OMRON PLC在供暖锅炉智能化控制中的应用

• 2018-09-08

作者:李金波


　　摘要：锅炉的燃烧过程十分复杂，燃烧系统内部的给煤、鼓风耦合性强，过程的非线性和大滞后也成了控制对象的难题，本系统采用一种基于人工智能的专家系统控制方案，有效地适应锅炉各参数之间频繁的变化，克服多回路耦合和煤质干扰，很好的解决了锅炉燃烧控制的难题，特点是自动寻优、人工智能、专家系统、全自动运行，节能增效。

　　关键词：智能控制、自动寻优、专家系统、多路耦合。



　　1 引言

　　我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，目前每年煤炭消费量约12亿吨，其中80%通过燃烧被利用。然而，燃烧设备陈旧、效率低、排放无控制造成了能源和环境污染严重，能源节约与环境保护已成为现有燃煤技术所需解决的主要问题。我国现有大量的电站锅炉和供热锅炉，每年耗煤量占我国原煤产量的比例相当惊人，但大多数工业锅炉处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。故提高热效率，降低耗煤量是一件具有深远意义的工作。

　　国外燃煤锅炉自动控制，随着现代工业的发展主要经历了初创、成熟、扩展几个时期，而燃烧系统的控制，始终作为燃煤锅炉自动控制的重点课题。美国的FOXBORO公司在推出I/A SERIS智能锅炉自动控制系统，德国德莱斯勒燃烧器公司,以及英国海威燃烧工程公司研制出的锅炉控制系统，其燃烧系统的控制都在一定条件下，达到了较好的控制效果；而锅炉燃烧系统控制采用的模型算法的发展趋势，基本上都是采用智能控制、专家系统、模糊控制以及常规控制集成到系统中。

　　我国燃煤锅炉自动控制系统经过十几年的发展，正在走向成熟。有代表性的为：大连海运学院的DMC锅炉控制系统，重庆钢铁公司的工业炉窑模糊控制自动化系统，湖南康通信息技术有限公司的锅炉智能控制系统。与国外同类系统相比，国内锅炉控制系统正处在不断完善、逐步走向成熟阶段。虽然我国燃煤锅炉燃烧系统的控制模型算法发展趋势向国际前沿靠拢，但是结合燃煤供暖锅炉运行实际，燃煤锅炉燃烧控制系统的运行效果一直不很理想。主要表现在不能够有效的满足负荷需求，热效率不能够得到有效的提高，投运时过于依赖有经验的操作人员，数据化控制不强。如何结合燃煤锅炉运行实际，设计行之有效的锅炉燃烧系统控制模型，是燃煤锅炉控制系统中一个迫切需要解决的课题。为了解决这个问题，我们在哈市某供暖小区采用日本OMRON公司的CS1控制系统而研制开发了锅炉智能寻优自动控制系统，保证锅炉安全、稳定、经济运行的同时，实现了锅炉智能化、自动寻优控制，达到了保护环境，大大提高锅炉燃烧效率，节约能源的目的。


　　2 控制系统设计及实现

　　2、1锅炉系统运行结构分析

　　供暖锅炉系统是一个多容系统。每台炉的热负荷用给煤、送风、引风调节，作为内部燃烧系统控制；给水控制的任务主要是控制供水流量和回水流量 ,从而间接地影响回水温度和供回水温差。单台锅炉内部燃烧系统的给煤、送风调节耦合性强；且燃烧控制与给水控制及采暖也有复杂的耦合关系。同时，各炉并网运行时各炉之间也相互耦合，特别是取暖负荷变化较大时，各炉间耦合更为突出；而取暖负荷本身的调节又是一个带纯滞后的非线性过程；为了解决相互间耦合、过程滞后及非线性过程所带来的系统不稳定等，前台程序用Visual Basic语言来实现自动寻优、组织运行算法等，通过动态数据交换与KINGVIEW上位机软件通讯，实现监测、控制。


　　2、2 燃烧效率曲线

　　大多数工业锅炉处于能耗高、浪费大、环境污染等因素，与燃烧有直接关系，从各种燃烧装置的实际运行都可知道：如果空气量不足，燃烧不充分，燃烧效率低；但空气过多也会使排烟带走的热量增加，同样也是不经济的。根据以上分析知有以下曲线：

图一　燃烧效率曲线

　　关于燃烧问题存在一个普遍的燃烧效率山顶现象，即热效率对空燃比来说都有一个最大值，可以肯定燃烧效率η是空燃比k的上单峰函数，这是在燃烧系统进行优化控制的基础。[1]可记作：η=f(k)，根据此函数可得燃烧效率与空燃比之间的函数关系，达到最佳燃烧值点，提高效率，节约能源。


