專利名稱：氣化爐專用控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種氣化爐專用控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝和設(shè)備，配上自主知識產(chǎn)權(quán)的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的氣化爐專用控制系統(tǒng)，嵌入針對氣化爐的專用先進(jìn)控制和操作優(yōu)化軟件，并首次在工業(yè)級氣化爐上實(shí)施大規(guī)模工程示范應(yīng)用。
背景技術(shù)：
大型氣化爐在國內(nèi)外都處于示范應(yīng)用階段，不同工藝優(yōu)缺點(diǎn)各異。工藝不同，控制目標(biāo)也有很大差異。本發(fā)明以協(xié)作單位中國科學(xué)院工程熱物理研究所擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“粉煤加壓密相輸運(yùn)床氣化方法及裝置”為背景，圍繞輸運(yùn)床氣化爐的工藝特點(diǎn)，以保障氣化爐的平穩(wěn)、連續(xù)、可靠運(yùn)行為目標(biāo)，研究氣化爐的動態(tài)模型，綜合運(yùn)用建模仿真、 先進(jìn)控制、過程優(yōu)化等方法和技術(shù)，研究溫度、壓力、氧煤比、汽氧比設(shè)定點(diǎn)優(yōu)化方法， 開發(fā)優(yōu)化控制軟件，研制氣化爐成套控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用在示范工程中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以實(shí)現(xiàn)密相輸運(yùn)床氣化爐爐溫軟測量模型、控制方法、優(yōu)化方法、完成專用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)，搭建測試實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行測試為目的。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種氣化爐專用控制系統(tǒng)，基于上位機(jī)的基礎(chǔ)，包括控制器模塊、總線模塊、I /0模塊、電源模塊、背板；所述控制器模塊通過背板與I/O模塊、總線模塊連接，采集現(xiàn)場物理信號；所述電源模塊為上述模塊進(jìn)行供電；所述控制器模塊與上位機(jī)通信連接。還包括電源背板、控制器背板、I/O背板；所述電源背板，用于安裝電源模塊；所述控制器背板，用于安裝控制器模塊；所述I/O背板，用于安裝 I/O模塊，采用無源串行背板總線技術(shù)，支持I/O模塊熱插拔。所述電源模塊，采用1+1冗余電源結(jié)構(gòu)；所述控制器模塊，采用雙CPU結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場I/O信號的采集、處理、控制；所述總線模塊，采用現(xiàn)場FF Hl總線并與現(xiàn)場設(shè)備連接；所述I/O模塊，包括模擬量輸入接口、模擬量輸出接口、開關(guān)量輸入接口、開關(guān)量輸出接口 ；用于采集現(xiàn)場物理信號。所述現(xiàn)場FF Hl總線通過線纜與現(xiàn)場設(shè)備相連。所述現(xiàn)場FF Hl總線包括主控制器、FF通信芯片、2個網(wǎng)段；現(xiàn)場FF Hl總線通過串口與控制器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)控制器模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，所述上位機(jī)通過現(xiàn)場FF Hl總線與現(xiàn)場設(shè)備連接，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行參數(shù)讀寫和連接組態(tài)。所述上位機(jī)中含有監(jiān)控組態(tài)單元；該單元包括
一資源管理器，負(fù)責(zé)配置當(dāng)前系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息，并以樹狀結(jié)構(gòu)視圖的形式顯示當(dāng)前系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息；
一系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫，存儲系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息；
一控制策略開發(fā)環(huán)境，負(fù)責(zé)模塊一級的組態(tài)配置工作，由模塊管理、數(shù)據(jù)管理、模板管理、算法編輯、算法檢查、在線監(jiān)控、仿真調(diào)試、模塊間通訊模塊組成；一數(shù)據(jù)對象管理，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象解析為信息對象； -I/O映射關(guān)系管理，負(fù)責(zé)在輸入/輸出功能塊與控制器的I/O模塊/通道之間建立映射關(guān)系；
