专利名称：一种数字化钢球磨煤机控制方法及控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字化钢球磨煤机的控制方法及其控制系统。
背景技术：
钢球磨煤机是火电厂广泛使用的一种煤粉制备系统(简称制粉系统)，要求制粉系统的干燥、研磨和输送(包括分离)三个过程分别有相匹配的出力，这三种出力彼此相适应，是制粉系统正常运行的基本条件，制粉系统设计得正确，调整得合理(通过调整试验找到最佳运行工况)，并在运行中严格保持各参数，制粉系统的工况才能达到最好的水平，即制粉出力最大，单位重量煤粉耗能最小。但现实中的外扰因素太多，比如制粉系统中原煤煤种情况变化复杂(影响因素包括可磨性系数、水份等)，运行工况偏离设计值很远，制粉系统的主设备结构也有很大差别--大部分电厂设计有高温风、低温风，以及再循环风，也有不少电厂没有低温风，靠冷风调整或再循环风调整，还有少数电厂靠炉烟风提高干燥介质，这些造成了制粉系统运行中的很多问题，主要表现在磨煤、干燥、输送出力不相匹配，而且很多情况下没有工作在最佳出力点，造成能源的浪费，连续运行能力差，在大多数情况下，还需要运行人员的不断监控，进行人为的干预。钢球磨煤机的自动控制问题一直没很好的解决，成了电力系统长年不能解决的控制难题，很难实现最佳经济运行。
目前的制粉控制系统只是维持一些固定的设定值，而非维持在最佳值上，有两个主要原因造成传统的寻优方法对制粉系统无效。第一，由于各参数之间耦合强烈，改变设定值时系统制粉单耗的变化方向有可能是错误的，导致对最优工况的误判；第二频繁地寻优会使制粉系统长期处于不稳定状态，也许能经常找到最佳存煤量，但是不稳定运行所造成的制粉单耗的上升将部分抵消甚至超过由此带来的收益。
近年来，国内有些科研院所和企业都加入开发钢球磨的行列，但其检测手段和控制方法都多沿用传统的控制方法，只改变控制参数，不能达到满意的控制效果，难以控制被控对象动态特性差异较大的系统。没有解决钢球磨煤机复杂的设计和运行情况，因而通用性较差，难以推广。无论手动或自动方式，用什么方式去控制制粉系统，以往大多数情况是，假定有个理想的最佳运行工况之下，通过调煤挡板控制出力，用热风挡板控制钢球磨煤机出口温度，用低温风或其他风控制入口负压。实际上最佳运行点经常被干扰，因此，原有的自动方式就很难应对这种多因素的变化。并且这些控制系统既不能接受电厂管理信息系统的信号，又不能提供信号给管理决策，因而不能充分体现出该系统在电站高效低损运行中的重要作用。欧美国家较少使用钢球磨控制系统，他们在技术上存在同样的问题；俄罗斯使用钢球磨控制系统较多，但其利用的还是七、八十年代的控制设备，整体已较落后。
发明内容
本发明要解决的技术问题是根据实际的情况动态寻找最佳工况，当动态确定最优后，维持确定的定值，实现连续、经济控制，即在保持最佳煤粉细度和一定的煤粉水份的前提下，达到煤粉最大出力，磨每吨煤粉的耗电率最低，锅炉机组和制粉系统综合经济性最高。并将制粉系统运行参数直接送入管理信息网络中。允许两级手动/自动切换本发明的目的是提供一种数字化钢球磨煤机控制方法及其控制系统，实现多功能于一体的数字化控制系统，整体解决钢球磨煤机制粉系统的最优控制方案，使系统组合灵活、可靠性高，实现钢球磨煤机制粉系统的最优、稳定的控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本发明提出在线决策控制的概念和方法，应用在线仿真技术、仿真控制同平台技术、自学习技术，实现多变功况下连续、安全、经济控制。以达到控制系统连续运行而不倒，在线决策的对策寻求相对最佳状态，真正实现磨每吨每粉可节约3度电。
本发明提出一种数字化钢球磨煤机控制方法，即基于在线仿真技术的在线决策控制方法，包括a，在磨煤机系统上选取测量点，用测量手段取得测量数据；对难于测量的数据，用在线仿真进行计算和分析；b，通过仿真控制平台实现基于在线仿真的自寻优，根据输入的测量数据进行计算和事故预测，判断和分析当前工况，依据在线决策控制进行控制方案与参数的实时调整和寻优，由此提供一组实时最佳控制策略；c，用所述控制信息控制磨煤机上执行机构的动作。
