本發(fā)明屬于管式加熱爐領(lǐng)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(shù)：

調(diào)爐決策系統(tǒng)通過對采集得到的煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的調(diào)爐建議，輔助現(xiàn)場技術(shù)人員對加熱爐進(jìn)行調(diào)節(jié)。管式加熱爐是一個(gè)多變量、工況復(fù)雜、時(shí)滯、大慣性的系統(tǒng)，其中多個(gè)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(jìn)行控制操作很難達(dá)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(yàn)對管式加熱爐進(jìn)行調(diào)節(jié)。離線檢測得到的數(shù)據(jù)必然存在時(shí)延，不能及時(shí)的對加熱爐進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

技術(shù)實(shí)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(jī)、與中控室工控機(jī)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(shù)人員的調(diào)爐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，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(chǔ)，采用廣義預(yù)測控制算法對氧含量進(jìn)行預(yù)測控制，在加熱爐平穩(wěn)運(yùn)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(jī)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(jìn)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(yīng)用廣義預(yù)測算法對管式加熱爐的煙氣輸出值進(jìn)行預(yù)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(jì)算設(shè)備連接；所述Matlab輔助計(jì)算設(shè)備讀取中控室工控機(jī)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(jìn)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(jìn)行判斷是：當(dāng)數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時(shí)，使用支持向量機(jī)的方法建立管式加熱爐的模型，并將模型進(jìn)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)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(jì)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(yùn)行時(shí)的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出比較結(jié)果，若任意一種煙氣數(shù)據(jù)平均值在基準(zhǔn)值之外則計(jì)數(shù)器P加1，否則計(jì)數(shù)器P清零并計(jì)算下一組數(shù)據(jù)；當(dāng)P大于30時(shí)，則可以認(rèn)為加熱爐處于非平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，選擇基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略，若P小于30時(shí)，則認(rèn)為加熱爐處于平穩(wěn)運(yùn)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(chǔ)，利用Matlab進(jìn)行輔助計(jì)算，將需要計(jì)算的原始數(shù)據(jù)通過OPC技術(shù)發(fā)送到Matlab中，完成運(yùn)算后再將得到的結(jié)果返回到中控室工控機(jī)組態(tài)軟件中并通過組態(tài)界面進(jìn)行顯示；

首先，應(yīng)用OPC技術(shù)讀取中控室工控機(jī)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(jìn)行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時(shí)，使用支持向量機(jī)的方法建立管式加熱爐的模型，并將模型進(jìn)行線性化處理；

最后通過OPC技術(shù)讀取組態(tài)王中氧含量的給定值，應(yīng)用廣義預(yù)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(jī)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(shè)置冗余調(diào)爐的方式，基于現(xiàn)場技術(shù)人員的調(diào)爐經(jīng)驗(yàn)，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(chǔ)，采用廣義預(yù)測控制算法對氧含量進(jìn)行預(yù)測控制，在加熱爐平穩(wěn)運(yùn)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(shí)采取應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(wù)器3種層次的對象關(guān)系圖；

圖6 為OPC客戶端與OPC服務(wù)器之間的關(guān)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)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(jī)、與中控室工控機(jī)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(shù)人員的調(diào)爐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，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(chǔ)，采用廣義預(yù)測控制算法對氧含量進(jìn)行預(yù)測控制，在加熱爐平穩(wěn)運(yùn)行的狀況下給出定量的控制建議。所述中控室工控機(jī)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(jìn)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(yùn)行狀況進(jìn)行判斷。當(dāng)加熱爐處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用基于模型的調(diào)爐策略；在加熱爐處于非平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，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(jì)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(yùn)行時(shí)的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出比較結(jié)果，若任意一種煙氣數(shù)據(jù)平均值在基準(zhǔn)值之外則計(jì)數(shù)器P加1，否則計(jì)數(shù)器P清零并計(jì)算下一組數(shù)據(jù)。當(dāng)P大于30時(shí)，則可以認(rèn)為加熱爐處于非平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，選擇基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略，若P小于30時(shí)，則認(rèn)為加熱爐處于平穩(wěn)運(yùn)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(zhǔn)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(yùn)行狀態(tài)的加熱爐，通過對平時(shí)現(xiàn)場技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)制定出的相應(yīng)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(jìn)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(yīng)的煙氣數(shù)據(jù)，通過對規(guī)則庫的查詢，給出相應(yīng)的調(diào)爐建議，進(jìn)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(jī)中通過組態(tài)軟件自身的編程來實(shí)現(xiàn)。查詢程序通過：IF <條件1> AND <條件2> AND <條件…>THEN <結(jié)論>的格式編寫，結(jié)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(yīng)用廣義預(yù)測算法對管式加熱爐的煙氣輸出值進(jìn)行預(yù)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(jì)算設(shè)備連接；所述Matlab輔助計(jì)算設(shè)備讀取中控室工控機(jī)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(jìn)行判斷。所述對數(shù)據(jù)矩陣中的樣本數(shù)進(jìn)行判斷是：當(dāng)數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時(shí)，使用支持向量機(jī)的方法建立管式加熱爐的模型，并將模型進(jìn)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(chǔ)，并應(yīng)用廣義預(yù)測算法對管式加熱爐的煙氣輸出值進(jìn)行預(yù)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(yù)測算法需要大量的計(jì)算，而組態(tài)軟件的后臺計(jì)算能力較弱，故本文利用Matlab進(jìn)行輔助計(jì)算，將需要計(jì)算的原始數(shù)據(jù)通過OPC技術(shù)發(fā)送到Matlab中，完成運(yùn)算后再將得到的結(jié)果返回到組態(tài)軟件中并通過組態(tài)界面進(jìn)行顯示，彌補(bǔ)了組態(tài)王不能進(jìn)行大量復(fù)雜計(jì)算的缺點(diǎn)。

