管式加熱爐的冗餘調爐決策系統的製作方法
2023-05-29 00:16:31 1
本實用新型屬於管式加熱爐領域，尤其涉及一種管式加熱爐的冗餘調爐決策系統。
背景技術：
調爐決策系統通過對採集得到的煙氣數據進行分析，得出相應的調爐建議，輔助現場技術人員對加熱爐進行調節。管式加熱爐是一個多變量、工況複雜、時滯、大慣性的系統，其中多個變量變化頻繁並相互耦合，如空氣和燃料的發熱值。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。並且目前國內石油化工企業對管式加熱爐的自動控制研究還是停留在工藝控制方面，對於加熱爐的熱效率控制還是通過人工調爐的方法，工作人員通過離線檢測的方法取得加熱爐的煙氣數據，再通過經驗對管式加熱爐進行調節。離線檢測得到的數據必然存在時延，不能及時的對加熱爐進行有效調節。
技術實現要素：
本實用新型旨在解決上述問題，提供一種管式加熱爐冗餘調爐決策系統和方法。
本實用新型所述的一種管式加熱爐的冗餘調爐決策系統,包括中控室工控機、與中控室工控機連接的數據採集裝置、與數據採集裝置連接的數據分析裝置，其特徵在於：所述數據分析裝置連接兩套冗餘調爐決策裝置，所述兩套冗餘調爐決策裝置分別為基於規則庫的調爐策略裝置和基於模型的調爐策略裝置，所述基於規則庫的調爐策略裝置以現場技術人員的調爐經驗為基礎，建立管式加熱爐調爐規則庫，為工作人員調爐提供建議，所述基於模型的調爐策略則是以管式加熱爐模型為基礎，採用廣義預測控制算法對氧含量進行預測控制，在加熱爐平穩運行的狀況下給出定量的控制建議。
本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策系統,所述中控室工控機控制基於規則庫的調爐策略裝置，所述基於規則庫的調爐策略裝置的規則庫能根據現場加熱爐爐況的變化進行修改。
本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策系統,所述基於模型的調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；所述基於模型的調爐策略裝置通過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組件中的煙氣數據，將讀取到的數據存入數據矩陣中；然後對數據矩陣中的樣本數進行判斷。
本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策系統,所述對數據矩陣中的樣本數進行判斷是：當數據矩陣中樣本數大於50組時，使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型，並將模型進行線性化處理。
本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策系統,所述數據採集裝置為煙氣數據採集裝置，所述煙氣數據採集裝置採集氧氣、一氧化碳以及二氧化碳含量數據。
本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策系統,所述數據分析裝置為數據分析比較器，其比較的依據為預設值。
本實用新型所述的一種管式加熱爐的冗餘調爐決策方法，該方法包括：
1）數據採集
數據採集是採集氧氣、一氧化碳以及二氧化碳含量數據；
2）爐況分析
爐況分析比較的依據為預設值；
3）爐況判斷
3.1）若失穩，採用基於規則庫的調爐策略；
3.2）若平穩，採用基於模型的調爐策略；
3.3）上述兩種策略的切換過程是：通過加熱爐煙氣採集系統獲取20組煙氣數據，包括氧氣含量，二氧化硫含量和一氧化碳含量；首先去除20組數據中的最大值與最小值，並計算餘下數據的平均值；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，若任意一種煙氣數據平均值在基準值之外則計數器P加1，否則計數器P清零並計算下一組數據；當P大於30時，則可以認為加熱爐處於非平穩運行狀態，選擇基於規則庫的調爐策略，若P小於30時，則認為加熱爐處於平穩運行狀態，採用基於模型的調爐策略。
本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策方法，所述基於模型的調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據通過OPC技術發送到Matlab中，完成運算後再將得到的結果返回到中控室工控機組態軟體中並通過組態界面進行顯示；
首先，應用OPC技術讀取中控室工控機組態軟體中的煙氣數據，將讀取到的數據存入數據矩陣中；
然後對數據矩陣中的樣本數進行判斷，當數據矩陣中樣本數大於50組時，使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型，並將模型進行線性化處理；
最後通過OPC技術讀取組態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並將控制量寫入中控室工控機組態軟體中。