-I/O映射工具，以列表的方式顯示系統(tǒng)中所有的I/O配置信息，并通過DST. DLL在輸入/輸出功能塊和和控制器的I/O模塊/通道之間建立映射關(guān)系；
一組態(tài)配置信息下載工具，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息下載到實(shí)際的現(xiàn)場設(shè)備中； -I/O服務(wù)器程序，負(fù)責(zé)與現(xiàn)場實(shí)際的設(shè)備進(jìn)行交互，例如設(shè)備列舉，組態(tài)配置信息下載，參數(shù)讀寫等等；
-I/O服務(wù)COM接口封裝，對I/O服務(wù)器提供的COM接口進(jìn)行包裝，以減輕客戶程序通過I/O服務(wù)器訪問現(xiàn)場控制器的負(fù)擔(dān)；
一對象瀏覽動態(tài)鏈接庫，根據(jù)客戶程序的不同需要，以一種統(tǒng)一的方式在各個上位機(jī)軟件中顯示系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫的概要信息；
一安全服務(wù)程序，負(fù)責(zé)資源管理器程序操作的驗(yàn)證； 一嵌入式常規(guī)功能模塊，滿足輸運(yùn)床氣化爐基本的控制需求。所述嵌入式常規(guī)功能模塊包括
一輸入/輸出功能模塊，包括模擬輸入功能塊、模擬輸出功能塊、數(shù)字輸入功能塊、數(shù)字輸出功能塊；
一模擬控制類功能模塊，包括比例積分微分功能塊、比值功能塊、輸入選擇功能塊 、超前滯后功能塊；
一邏輯運(yùn)算類功能模塊，包括與運(yùn)算功能塊、或運(yùn)算功能塊、非運(yùn)算功能塊； 一定時(shí)/計(jì)數(shù)類功能模塊，包括計(jì)數(shù)器功能塊；
一算術(shù)類功能模塊，包括加運(yùn)算功能塊、減運(yùn)算功能塊、乘運(yùn)算功能塊、除運(yùn)算功能塊。所述密相輸運(yùn)床氣化爐專用嵌入式軟件包括
一輸運(yùn)床氣化爐模型預(yù)測氣化爐的穩(wěn)態(tài)熱力性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能分析和運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的動態(tài)特性變化分析，為設(shè)計(jì)和完善氣化爐的控制策略而建立的，輸運(yùn)床氣化爐模型是建立在平衡模型原理和反應(yīng)動力學(xué)原理的基礎(chǔ)上的，包括
1.揮發(fā)份析出模型，計(jì)算揮發(fā)份在熱解過程中的產(chǎn)物，通過C、H、0、N*S的元素平衡法估算出熱解產(chǎn)物的成分；
2.氣化子模型，包括碳與水蒸汽的反應(yīng)、二氧化碳的還原反應(yīng)(Boudouard反應(yīng))、碳與氫氣的反應(yīng)；
3.出口煤氣成分模型，煤氣的主要成分是CO、H2,CO2 ,H2O、N2、CH4等，含硫氣體成分是h2S。由于在氣化爐內(nèi)進(jìn)行的是高溫反應(yīng)，化學(xué)平衡很快達(dá)到，在預(yù)測氣化爐出口煤氣成分時(shí)，根據(jù)物質(zhì)平衡和水煤氣反應(yīng)化學(xué)平衡方程求解氣體總摩爾數(shù)和八種主要煤氣成分摩爾分?jǐn)?shù)；
4.物質(zhì)和能量平衡模型，包括固相質(zhì)量平衡、固碳質(zhì)量平衡、氣相質(zhì)量平衡、動態(tài)能量平衡方程；
一輸運(yùn)床氣化爐專用控制算法軟件，根據(jù)氣化爐的仿真模型進(jìn)行氣化爐的動態(tài)特性分析，通過過對微分方程組的迭代求解，可以得到用于控制的模型，其中，輸入變量為給煤量、氧氣流量、蒸汽流量、石灰石流量和排渣量；輸出變量為氣化爐溫度、壓力、煤氣熱值和床料量。由于石灰石以固定鈣硫比輸入，所以可以得到一個4X4的模型。分別對四個輸入量進(jìn)行100%負(fù)荷下階躍變化，從而進(jìn)行個輸出的動態(tài)特性分析； 包括
①給煤量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
②氧氣量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
③水蒸汽量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
④排渣量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
根據(jù)以上的分析結(jié)果，開發(fā)出爐溫控制功能塊、爐壓控制功能塊、煤氣熱值控制功能塊、床料量控制功能塊。采用支持向量機(jī)等智能計(jì)算技術(shù)，發(fā)明從出口氣體成分到爐溫的軟測量模型，根據(jù)出口工藝氣體成分輔助爐溫檢測，甚至在熱電偶出現(xiàn)故障時(shí)替代故障值給出正確的爐溫；以人工確認(rèn)的爐溫?zé)犭娕紮z測值作為模型修正的依據(jù)，保證爐溫檢測的準(zhǔn)確性，開發(fā)出爐溫軟測量功能塊。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明具有密相輸運(yùn)床氣化爐的全工況仿真平臺，支持工藝仿真與優(yōu)化控制策略設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。