OPC（OLE for Process Control）是一個(gè)常用的工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用OPC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下的不同設(shè)備間的通信。主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)訪問、報(bào)警和事件處理、數(shù)據(jù)冗余技術(shù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問等工業(yè)控制。OPC技術(shù)優(yōu)點(diǎn)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(shè)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(dú)立于硬件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)；

（5）系統(tǒng)的可靠性較高；

OPC服務(wù)器主要由服務(wù)器(server)、組(group)和數(shù)據(jù)項(xiàng)(item) 3類對象組成， 3種對象的層次關(guān)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(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，從支持OPC標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備軟件中讀取數(shù)據(jù)。OPC服務(wù)器與OPC客戶端之間的關(guān)系如圖6所示。因此應(yīng)用OPC工具箱可以方便的將作物OPC服務(wù)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(yīng)用三種方式實(shí)現(xiàn)Matlab與組態(tài)王軟件之間的OPC通信：編寫命令行、應(yīng)用Simulink仿真與圖形化界面。通過這三種方式都可以實(shí)現(xiàn)連接組態(tài)王OPC服務(wù)器，讀取煙氣數(shù)據(jù)的功能。本文應(yīng)用編寫命令行的方式建立Matlab與組態(tài)王OPC服務(wù)器之間的連接，此種方法更加靈活方便。用于構(gòu)建OPC通信的主要函數(shù)有：

(1)opcda：用于構(gòu)建OPC服務(wù)器存儲地址；

(2)connect：用于連接OPC服務(wù)器；

(3)addgroup：用于創(chuàng)建OPC組；

(4)additem：用于添加OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)；

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

應(yīng)用以上函數(shù)編寫Matlab命令行即可實(shí)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(yīng)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(yīng)用OPC技術(shù)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(jìn)行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時(shí)，使用支持向量機(jī)的方法建立管式加熱爐的模型，并將模型進(jìn)行線性化處理。最后通過OPC技術(shù)讀取組態(tài)王中氧含量的給定值，應(yīng)用廣義預(yù)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(shè)置為3%，通過Matlab后臺計(jì)算得出管式加熱爐的輸入控制量增量：鼓風(fēng)機(jī)入口壓強(qiáng)為+5KPa；燃?xì)饬髁繛?100t/h；相應(yīng)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)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(jì)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(yùn)行時(shí)的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出比較結(jié)果，若任意一種煙氣數(shù)據(jù)平均值在基準(zhǔn)值之外則計(jì)數(shù)器P加1，否則計(jì)數(shù)器P清零并計(jì)算下一組數(shù)據(jù)；當(dāng)P大于30時(shí)，則可以認(rèn)為加熱爐處于非平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，選擇基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略，若P小于30時(shí)，則認(rèn)為加熱爐處于平穩(wěn)運(yùn)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(chǔ)，利用Matlab進(jìn)行輔助計(jì)算，將需要計(jì)算的原始數(shù)據(jù)通過OPC技術(shù)發(fā)送到Matlab中，完成運(yùn)算后再將得到的結(jié)果返回到中控室工控機(jī)組態(tài)軟件中并通過組態(tài)界面進(jìn)行顯示；

首先，應(yīng)用OPC技術(shù)讀取中控室工控機(jī)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(jìn)行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)矩陣中樣本數(shù)大于50組時(shí)，使用支持向量機(jī)的方法建立管式加熱爐的模型，并將模型進(jìn)行線性化處理；最后通過OPC技術(shù)讀取組態(tài)王中氧含量的給定值，應(yīng)用廣義預(yù)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(jī)組態(tài)軟件中。