本實用新型所述的管式加熱爐的冗餘調爐決策系統及方法，通過設置冗餘調爐的方式，基於現場技術人員的調爐經驗，建立管式加熱爐調爐規則庫，為工作人員調爐提供建議；基於管式加熱爐模型為基礎，採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，使得操作人員便於及時採取應對措施，減少延遲，且本實用新型所述的管式加熱爐的冗餘調爐決策系統結構簡單，易於操作；所述管式加熱爐的冗餘調爐決策方法操作流程簡單，使得工作效率得到有效提升，適於推廣應用。
附圖說明
圖1為本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策系統原理框圖；
圖2為切換條件選擇流程圖；
圖3為基於規則庫的調爐策略；
圖4 為基於規則庫的調爐策略組態界面圖；
圖5 為OPC伺服器3種層次的對象關係圖；
圖6 為OPC客戶端與OPC伺服器之間的關係圖；
圖7 為基於模型的調爐策略流程圖；
圖8為基於模型的調爐決策組態界面圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本實用新型做詳細說明：
本實用新型所述的一種管式加熱爐的冗餘調爐決策系統,如圖1所示，包括中控室工控機、與中控室工控機連接的數據採集裝置、與數據採集裝置連接的數據分析裝置，其特徵在於：所述數據分析裝置連接兩套冗餘調爐決策裝置，所述兩套冗餘調爐決策裝置分別為基於規則庫的調爐策略裝置和基於模型的調爐策略裝置，所述基於規則庫的調爐策略裝置以現場技術人員的調爐經驗為基礎，建立管式加熱爐調爐規則庫，為工作人員調爐提供建議，所述基於模型的調爐策略則是以管式加熱爐模型為基礎，採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於規則庫的調爐策略裝置，所述基於規則庫的調爐策略裝置的規則庫能根據現場加熱爐爐況的變化進行修改。
通過管式加熱爐煙氣採集系統得到的煙氣數據對加熱爐的運行狀況進行判斷。當加熱爐處於平穩運行狀態時，採用基於模型的調爐策略；在加熱爐處於非平穩運行狀態時，採用基於規則庫的調爐策略，切換條件選擇流程圖如圖2所示。
通過加熱爐煙氣採集系統獲取20組煙氣數據，包括氧氣含量，二氧化硫含量和一氧化碳含量。首先去除20組數據中的最大值與最小值，並計算餘下數據的平均值。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，若任意一種煙氣數據平均值在基準值之外則計數器P加1，否則計數器P清零並計算下一組數據。當P大於30時，則可以認為加熱爐處於非平穩運行狀態，選擇基於規則庫的調爐策略，若P小於30時，則認為加熱爐處於平穩運行狀態，採用基於模型的調爐策略。三種數據的基準值如表1所示：
基於規則庫的調爐策略適用於處於非平穩運行狀態的加熱爐，通過對平時現場技術人員的經驗進行總結制定出的相應的規則庫。規則庫中的規則可以根據現場加熱爐爐況的變化進行修改。
基於規則庫的調爐策略控制原理框圖如圖3所示，通過加熱爐煙氣採集系統得到相應的煙氣數據，通過對規則庫的查詢，給出相應的調爐建議，進行人工調爐。因此，基於規則庫的調爐策略是對加熱爐的粗放調節。
以上功能均在中控室工控機中通過組態軟體自身的編程來實現。查詢程序通過：IF AND AND THEN 的格式編寫，結論通過查詢規則庫得出，從而給出調爐建議。基本調爐規則庫如表2所示：
表2 基本調爐規則庫
基於規則庫的調爐策略組態界面如圖4所示。
本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策系統,所述基於模型的調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；所述基於模型的調爐策略裝置通過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組件中的煙氣數據，將讀取到的數據存入數據矩陣中；然後對數據矩陣中的樣本數進行判斷。所述對數據矩陣中的樣本數進行判斷是：當數據矩陣中樣本數大於50組時，使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型，並將模型進行線性化處理。
基於模型的調爐決策是以管式加熱爐模型為基礎，並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。但由於管式加熱爐模型的參數尋優以及廣義預測算法需要大量的計算，而組態軟體的後臺計算能力較弱，故本文利用Matlab進行輔助計算，將需要計算的原始數據通過OPC技術發送到Matlab中，完成運算後再將得到的結果返回到組態軟體中並通過組態界面進行顯示，彌補了組態王不能進行大量複雜計算的缺點。
OPC（OLE for Process Control）是一個常用的工業控制標準，應用OPC技術可以實現在現有工業標準下的不同設備間的通信。主要應用於數據採集、歷史數據訪問、報警和事件處理、數據冗餘技術、遠程數據訪問等工業控制。OPC技術優點如下所示：