2.本發(fā)明是基于現(xiàn)場總線的開放的、可擴(kuò)展的氣化爐控制系統(tǒng)，保證氣化爐安全平穩(wěn)運(yùn)行。3.本發(fā)明具有爐溫軟測量模型，開發(fā)爐溫軟測量控制軟件，提高爐溫控制精度 +/-25 度。4.本發(fā)明是關(guān)于輸運(yùn)床氣化爐生產(chǎn)過程控制方法，開發(fā)優(yōu)化控制軟件，優(yōu)化控制軟件達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用水平。5.本發(fā)明完成了氣化爐成套控制系統(tǒng)的示范應(yīng)用工程，保障其穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，并且碳轉(zhuǎn)化率提高達(dá)到95%以上，冷煤氣效率提高達(dá)到81%以上，降低比氧耗降低到 300Nm302/1000Nm3(C0+H2+CH4)以下，比煤耗降低到 520kg/1000Nm3(C0+H2+CH4)以下。達(dá)到國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平，可以進(jìn)行行業(yè)推廣。


圖1本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2本發(fā)明的總線模塊結(jié)構(gòu)圖3本發(fā)明的FF Hl總線內(nèi)部連接示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1-3所示，一種氣化爐專用控制系統(tǒng)，基于上位機(jī)的基礎(chǔ)，包括控制器模塊、 總線模塊、I /0模塊、電源模塊、背板；所述控制器模塊通過背板與I/O模塊、總線模塊連接，采集現(xiàn)場傳感器物理信號；所述電源模塊為上述模塊進(jìn)行供電；所述控制器模塊與上位機(jī)通信連接。還包括電源背板、控制器背板、I/O背板；所述電源背板，用于安裝電源模塊；所述控制器背板，用于安裝控制器模塊；所述I/O背板，用于安裝I/O模塊，采用無源串行背板總線技術(shù)，支持I/O模塊熱插拔。所述電源模塊，采用1+1冗余電源結(jié)構(gòu)；電源模塊為MVDC供電，輸出功率20W，支持熱插拔輸出過流/過壓保護(hù)、面板診斷指示功能；所述控制器模塊，采用雙CPU結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場I/O信號的采集、處理、控制；分別負(fù)責(zé)各I/O模塊的管理、識別定位、數(shù)據(jù)輸出及各種控制算法的執(zhí)行、控制器冗余、通訊控制和協(xié)議處理等任務(wù)，可并發(fā)處理255個控制線程， 同時(shí)運(yùn)行3000個控制算法功能塊，支持熱插拔和冗余功能；所述總線模塊，采用現(xiàn)場FF Hl 總線并與現(xiàn)場設(shè)備連接或者HART、Profibus DP等多種；所述I/O模塊，包括模擬量輸入接口、模擬量輸出接口、開關(guān)量輸入接口、開關(guān)量輸出接口 ；用于采集現(xiàn)場物理信號。所述現(xiàn)場FF Hl總線通過線纜與現(xiàn)場設(shè)備相連。線纜采用普通電纜、雙絞線、同軸電纜、光纜等，可節(jié)省大量線纜、槽架、連接架。所述現(xiàn)場FF Hl總線包括主控制器、FF通信芯片、2個網(wǎng)段；現(xiàn)場FF Hl總線通過串口與控制器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)控制器模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，所述上位機(jī)通過現(xiàn)場FF Hl總線與現(xiàn)場設(shè)備連接，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行參數(shù)讀寫和連接組態(tài)。其中，主控制器采用Atmel公司的32位CPU AT9140800作為通信模塊；FF通信芯片采用沈陽自動化研究所生產(chǎn)的FBC0409芯片作為現(xiàn)場總線；2個網(wǎng)段，網(wǎng)段之間具有網(wǎng)橋功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。所述上位機(jī)中含有監(jiān)控組態(tài)單元； 該單元包括
一資源管理器，負(fù)責(zé)配置當(dāng)前系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息，并以樹狀結(jié)構(gòu)視圖的形式顯示當(dāng)前系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息；
一系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫，存儲系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息；
一控制策略開發(fā)環(huán)境，負(fù)責(zé)模塊一級的組態(tài)配置工作，由模塊管理、數(shù)據(jù)管理、模板管理、算法編輯、算法檢查、在線監(jiān)控、仿真調(diào)試、模塊間通訊模塊組成；
