策方法操作流程簡單,使得工作效率得到有效提升,適于推廣應用。

      附圖說明

      圖1為本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)原理框圖;

      圖2為切換條件選擇流程圖;

      圖3為基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略;

      圖4 為基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略組態(tài)界面圖;

      圖5 為OPC服務器3種層次的對象關系圖;

      圖6 為OPC客戶端與OPC服務器之間的關系圖;

      圖7 為基于模型的調(diào)爐策略流程圖;

      圖8為基于模型的調(diào)爐決策組態(tài)界面圖。

      具體實施方式

      下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做詳細說明:

      本發(fā)明所述的一種管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng),如圖1所示,包括中控室工控機、與中控室工控機連接的數(shù)據(jù)采集裝置、與數(shù)據(jù)采集裝置連接的數(shù)據(jù)分析裝置,其特征在于:所述數(shù)據(jù)分析裝置連接兩套冗余調(diào)爐決策裝置,所述兩套冗余調(diào)爐決策裝置分別為基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略裝置和基于模型的調(diào)爐策略裝置,所述基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略裝置以現(xiàn)場技術人員的調(diào)爐經(jīng)驗為基礎,建立管式加熱爐調(diào)爐規(guī)則庫,為工作人員調(diào)爐提供建議,所述基于模型的調(diào)爐策略則是以管式加熱爐模型為基礎,采用廣義預測控制算法對氧含量進行預測控制,在加熱爐平穩(wěn)運行的狀況下給出定量的控制建議。所述中控室工控機控制基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略裝置,所述基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略裝置的規(guī)則庫能根據(jù)現(xiàn)場加熱爐爐況的變化進行修改。

      通過管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)得到的煙氣數(shù)據(jù)對加熱爐的運行狀況進行判斷。當加熱爐處于平穩(wěn)運行狀態(tài)時,采用基于模型的調(diào)爐策略;在加熱爐處于非平穩(wěn)運行狀態(tài)時,采用基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略,切換條件選擇流程圖如圖2所示。

      通過加熱爐煙氣采集系統(tǒng)獲取20組煙氣數(shù)據(jù),包括氧氣含量,二氧化硫含量和一氧化碳含量。首先去除20組數(shù)據(jù)中的最大值與最小值,并計算余下數(shù)據(jù)的平均值。將得到的氧氣含量、一氧化碳含量和二氧化硫含量的平均值與管式加熱爐平穩(wěn)運行時的基準值進行比較,得出比較結果,若任意一種煙氣數(shù)據(jù)平均值在基準值之外則計數(shù)器P加1,否則計數(shù)器P清零并計算下一組數(shù)據(jù)。當P大于30時,則可以認為加熱爐處于非平穩(wěn)運行狀態(tài),選擇基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略,若P小于30時,則認為加熱爐處于平穩(wěn)運行狀態(tài),采用基于模型的調(diào)爐策略。三種數(shù)據(jù)的基準值如表1所示:

      基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略適用于處于非平穩(wěn)運行狀態(tài)的加熱爐,通過對平時現(xiàn)場技術人員的經(jīng)驗進行總結制定出的相應的規(guī)則庫。規(guī)則庫中的規(guī)則可以根據(jù)現(xiàn)場加熱爐爐況的變化進行修改。

      基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略控制原理框圖如圖3所示,通過加熱爐煙氣采集系統(tǒng)得到相應的煙氣數(shù)據(jù),通過對規(guī)則庫的查詢,給出相應的調(diào)爐建議,進行人工調(diào)爐。因此,基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略是對加熱爐的粗放調(diào)節(jié)。

      以上功能均在中控室工控機中通過組態(tài)軟件自身的編程來實現(xiàn)。查詢程序通過:IF <條件1> AND <條件2> AND <條件…>THEN <結論>的格式編寫,結論通過查詢規(guī)則庫得出,從而給出調(diào)爐建議?;菊{(diào)爐規(guī)則庫如表2所示:

      基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略組態(tài)界面如圖4所示。

      本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng),所述基于模型的調(diào)爐策略裝置應用廣義預測算法對管式加熱爐的煙氣輸出值進行預測控制;所述基于模型的調(diào)爐策略裝置通過OPC與Matlab輔助計算設備連接;所述Matlab輔助計算設備讀取中控室工控機動態(tài)組件中的煙氣數(shù)據(jù),將讀取到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)矩陣中;然后對數(shù)據(jù)矩陣中的樣本數(shù)進行判斷。所述對數(shù)據(jù)矩陣中的樣本數(shù)進行判斷是:當數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時,使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型,并將模型進行線性化處理。

      基于模型的調(diào)爐決策是以管式加熱爐模型為基礎,并應用廣義預測算法對管式加熱爐的煙氣輸出值進行預測控制。但由于管式加熱爐模型的參數(shù)尋優(yōu)以及廣義預測算法需要大量的計算,而組態(tài)軟件的后臺計算能力較弱,故本文利用Matlab進行輔助計算,將需要計算的原始數(shù)據(jù)通過OPC技術發(fā)送到Matlab中,完成運算后再將得到的結果返回到組態(tài)軟件中并通過組態(tài)界面進行顯示,彌補了組態(tài)王不能進行大量復雜計算的缺點。

      OPC(OLE for Process Control)是一個常用的工業(yè)控制標準,應用OPC技術可以實現(xiàn)在現(xiàn)有工業(yè)標準下的不同設備間的通信。主要應用于數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)訪問、報警和事件處理、數(shù)據(jù)冗余技術、遠程數(shù)據(jù)訪問等工業(yè)控制。OPC技術優(yōu)點如下所示:

      (1)與傳統(tǒng)的DDE通信模式相比,通信速率明顯提升;

      (2)減少了數(shù)據(jù)設備間的不兼容;

      (3)節(jié)省了系統(tǒng)集成的開發(fā)成本;

      (4)便于控制軟件獨立于硬件進行開發(fā)設計;

      (5)系統(tǒng)的可靠性較高;

      OPC服務器主要由服務器(server)、組(group)和數(shù)據(jù)項(item) 3類對象組成, 3種對象的層次關系如圖5所示。

      在Matlab仿真軟件中提供了OPC工具箱Matlab OPC Toolbox,它可以作為OPC客戶端進行數(shù)據(jù)訪問,從支持OPC標準的設備軟件中讀取數(shù)據(jù)。OPC服務器與OPC客戶端之間的關系如圖6所示。因此應用OPC工具箱可以方便的將作物OPC服務器的組態(tài)王中的數(shù)據(jù)通過OPC方式讀取到Matlab中來。

      通過Matlab軟件平臺用戶可以應用三種方式實現(xiàn)Matlab與組態(tài)王軟件之間的OPC通信:編寫命令行、應用Simulink仿真與圖形化界面。通過這三種方式都可以實現(xiàn)連接組態(tài)王OPC服務器,讀取煙氣數(shù)據(jù)的功能。本文應用編寫命令行的方式建立Matlab與組態(tài)王OPC服務器之間的連接,此種方法更加靈活方便。用于構建OPC通信的主要函數(shù)有:

      (1)opcda:用于構建OPC服務器存儲地址;

      (2)connect:用于連接OPC服務器;

      (3)addgroup:用于創(chuàng)建OPC組;

      (4)additem:用于添加OPC數(shù)據(jù)項;

      (5)writeasync:用于將數(shù)據(jù)寫入OPC服務器。

      應用以上函數(shù)編寫Matlab命令行即可實現(xiàn)Matlab與組態(tài)王之間的OPC數(shù)據(jù)通信。主要程序如下所示:

      %Matlab讀取組態(tài)王數(shù)據(jù)

      da=opcda('localhost','KingView.View.1');

      connect(da);

      grp1=addgroup(da);

      itm1=additem(grp1,'氧量.Value');

      a=itm1.Value;