（1）與傳統的DDE通信模式相比，通信速率明顯提升；
（2）減少了數據設備間的不兼容；
（3）節省了系統集成的開發成本；
（4）便於控制軟體獨立於硬體進行開發設計；
（5）系統的可靠性較高；
OPC伺服器主要由伺服器(server)、組(group)和數據項(item) 3類對象組成， 3種對象的層次關係如圖5所示。
在Matlab仿真軟體中提供了OPC工具箱Matlab OPC Toolbox，它可以作為OPC客戶端進行數據訪問，從支持OPC標準的設備軟體中讀取數據。OPC伺服器與OPC客戶端之間的關係如圖6所示。因此應用OPC工具箱可以方便的將作物OPC伺服器的組態王中的數據通過OPC方式讀取到Matlab中來。
通過Matlab軟體平臺用戶可以應用三種方式實現Matlab與組態王軟體之間的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連接組態王OPC伺服器，讀取煙氣數據的功能。本文應用編寫命令行的方式建立Matlab與組態王OPC伺服器之間的連接，此種方法更加靈活方便。用於構建OPC通信的主要函數有：
(1)opcda：用於構建OPC伺服器存儲地址；
(2)connect：用於連接OPC伺服器；
(3)addgroup：用於創建OPC組；
(4)additem：用於添加OPC數據項；
(5)writeasync：用於將數據寫入OPC伺服器。
應用以上函數編寫Matlab命令行即可實現Matlab與組態王之間的OPC數據通信。主要程序如下所示：
%Matlab讀取組態王數據
da=opcda('localhost'，'KingView.View.1');
connect(da);
grp1=addgroup(da);
itm1=additem(grp1，'氧量.Value');
a=itm1.Value;
%Matlab向組態王寫入數據
da=opcda('localhost'，'KingView.View.1');
connect(da);
grp1=addgroup(da);
itm1=additem(grp1，'氧量.Value');
writeasync(itm1，yy(k));
應用Matlab與組態王混合編程的基於模型的調爐策略流程圖如圖7所示：
首先，應用OPC技術讀取組態王中的煙氣數據，將讀取到的數據存入數據矩陣中。然後對數據矩陣中的樣本數進行判斷，當數據矩陣中樣本數大於50組時，使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型，並將模型進行線性化處理。最後通過OPC技術讀取組態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並將控制量寫入組態王中。基於模型的調爐策略如圖8所示。
通過煙氣採集系統得到的氧含量值為2.7%，現將氧含量給定值設置為3%，通過Matlab後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%。
本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策系統,所述數據採集裝置為煙氣數據採集裝置，所述煙氣數據採集裝置採集氧氣、一氧化碳以及二氧化碳含量數據。所述數據分析裝置為數據分析比較器，其比較的依據為預設值。
本實用新型所述的管式加熱爐的冗餘調爐決策方法，該方法包括：
1）數據採集
數據採集是採集氧氣、一氧化碳以及二氧化碳含量數據；
2）爐況分析
爐況分析比較的依據為預設值；
3）爐況判斷
3.1）若失穩，採用基於規則庫的調爐策略；
3.2）若平穩，採用基於模型的調爐策略；
3.3）上述兩種策略的切換過程是：通過加熱爐煙氣採集系統獲取20組煙氣數據，包括氧氣含量，二氧化硫含量和一氧化碳含量；首先去除20組數據中的最大值與最小值，並計算餘下數據的平均值；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，若任意一種煙氣數據平均值在基準值之外則計數器P加1，否則計數器P清零並計算下一組數據；當P大於30時，則可以認為加熱爐處於非平穩運行狀態，選擇基於規則庫的調爐策略，若P小於30時，則認為加熱爐處於平穩運行狀態，採用基於模型的調爐策略。
本實用新型所述管式加熱爐的冗餘調爐決策方法，所述基於模型的調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據通過OPC技術發送到Matlab中，完成運算後再將得到的結果返回到中控室工控機組態軟體中並通過組態界面進行顯示；
首先，應用OPC技術讀取中控室工控機組態軟體中的煙氣數據，將讀取到的數據存入數據矩陣中；然後對數據矩陣中的樣本數進行判斷，當數據矩陣中樣本數大於50組時，使用支持向量機的方法建立管式加熱爐的模型，並將模型進行線性化處理；最後通過OPC技術讀取組態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並將控制量寫入中控室工控機組態軟體中。