一數(shù)據(jù)對象管理(DBOB. DLL),負(fù)責(zé)將系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象解析為信息對象； -I/O映射關(guān)系管理(DST. DLL),負(fù)責(zé)在輸入/輸出功能塊與控制器的I/O模塊/通道之間建立映射關(guān)系；
-I/O映射工具，以列表的方式顯示系統(tǒng)中所有的I/O配置信息，并通過DST. DLL在輸入/輸出功能塊和和控制器的I/O模塊/通道之間建立映射關(guān)系；
一組態(tài)配置信息下載工具，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息下載到實(shí)際的現(xiàn)場設(shè)備中； -I/O服務(wù)器程序，負(fù)責(zé)與現(xiàn)場實(shí)際的設(shè)備(控制器)進(jìn)行交互，例如設(shè)備列舉，組態(tài)配置信息下載，參數(shù)讀寫等等；
-I/O 服務(wù) COM 接口封裝(IOServerWrap. DLL)，對 I/O 服務(wù)器(NCS2I0Server)提供的 COM接口進(jìn)行包裝，以減輕客戶程序通過I/O服務(wù)器(NCS2I(^erver)訪問現(xiàn)場控制器的負(fù)擔(dān)；
一對象瀏覽動態(tài)鏈接庫(SysDBBrowser. DLL)，根據(jù)客戶程序的不同需要，以一種統(tǒng)一的方式在各個上位機(jī)軟件中顯示系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫的概要信息； 一安全服務(wù)程序，負(fù)責(zé)資源管理器程序操作的驗(yàn)證； 一嵌入式常規(guī)功能模塊，滿足輸運(yùn)床氣化爐基本的控制需求。所述嵌入式常規(guī)功能模塊包括
8一輸入/輸出功能模塊，包括模擬輸入功能塊、模擬輸出功能塊、數(shù)字輸入功能塊、 數(shù)字輸出功能塊；
一模擬控制類功能模塊，包括比例積分微分功能塊、比值功能塊、輸入選擇功能塊 、超前滯后功能塊；
一邏輯運(yùn)算類功能模塊，包括與運(yùn)算功能塊、或運(yùn)算功能塊、非運(yùn)算功能塊； 一定時(shí)/計(jì)數(shù)類功能模塊，包括計(jì)數(shù)器功能塊；
一算術(shù)類功能模塊，包括加運(yùn)算功能塊、減運(yùn)算功能塊、乘運(yùn)算功能塊、除運(yùn)算功能塊。所述密相輸運(yùn)床氣化爐專用嵌入式軟件包括
一輸運(yùn)床氣化爐模型預(yù)測氣化爐的穩(wěn)態(tài)熱力性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能分析和運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的動態(tài)特性變化分析，為設(shè)計(jì)和完善氣化爐的控制策略而建立的，輸運(yùn)床氣化爐模型是建立在平衡模型原理和反應(yīng)動力學(xué)原理的基礎(chǔ)上的，包括
1.揮發(fā)份析出模型，計(jì)算揮發(fā)份在熱解過程中的產(chǎn)物，通過C、H、0、N*S的元素平衡法估算出熱解產(chǎn)物的成分；
2.氣化子模型，包括碳與水蒸汽的反應(yīng)、二氧化碳的還原反應(yīng)(Boudouard反應(yīng))、碳與氫氣的反應(yīng)；
3.出口煤氣成分模型，煤氣的主要成分是CO、H2,CO2 ,H2O、N2、CH4等，含硫氣體成分是h2S。由于在氣化爐內(nèi)進(jìn)行的是高溫反應(yīng)，化學(xué)平衡很快達(dá)到，在預(yù)測氣化爐出口煤氣成分時(shí)，根據(jù)物質(zhì)平衡和水煤氣反應(yīng)化學(xué)平衡方程求解氣體總摩爾數(shù)和八種主要煤氣成分摩爾分?jǐn)?shù)；
4.物質(zhì)和能量平衡模型，包括固相質(zhì)量平衡、固碳質(zhì)量平衡、氣相質(zhì)量平衡、動態(tài)能量平衡方程；
一輸運(yùn)床氣化爐專用控制算法軟件，根據(jù)氣化爐的仿真模型進(jìn)行氣化爐的動態(tài)特性分析，通過過對微分方程組的迭代求解，可以得到用于控制的模型，其中，輸入變量為給煤量 、氧氣流量、蒸汽流量、石灰石流量和排渣量；輸出變量為氣化爐溫度、壓力、煤氣熱值和床料量。由于石灰石以固定鈣硫比輸入，所以可以得到一個4X4的模型。分別對四個輸入量進(jìn)行100%負(fù)荷下階躍變化，從而進(jìn)行個輸出的動態(tài)特性分析； 包括
①給煤量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
②氧氣量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
③水蒸汽量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
④排渣量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