通过开发一个功能强大的仿真控制同平台的支撑软件系统及其应用软件系统，开发包括在线决策控制、自学习自寻优功能的DMS系统(简称DMS系统)，用软件(存放到I/O控制器中或监控计算机中)完成调节功能，实现最佳工况自动跟踪和试验，充分利用仿真系统，在运行中不停寻找当时条件下最佳，根据热力试验确定最佳工况，通过调节热风门、冷风门、再循环门、温风门和给煤，将磨入口负压、出口温度、存煤量/差压稳定在规程允许的范围之内，修正参数设定值和输出指令，并且维持随时的最优值，使在各种工况下保持较大出力，实现适应各种工况的自动寻优和适应运行工况变化的控制方案的在线决策，将磨煤机自动控制在当时最佳工况点，实现优化控制。
本发明提出一种适用于数字化钢球磨煤机仿真控制方法的数字化钢球磨煤机控制系统，包括传感器单元、输入/输出信号处理单元、仿真分析和寻优单元、在线决策控制单元，其中a，传感器单元用于采集各测量点的测量数据，并将数据输入至输入信号处理单元；b，输入/输出信号处理单元用于将测量数据变为可用的工程量单位信号，以及把控制输出信号经转换后传输给指示设备和执行机构；c，仿真分析和寻优单元用于将工程量单位信号进行实时仿真分析计算和事故预测，判断当前工况和寻优，输出当前最优的设定值；d，在线决策控制单元用于接收仿真控制单元输出的设定值，计算出控制指令并输出至执行机构。
在系统的结构上，在原煤调节挡板、钢球磨煤机入口及出口、粗粉分离器挡板、旋风分离器、排粉机等处设置传感器单元和测量点，并安装本发明开发的存煤量测量设备，这些传感器单元和测量点与I/O控制器、监控计算机组成一个计算机网络系统。
本发明的仿真与控制同支撑平台、DMS系统运行在计算机网络上，所有的信号分散式全数字网络控制系统，信号的传递完全由数字通信完成，不存在模拟信号的传递；可互操作性保证了系统的各部件的制造均按照国际统一的规范和标准，用户可自主选择。
本发明具有硬手操、软手操及自动控制功能(即两级手动/自动切换)，并实现三者的无扰动切换。
本发明利用计算机网络，将制粉系统运行参数直接送入管理信息网络中，与电厂的技术管理、运行管理、设备管理建立密切关系，实现控制与管理的统一。
本发明的控制原理如下(见图1)在线决策控制包括对控制参数的在线决策、控制方案的在线决策控制定值的在线决策在线决策控制通过改变控制器的参数来提高系统的性能，增强控制系统的适应能力。在线决策控制能够对控制器进行在线整定，得到一组满意的参数，并且通过实时修改控制器参数来对系统进行优化。控制方案在线决策在线决策控制不只改变控制系统的参数，而是通过在线决策实时改变控制方案，从根本上解决问题。
在线仿真充分选用有代表性、可靠性好、维护量小的信号，应用在线仿真技术解决难点信号的测量问题；增强系统的预测能力。
基于在线仿真的自寻优贯穿于整个运行过程，由两个阶段组成第一阶段是基于历史的自寻优，第二阶段是基于在线仿真的自寻优，第一阶段是第二阶段的基础和准备。在第一阶段，适时地向控制回路推荐一些设定值，为在线建模----跟踪时变系统模型----准备原始数据。当收集的数据足以建立一个初步可用的模型时，自动进入智能化程度更高的第二阶段寻优。进入第二阶段后，在主机内同步地运行一个制粉系统模型，该模型准确地模拟了从所有采集量到制粉单耗之间的映射函数，对一个经过判断有可能维持一段时间的外部条件组，及时搜索出该外部条件下以单耗最小为目标的三个被控量的最佳组合，提供给控制回路作为未来一段时间内的设定值。外部条件由这样的参数组成它本身比较稳定(相对于其它过程量的变化速度而言)，当它变化时将使制粉系统的工况随之发生可观察的改变，而制粉系统受到来自其它因数的扰动时(如调整档板)却不会改它。这种结构既能使制粉系统经常运行在当时条件下的最优工况内，又能将这样的工况维持一段较长的时间。
测量信号是用来了解制粉系统运行情况的信息，制粉系统除负压、温度信号外，本发明开发了用以表示存煤量的测量信号，这是表示制粉系统运行情况的直接信号。
本发明的积极效果是系统设计已达到或超过相关国家标准或国际标准。与手动操纵相比，本发明达到最佳经济运行和相对最低系统单耗，实现了平均制备每吨煤粉节省3度电左右的节能效果，有效地降低厂用电率，对我国电力工业的节能降耗将起到极大的促进作用。本发明实现了多功能于一体的数字化控制，自动稳定运行，系统随机分析功能强，具有预测故障的能力，既是控制机又是仿真机、自学习机，也是管理的好助手，便于运行和检修人员随时掌握系统情况。用户采购该系统的费用将在短期内得到回收，经济效益相当可观。