      %Matlab向組態(tài)王寫入數(shù)據(jù)

      da=opcda('localhost','KingView.View.1');

      connect(da);

      grp1=addgroup(da);

      itm1=additem(grp1,'氧量.Value');

      writeasync(itm1,yy(k));

      應用Matlab與組態(tài)王混合編程的基于模型的調(diào)爐策略流程圖如圖7所示:

      首先,應用OPC技術讀取組態(tài)王中的煙氣數(shù)據(jù),將讀取到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)矩陣中。然后對數(shù)據(jù)矩陣中的樣本數(shù)進行判斷,當數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時,使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型,并將模型進行線性化處理。最后通過OPC技術讀取組態(tài)王中氧含量的給定值,應用廣義預測算法控制跟蹤給定的氧含量值并將控制量寫入組態(tài)王中?;谀P偷恼{(diào)爐策略如圖8所示。

      通過煙氣采集系統(tǒng)得到的氧含量值為2.7%,現(xiàn)將氧含量給定值設置為3%,通過Matlab后臺計算得出管式加熱爐的輸入控制量增量:鼓風機入口壓強為+5KPa;燃氣流量為+100t/h;相應的煙氣擋板開度為+2%和-1%。

      本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng),所述數(shù)據(jù)采集裝置為煙氣數(shù)據(jù)采集裝置,所述煙氣數(shù)據(jù)采集裝置采集氧氣、一氧化碳以及二氧化碳含量數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)分析裝置為數(shù)據(jù)分析比較器,其比較的依據(jù)為預設值。

      本發(fā)明所述的管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策方法,該方法包括:

      1)數(shù)據(jù)采集

      數(shù)據(jù)采集是采集氧氣、一氧化碳以及二氧化碳含量數(shù)據(jù);

      2)爐況分析

      爐況分析比較的依據(jù)為預設值;

      3)爐況判斷

      3.1)若失穩(wěn),采用基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略;

      3.2)若平穩(wěn),采用基于模型的調(diào)爐策略;

      3.3)上述兩種策略的切換過程是:通過加熱爐煙氣采集系統(tǒng)獲取20組煙氣數(shù)據(jù),包括氧氣含量,二氧化硫含量和一氧化碳含量;首先去除20組數(shù)據(jù)中的最大值與最小值,并計算余下數(shù)據(jù)的平均值;將得到的氧氣含量、一氧化碳含量和二氧化硫含量的平均值與管式加熱爐平穩(wěn)運行時的基準值進行比較,得出比較結果,若任意一種煙氣數(shù)據(jù)平均值在基準值之外則計數(shù)器P加1,否則計數(shù)器P清零并計算下一組數(shù)據(jù);當P大于30時,則可以認為加熱爐處于非平穩(wěn)運行狀態(tài),選擇基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略,若P小于30時,則認為加熱爐處于平穩(wěn)運行狀態(tài),采用基于模型的調(diào)爐策略。

      本發(fā)明所述管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策方法,所述基于模型的調(diào)爐決策是以管式加熱爐模型為基礎,利用Matlab進行輔助計算,將需要計算的原始數(shù)據(jù)通過OPC技術發(fā)送到Matlab中,完成運算后再將得到的結果返回到中控室工控機組態(tài)軟件中并通過組態(tài)界面進行顯示;

      首先,應用OPC技術讀取中控室工控機組態(tài)軟件中的煙氣數(shù)據(jù),將讀取到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)矩陣中;然后對數(shù)據(jù)矩陣中的樣本數(shù)進行判斷,當數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時,使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型,并將模型進行線性化處理;最后通過OPC技術讀取組態(tài)王中氧含量的給定值,應用廣義預測算法控制跟蹤給定的氧含量值并將控制量寫入中控室工控機組態(tài)軟件中。

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