根據(jù)以上的分析結(jié)果，開發(fā)出爐溫控制功能塊、爐壓控制功能塊、煤氣熱值控制功能塊、床料量控制功能塊。采用支持向量機(jī)等智能計(jì)算技術(shù)，發(fā)明從出口氣體成分到爐溫的軟測量模型，根據(jù)出口工藝氣體成分輔助爐溫檢測，甚至在熱電偶出現(xiàn)故障時(shí)替代故障值給出正確的爐溫；以人工確認(rèn)的爐溫?zé)犭娕紮z測值作為模型修正的依據(jù)，保證爐溫檢測的準(zhǔn)確性，開發(fā)出爐溫軟測量功能塊。所述I/O模塊為控制器模塊提供現(xiàn)場I/O信號接入功能，由種類不同的I/O接口模塊、I/O端子及I/O背板組成，包括
⑴.I/O背板，采用無源串行背板總線技術(shù)，支持I/O模塊熱插拔； ⑵.I/O接口模塊，可以連接多種現(xiàn)場物理信號，如Γ20πιΑ工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號、開關(guān)量信號 、熱電阻信號、脈沖信號，也可以控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電器開關(guān)等設(shè)備。另外，I/O模塊本身具有開路短路檢測、電源故障、設(shè)備狀態(tài)等自診斷功能，易于現(xiàn)場設(shè)備的診斷和維護(hù)；
(3). I/O端子，現(xiàn)場物理信號的接入連接點(diǎn)，提供8路、16路連接能力，又可分為冗余端子和非冗余端子。本發(fā)明中的控制系統(tǒng)，可以連接32個控制站，每個控制站最多可以連接 4個I/O模塊，每個I/O模塊可以連接8個I/O接口模塊，每個I/O接口模塊的I/O通道數(shù)量為16。本發(fā)明的軟件架構(gòu)為 1. FF HSE通訊網(wǎng)絡(luò)
本發(fā)明控制系統(tǒng)采用FF HSE現(xiàn)場總線作為控制網(wǎng)絡(luò)，掛接在HSE網(wǎng)絡(luò)上的控制站可以實(shí)時(shí)通信，組成控制回路，提供全分布的控制功能。發(fā)明中完成HSE協(xié)議棧，HSE協(xié)議棧包括HSE的各層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理/系統(tǒng)管理等。具體實(shí)現(xiàn)包括FDA任務(wù)和SM任務(wù)，另外還包括了標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧。2. FF Hl總線通訊模塊
FF是過程控制行業(yè)中普遍采用的現(xiàn)場總線通信協(xié)議。本發(fā)明以現(xiàn)場總線核心芯片和現(xiàn)場總線協(xié)議軟件的關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)明了可移植的芯片驅(qū)動軟件包，以靜態(tài)庫的形式實(shí)現(xiàn)了 FF Hl現(xiàn)場總線協(xié)議棧。FF Hl協(xié)議棧軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)(NUCLEUS庫)、 Hl協(xié)議棧程序和FF Hl主站驅(qū)動程序三個部分。發(fā)明了 FF Hl總線通信模塊。FF Hl接口模塊是輸運(yùn)床氣化爐控制系統(tǒng)的一個 I/O子系統(tǒng)。采用Atmel公司的32位CPU AT9140800作為接口模塊的主控制器，采用沈陽自動化研究所生產(chǎn)的FBC0409芯片作為現(xiàn)場總線的接口芯片，使用FF Hl協(xié)議庫來實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件。每個Hl總線接口模塊具有兩個網(wǎng)段，可以同時(shí)連接兩個網(wǎng)段的FF Hl現(xiàn)場設(shè)備。 其中FF Hl總線的網(wǎng)段之間具有網(wǎng)橋功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。FF Hl模塊通過串口和控制器進(jìn)行交互，再由控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)軟件。組態(tài)軟件通過FF Hl總線接口模塊可以訪問FF Hl現(xiàn)場設(shè)備信息，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行參數(shù)讀寫和連接組態(tài)。3.監(jiān)控組態(tài)軟件
監(jiān)控組態(tài)軟件由資源管理器模塊、控制策略開發(fā)環(huán)境模塊、組態(tài)信息下載模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、OPC應(yīng)用等構(gòu)成，具體功能包括
一資源管理器，負(fù)責(zé)配置當(dāng)前系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息，并以樹狀結(jié)構(gòu)視圖的形式顯示當(dāng)前系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息；
一系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫，存儲系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息；