图1为本发明的控制原理图；图2为本发明的信号流程图；图3为本发明两级手动/自动切换示意图；图4为本发明磨煤系统测点分布图；图5为本发明两级网络示意图。
具体实施例方式
如图1、图2所示，本发明提出一种数字化钢球磨煤机仿真控制方法，包括a，在磨煤机上选取测量点，用测量手段取得测量数据；b，基于仿真控制平台，通过实现在线仿真的自寻优，将输入的测量数据进行分析计算和事故预测，判断当前工况和寻优，并据此进行在线决策控制，提供一组实时最佳控制信息，；c，用所述控制信息控制磨煤机上执行机构的动作。
如图2所示，DMS所需信号经过IO系统(AI/DI数据采集模块)的采集变为数字信号，通过输入信号处理单元变为可用的工程量单位信号；在仿真控制平台的支撑下，在线仿真单元对系统进行实时出力计算和事故预测，并将结果送给自学习自寻优单元和在线决策控制单元；自学习自寻优单元对当前工况进行判断和寻优，推荐出当前最优的设定值给在线决策控制单元；在线决策控制单元综合所有的信号，计算控制指令，并通过信号输出处理单元、IO系统(A0/D0数据输出模块)变为电信号，去控制现场的执行机构，使被控信号达到当前的最优值。系统的输入信号都可通过人机接口得以显示，输出信号可通过人机接口，在软手操状态下进行手动操作。
本发明提出一种适用于数字化钢球磨煤机仿真控制方法的数字化钢球磨煤机控制系统，包括传感器单元、输入/输出信号处理单元、仿真分析和寻优单元、在线决策控制单元，其中a，传感器单元用于采集各测量点的测量数据，并将数据输入至输入信号处理单元；b，输入/输出信号处理单元用于将测量数据变为可用的工程量单位信号，以及把控制输出信号经转换后传输给指示设备和执行机构；c，仿真分析和寻优单元用于将工程量单位信号进行实时仿真分析计算和事故预测，判断当前工况和寻优，输出当前最优的设定值；d，在线决策控制单元用于接收仿真控制单元输出的设定值，计算出控制指令并输出至执行机构。
以下以应用最广泛、用户最多的典型系统----中间粉仓式的热风制粉系统为例，结合附图详述本发明。
如图4所示，本发明可以这样来实现数字化钢球磨煤机控制系统实质是一个网络系统。在中间粉仓式的制粉系统中，包括球磨机1、粗粉分离器2、排粉机3、旋风分离器6、原煤仓7、皮带给煤机8、低温风入口4、高温风入口5、排粉出口9，磨煤机出力与锅炉的负荷没有直接关系，可以不必时刻跟随锅炉负荷的变化，两者出力的差额可由煤粉仓吞吐作用来补充。设置传感器单元和测量点、存煤量测量设备球磨机1入口负压SM、球磨机1入口温度tMa、球磨机1出口温度tMb、球磨机1出入口压差ΔPu、球磨机1入口至粗粉分离器2入口压差ΔPu-n、粉位压差ΔPy、孔板压差ΔPw、原煤调节挡板开度(出力)ynT(B)、再循环风门开度ynp、低温风入口4门开度ynH、高温风入口5门开度ynm、排粉机3入口门开度ynM1b、排粉机3入口负压SMb、粗粉分离器2挡板开度ync、煤粉细度Rgg、存煤量信号Vy，这些传感器单元和测量点与I/O控制器、监控计算机组成一个计算机网络系统。传感器单元和执行器单元是网络上的一个节点，传统的调节器不复存在，调节功能以软件形式分散到I/O控制器中或监控计算机中。所述传感器单元和测量点用通用的设备和惯用的手段获得。
建立仿真与控制支撑同平台AF2000对仿真运算、控制算法、寻优等各种任务进行统一调度，使在线仿真支持实时控制和寻优。仿真与控制支撑双平台AF2000内部有实时数据库，实现仿真与控制数据的完全共享。仿真与控制支撑双平台AF2000以Windows 2000 Pro为操作系统，运行于高性能IPC机上，具备核电级安全性能。
在仿真与控制支撑同平台AF2000上建立DMS系统--DMS2800。DMS2800系统投运后，首先进入寻优的第一阶段，在这个阶段内，适时地向控制回路推荐一些设定值，为在线建模准备原始数据。跟踪时变系统模型，这是在线寻优计算的核心，当收集的数据足以建立一个初步可用的模型时，DM2800就自动进入智能化程度更高的第二阶段寻优。进入第二阶段后，在主机内同步地运行一个制粉系统模型，该模型准确地模拟了从所有采集量到制粉单耗之间的映射函数，对一个经过判断有可能维持一段时间的外部条件组，及时搜索出该外部条件下以单耗最小为目标的三个被控量的最佳组合，提供给控制回路作为未来一段时间内的设定值。外部条件由这样的参数组成煤种、原煤、水分、钢球装载量等。这种结构既能使制粉系统经常运行在当时条件下的最优工况内，又能将这样的工况维持一段较长的时间。