2、3 专家系统自寻优算法模型
设η=f(k)在约束条件a≤k≤b下是一个上单峰函数，则用改进的极值搜索法设计的自寻优算法模型计算过程如下：


　

图二　自寻优算法模型框图

　　寻优步长 SOP;计数器 n;

　　专家系统模型具有两个独特鲜明的特点：

　　①具有智能性，无论寻优的起始点在最大值的哪边，它都可以迅速找对优化的方向；
　　②它可以达到任何所要求的寻优精度[2]。


　　2、4 锅炉燃烧效率公式

　　　　η=Q1/Q η燃烧热效率;Q1锅炉供热量;Q锅炉给热量
　　　　Q1=G*ΔT G总循环水量; ΔT供回水温差
　　　　Q=T*Qnet T锅炉耗煤量; Qnet煤低位发热值

　　通过以上计算公式与锅炉自寻优算法调配风煤比相结合,可降低锅炉耗煤量,大大提高热效率。


　　3 软件设计

　　根据控制方案及用户要求，计算机控制系统主要完成下列功能：工艺参数显示功能、参数的修改与设置、输出量的控制、事故记录的报警及保存、报表数据查询打印等。我们选用Visual Basic 作为前台程序设计语言[3]，实现自动寻优算法，与亚控公司的KINGVIEW软件进行数据交换，Microsoft Access 作为后台数据库系统，用于保存故障、报警等数据。软件编制主要包括上位机流程图与下位机控制程序。


　　4 锅炉智能控制的设计

　　由取暖小区需求供热量、锅炉系统实际总供热量和取暖小区实际消耗热量，以及能量损失等数据组成检测知识库。来实现检测点数据的识别、数据格式的转换、热效率计算、燃烧状况的测定等推理操作；经数据过滤、分类、分析等数据处理后，送锅炉系统信息数据库。
由时变非线性负荷给定模型形成供暖锅炉组的控制知识库，即形成满负荷运行炉、帮烧调节炉、停烧炉及其运行时间等控制知识库的规则[1]。由控制推理机来实现燃烧系统的负荷给定和优化燃烧，且得到随负荷变化的负压给定。

　　结合锅炉工艺运行，实施推理规则为：用给煤、鼓风、引风粗调负荷后使系统燃烧满足负荷需求且炉膛燃烧趋于稳定，再采用热效率寻优模型细调风煤比寻优，可有效完成锅炉系统运行达到热效率极大值点，实现经济燃烧的目的。

　

图三 供暖锅炉专家智能控制系统

　　由取暖小区需求供热量、锅炉系统实际总供热量和取暖小区实际消耗热量，以及能量损失等数据组成检测知识库，由检测推理机来实现检测点数据的识别、数据格式的转换、热效率计算、燃烧状况的测定等推理操作，经数据过滤、分类、分析等数据处理后，送锅炉系统信息数据库。

　　上述小区供暖锅炉智能控制系统运行成功的关键问题，是锅炉燃烧控制知识库的规则获取。我们考虑控制规则可以来自于四个方面：锅炉燃烧过程运行理论，运行专家的操作经验，工业现场实际经验的摸索，运行过程中的不断完善。

　　专家智能控制系统是用前台语言Visual Basic实现的，上位机KINGVIEW软件将锅炉实时运行的数据存入数据库，表中可清晰了解锅炉每小时运行数据，供、回水温度、炉温、温差、供热量、给热量、耗煤量、室外温度，包括锅炉的热效率和负荷率。锅炉运行情况、节煤情况等一目了然，提高了管理水平。

　　专家智能控制系统另外一个突出的优点是，组织运行策略，计算机了解室外平均温度后，可自动根据组织运行策略，自动起机、自动燃烧、自动寻优、自动停炉，按时打印报表，全自动运行。

　　燃烧系统的负荷和燃料的协调达到最理想状态，从而节约大量燃料和电能，并使锅炉寿命延长。减轻了对大气污染，真正达到了环保的目的。另外，自动化的管理模式保证锅炉运行的安全、稳定，减轻操作人员的劳动强度。


　　5 结束语

　　本文根据智能自动化的系统理论，设计这一供暖锅炉智能专家控制系统；通过供暖锅炉控制系统的运行环境的取暖需求模型，作为建立专家智能系统的关键，强调供暖运行效果；采用一种面向应用对象功能实现的自寻优算法模型，克服多回路耦合和煤质干扰，很好的解决了锅炉燃烧控制难题，自动化程度及控制精度都较高，主要技术指标有炉膛负压控制精度：士2Pa；空气过剩系统：小于1.8；渣含碳量：小于15%；热效率比手动控制提高：4%；变频调速节电：30%；节煤：每台锅炉（以20吨每小时为例）年节煤2000吨。本套锅炉系统具有人工智能、全自动运行，提高效率等优点，为国家大大节约能源，在国内各类型锅炉中具有很好的推广价值。