一控制策略開發(fā)環(huán)境，負(fù)責(zé)模塊一級的組態(tài)配置工作，由模塊管理、數(shù)據(jù)管理、模板管理、算法編輯、算法檢查、在線監(jiān)控、仿真調(diào)試、模塊間通訊等模塊組成； -DB0B.DLL，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象解析為信息對象； -DST. DLL,負(fù)責(zé)在輸入/輸出功能塊與控制器的I/O模塊/通道之間建立映射關(guān)系；-I/O映射工具，以列表的方式顯示系統(tǒng)中所有的I/O配置信息，并通過DST. DLL在輸入/輸出功能塊和和控制器的I/O模塊/通道之間建立映射關(guān)系；
一組態(tài)配置信息下載工具，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息下載到實(shí)際的現(xiàn)場設(shè)備中； -I/O服務(wù)器程序，負(fù)責(zé)與現(xiàn)場實(shí)際的設(shè)備(控制器)進(jìn)行交互，例如設(shè)備列舉，組態(tài)配置信息下載，參數(shù)讀寫等等；
-IOServerWrap. DLL，對NCS2I(^erver (I/O服務(wù)器)提供的COM接口進(jìn)行包裝，以減輕客戶程序通過NCS2I(^erver訪問現(xiàn)場控制器的負(fù)擔(dān)；
-SysDBBrowser. DLL，對象瀏覽動態(tài)鏈接庫庫，根據(jù)客戶程序的不同需要，以一種統(tǒng)一的方式在各個上位機(jī)軟件中顯示系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫的概要信息； 一安全服務(wù)程序，負(fù)責(zé)資源管理器程序操作的驗(yàn)證。4.嵌入式常規(guī)功能塊庫
本發(fā)明在研究了 IEC61499、IEC61804、IEC61131 — 3等國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了嵌入式功能塊，按照設(shè)計(jì)進(jìn)行了代碼編寫工作。這些功能塊為常規(guī)功能塊，算法簡單，可以滿足輸運(yùn)床氣化爐基本的控制需求，包括
一輸入/輸出類功能塊，包括模擬輸入功能塊、模擬輸出功能塊、數(shù)字輸入功能塊、數(shù)字輸出功能塊；
一模擬控制類功能塊，包括比例積分微分功能塊、比值功能塊、輸入選擇功能塊、 超前滯后功能塊；
一邏輯運(yùn)算類功能塊，包括與運(yùn)算功能塊、或運(yùn)算功能塊、非運(yùn)算功能塊； 一定時(shí)/計(jì)數(shù)類功能塊，包括計(jì)數(shù)器功能塊；
一算術(shù)類功能塊，包括加運(yùn)算功能塊、減運(yùn)算功能塊、乘運(yùn)算功能塊、除運(yùn)算功能塊
ο5.模糊控制、自整定、預(yù)測控制等先進(jìn)控制功能塊
在完成常規(guī)功能塊的基礎(chǔ)上，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自整定、預(yù)測控制等控制算法，通過嵌入式編程方式實(shí)現(xiàn)了這些復(fù)雜控制算法，并將這些控制算法整合到了已有的功能塊軟件模型中。6.所述密相輸運(yùn)床氣化爐專用嵌入式軟件包括
一輸運(yùn)床氣化爐模型預(yù)測氣化爐的穩(wěn)態(tài)熱力性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能分析和運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的動態(tài)特性變化分析，為設(shè)計(jì)和完善氣化爐的控制策略而建立的，輸運(yùn)床氣化爐模型是建立在平衡模型原理和反應(yīng)動力學(xué)原理的基礎(chǔ)上的，包括
ω.揮發(fā)份析出模型，計(jì)算揮發(fā)份在熱解過程中的產(chǎn)物，通過C、H、0、N*S的元素平衡法估算出熱解產(chǎn)物的成分；
⑵.氣化子模型，包括碳與水蒸汽的反應(yīng)、二氧化碳的還原反應(yīng)(Boudouard反應(yīng))、碳與氫氣的反應(yīng)；
(3).出口煤氣成分模型，煤氣的主要成分是CO,H2 ,CO2 ,H2O、N2、CH4等，含硫氣體成分是H2S。由于在氣化爐內(nèi)進(jìn)行的是高溫反應(yīng)，化學(xué)平衡很快達(dá)到，在預(yù)測氣化爐出口煤氣成分時(shí)，根據(jù)物質(zhì)平衡和水煤氣反應(yīng)化學(xué)平衡方程求解氣體總摩爾數(shù)和八種主要煤氣成分摩爾分?jǐn)?shù)；
(4).物質(zhì)和能量平衡模型，包括固相質(zhì)量平衡、固碳質(zhì)量平衡、氣相質(zhì)量平衡、動態(tài)能量平衡方程；
一輸運(yùn)床氣化爐專用控制算法軟件，根據(jù)氣化爐的仿真模型進(jìn)行氣化爐的動態(tài)特性分析，通過過對微分方程組的迭代求解，可以得到用于控制的模型，其中，輸入變量為給煤量 、氧氣流量、蒸汽流量、石灰石流量和排渣量；輸出變量為氣化爐溫度、壓力、煤氣熱值和床料量。由于石灰石以固定鈣硫比輸入，所以可以得到一個4X4的模型。分別對四個輸入量進(jìn)行100%負(fù)荷下階躍變化，從而進(jìn)行個輸出的動態(tài)特性分析； 包括
①給煤量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
②氧氣量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
③水蒸汽量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
④排渣量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；
根據(jù)以上的分析結(jié)果，開發(fā)出爐溫控制功能塊、爐壓控制功能塊、煤氣熱值控制功能塊、床料量控制功能塊。 采用支持向量機(jī)等智能計(jì)算技術(shù)，發(fā)明從出口氣體成分到爐溫的軟測量模型，根據(jù)出口工藝氣體成分輔助爐溫檢測，甚至在熱電偶出現(xiàn)故障時(shí)替代故障值給出正確的爐溫；以人工確認(rèn)的爐溫?zé)犭娕紮z測值作為模型修正的依據(jù)，保證爐溫檢測的準(zhǔn)確性，開發(fā)出爐溫軟測量功能塊。
權(quán)利要求
1.一種氣化爐專用控制系統(tǒng)，基于上位機(jī)的基礎(chǔ)，其特征在于包括控制器模塊、總線模塊、I /0模塊、電源模塊、背板；所述控制器模塊通過背板與I/O模塊、總線模塊連接，采集現(xiàn)場物理信號； 所述電源模塊為上述模塊進(jìn)行供電； 所述控制器模塊與上位機(jī)通信連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的氣化爐專用控制系統(tǒng)，其特征在于還包括電源背板、控制器背板、I/O背板；所述電源背板，用于安裝電源模塊； 所述控制器背板，用于安裝控制器模塊；所述I/O背板，用于安裝I/O模塊，采用無源串行背板總線技術(shù)，支持I/O模塊熱插拔。
3.按照權(quán)利要求1所述的氣化爐專用控制系統(tǒng)，其特征在于 所述電源模塊，采用1+1冗余電源結(jié)構(gòu)；所述控制器模塊，采用雙CPU結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場I/O信號的采集、處理、控制； 所述總線模塊，采用現(xiàn)場FF Hl總線并與現(xiàn)場設(shè)備連接；所述I/O模塊，包括模擬量輸入接口、模擬量輸出接口、開關(guān)量輸入接口、開關(guān)量輸出接口 ；用于采集現(xiàn)場物理信號。
4.按照權(quán)利要求3所述的氣化爐專用控制系統(tǒng)，其特征在于所述現(xiàn)場FFHl總線通過線纜與現(xiàn)場設(shè)備相連。
5.按照權(quán)利要求3所述的氣化爐專用控制系統(tǒng)，其特征在于所述現(xiàn)場FFHl總線包括主控制器、FF通信芯片、2個網(wǎng)段；現(xiàn)場FF Hl總線通過串口與控制器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)控制器模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，所述上位機(jī)通過現(xiàn)場FF Hl總線與現(xiàn)場設(shè)備連接，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行參數(shù)讀寫和連接組態(tài)。
6.按照權(quán)利要求1所述的氣化爐專用控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)中含有監(jiān)控組態(tài)單元；該單元包括一資源管理器，負(fù)責(zé)配置當(dāng)前系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息，并以樹狀結(jié)構(gòu)視圖的形式顯示當(dāng)前系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息；一系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫，存儲系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息；一控制策略開發(fā)環(huán)境，負(fù)責(zé)模塊一級的組態(tài)配置工作，由模塊管理、數(shù)據(jù)管理、模板管理、算法編輯、算法檢查、在線監(jiān)控、仿真調(diào)試、模塊間通訊模塊組成； 一數(shù)據(jù)對象管理，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象解析為信息對象； -I/O映射關(guān)系管理，負(fù)責(zé)在輸入/輸出功能塊與控制器的I/O模塊/通道之間建立映射關(guān)系；-I/O映射工具，以列表的方式顯示系統(tǒng)中所有的I/O配置信息，并通過DST. DLL在輸入/輸出功能塊和和控制器的I/O模塊/通道之間建立映射關(guān)系；一組態(tài)配置信息下載工具，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息下載到實(shí)際的現(xiàn)場設(shè)備中； -I/O服務(wù)器程序，負(fù)責(zé)與現(xiàn)場實(shí)際的設(shè)備進(jìn)行交互，例如設(shè)備列舉，組態(tài)配置信息下載，參數(shù)讀寫等等；-I/O服務(wù)COM接口封裝，對I/O服務(wù)器提供的COM接口進(jìn)行包裝，以減輕客戶程序通過I/O服務(wù)器訪問現(xiàn)場控制器的負(fù)擔(dān)；一對象瀏覽動態(tài)鏈接庫，根據(jù)客戶程序的不同需要，以一種統(tǒng)一的方式在各個上位機(jī)軟件中顯示系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫的概要信息；一安全服務(wù)程序，負(fù)責(zé)資源管理器程序操作的驗(yàn)證；一嵌入式常規(guī)功能模塊，滿足輸運(yùn)床氣化爐基本的控制需求。
7.按照權(quán)利要求6所述的氣化爐專用控制系統(tǒng)，其特征在于所述嵌入式常規(guī)功能模塊包括一輸入/輸出功能模塊，包括模擬輸入功能塊、模擬輸出功能塊、數(shù)字輸入功能塊、數(shù)字輸出功能塊；一模擬控制類功能模塊，包括比例積分微分功能塊、比值功能塊、輸入選擇功能塊 、超前滯后功能塊；一邏輯運(yùn)算類功能模塊，包括與運(yùn)算功能塊、或運(yùn)算功能塊、非運(yùn)算功能塊；一定時(shí)/計(jì)數(shù)類功能模塊，包括計(jì)數(shù)器功能塊；一算術(shù)類功能模塊，包括加運(yùn)算功能塊、減運(yùn)算功能塊、乘運(yùn)算功能塊、除運(yùn)算功能塊。
8.按照權(quán)利要求1所氣化爐專用控制系統(tǒng)，其特征在于所述密相輸運(yùn)床氣化爐專用嵌入式軟件包括一輸運(yùn)床氣化爐模型預(yù)測氣化爐的穩(wěn)態(tài)熱力性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能分析和運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的動態(tài)特性變化分析，為設(shè)計(jì)和完善氣化爐的控制策略而建立的，輸運(yùn)床氣化爐模型是建立在平衡模型原理和反應(yīng)動力學(xué)原理的基礎(chǔ)上的，包括.1.揮發(fā)份析出模型，計(jì)算揮發(fā)份在熱解過程中的產(chǎn)物，通過C、H、0、N*S的元素平衡法估算出熱解產(chǎn)物的成分；.2.氣化子模型，包括碳與水蒸汽的反應(yīng)、二氧化碳的還原反應(yīng)、碳與氫氣的反應(yīng)；.3.出口煤氣成分模型，煤氣的主要成分是CO、H2,CO2 ,H2O、N2、CH4等，含硫氣體成分是 H:S。由于在氣化爐內(nèi)進(jìn)行的是高溫反應(yīng)，化學(xué)平衡很快達(dá)到，在預(yù)測氣化爐出口煤氣成分時(shí)，根據(jù)物質(zhì)平衡和水煤氣反應(yīng)化學(xué)平衡方程求解氣體總摩爾數(shù)和八種主要煤氣成分摩爾分?jǐn)?shù)；.4.物質(zhì)和能量平衡模型，包括固相質(zhì)量平衡、固碳質(zhì)量平衡、氣相質(zhì)量平衡、動態(tài)能量平衡方程；一輸運(yùn)床氣化爐專用控制算法軟件，根據(jù)氣化爐的仿真模型進(jìn)行氣化爐的動態(tài)特性分析，通過過對微分方程組的迭代求解，可以得到用于控制的模型，其中，輸入變量為給煤量 、氧氣流量、蒸汽流量、石灰石流量和排渣量；輸出變量為氣化爐溫度、壓力、煤氣熱值和床料量；由于石灰石以固定鈣硫比輸入，所以可以得到一個4X4的模型；分別對四個輸入量進(jìn)行100%負(fù)荷下階躍變化，從而進(jìn)行個輸出的動態(tài)特性分析；包括①給煤量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；②氧氣量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；③水蒸汽量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；④排渣量階躍變化時(shí)模型輸出的動態(tài)響應(yīng)；根據(jù)以上的分析結(jié)果，開發(fā)出爐溫控制功能塊、爐壓控制功能塊、煤氣熱值控制功能塊、床料量控制功能塊。
全文摘要
本發(fā)明公開一種氣化爐專用控制系統(tǒng)，基于上位機(jī)的基礎(chǔ)，包括控制器模塊、總線模塊、I/O模塊、電源模塊、背板；所述控制器模塊通過背板與I/O模塊、總線模塊連接，采集現(xiàn)場物理信號；所述電源模塊為上述模塊進(jìn)行供電；所述控制器模塊與上位機(jī)通信連接。還包括電源背板、控制器背板、I/O背板；所述電源背板，用于安裝電源模塊；所述控制器背板，用于安裝控制器模塊；所述I/O背板，用于安裝I/O模塊，采用無源串行背板總線技術(shù)，支持I/O模塊熱插拔。本發(fā)明具有密相輸運(yùn)床氣化爐的全工況仿真平臺，支持工藝仿真與優(yōu)化控制策略設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。本發(fā)明是基于現(xiàn)場總線的開放的、可擴(kuò)展的氣化爐控制系統(tǒng)，保證氣化爐安全平穩(wěn)運(yùn)行。
文檔編號C10J3/00GK102566436SQ20101058305
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者萬昕, 于海斌, 張群青, 林躍, 王宏, 趙海燕 申請人:沈陽中科博微自動化技術(shù)有限公司