由图5可见，数字化钢球磨煤机控制系统由两级网络组成现场级网络40和监控级网络50。现场级采用工业现场总线技术，将所需常规模拟信号通过I/O设备41转换为数字信号，接入现场级网络40。I/O控制器42是现场级网络中的另一类设备，所有的控制算法和逻辑都由它完成。可将其按功能划分成如调节、逻辑、保护等几部分，分别放置在几个I/O控制器42中。另外，为保证系统整体的可靠性，每台磨煤机的控制对应一个或多个I/O控制器42，形成分布式控制系统，降低了由于控制器故障而引发的危险性。由于目前的控制器无法实现SPC算法，因此，现阶段I/O控制器42是作为监控计算机的后备而存在，当监控计算机由于某种原因意外死机，I/O控制器42可保持死机前的调节状态，同时发出报警，提示操作人员处理，降低了由于监控计算机故障而引发的危险性。监控级网络50采用标准以太网，TCP/IP协议，通信的开放性保证了系统将来扩充的方便。考虑到制粉系统43并非电厂的关键系统，加之系统的造价、电厂集控室的空间不足等问题，监控级网络50目前只设置一台计算机----监控站51，它通过标准的以太网卡连接在监控级网络50上，通过现场总线网卡52与现场级的控制设备通讯。监控站包含了常规DCS的操作员站、工程师站和控制器的功能运行MMI软件，可对现场进行监视和控制；运行组态软件，可对现场控制设备进行控制算法的修改；运行实时控制软件，可实现SOFT PLC功能。通过路由器53将现场级网络40和监控级网络50进行透明连接。路由器53内置Web Server功能，能将制粉系统43的实时数据以网页的形式在企业管理信息系统网络上发布，支持远程监视浏览和组态。
由于目前现场的制粉系统已有手动控制，考虑到本系统的安全性，将保留原系统作为硬手操，由图3可见两级手/自动切换顺序。通过集控室的手操器进行手动控制和计算机控制之间的切换，称之为第一级手/自动切换31，当手操器的手操信号33位于“手动”时，执行器35接受手操器的输出信号，计算机控制系统的输出信号处于跟踪状态；当手操器位于“自动”时，通过计算机的人机界面34进行计算机手动控制341(软手操)和计算机自动控制342之间的切换，称之为第二级手/自动切换32，执行器35接受计算机控制系统的输出信号，手操器的输出信号处于跟踪状态。上述的两级手操设计，使系统具有三种运行模式自动、软手操、硬手操，保证了系统的安全、可靠的运行。
系统功能①自动寻优，仿真培训最佳工况的修正，求得系统更佳；②智能控制，确保系统参数控制，自动投入；③工况分析分析系统状态工况预测分析，提供处理方案；④运行分析记录运行状况，报表分析；⑤操作记录运行分析考核的参照；故障报警并提供处理指导；⑥指标考核包括经济指标的计算统计和评优；信号、系统等自检；实现制粉系统的顺序启停；投运指导；⑦仿真培训等等。
系统结构设计合理，耐博计划的小系统配置，既不复杂又有扩充的余地。
技术指标通信距离最远90km通信速率最快12Mbps最大I/O站数126个每个I/O站最大I/O点数32点系统容量65536点(包括内部点和I/O点)典型响应时间1ms系统投入自动控制稳定运行时间在90％以上。
系统运行可靠、安全，检测信号准确、稳定、维护量小，执行机构灵活。
对于其它钢球磨制粉系统如直吹式、中储式乏汽、中储式有再循环、中储式无再循环等，均可利用其仿真系统，设置相应的传感器单元和测量点，建立相应的计算机网络，在仿真与控制同支撑平台的支持下，运行相应的在线决策控制、自学习自寻优功能的DMS系统，实现对应的直吹式、中储式乏汽、中储式有再循环、中储式无再循环等数字化钢球磨煤机控制系统，不详述。
权利要求
1.一种数字化钢球磨煤机仿真控制方法，其特征在于a，在磨煤机上选取和加装测量点，用测量手段取得测量数据；b，基于仿真控制平台，通过实现在线仿真的自寻优，将输入的测量数据进行分析计算和事故预测，判断当前工况和寻优，并据此进行在线决策控制，提供一组实时最佳控制信息；c，用所述控制信息控制磨煤机上执行机构的动作。
2.根据权利要求1所述的数字化钢球磨煤机仿真控制方法，其特征在于所述在线仿真的自寻优通过以下步骤实现第一阶段是基于历史的自寻优，第二阶段是基于在线仿真的自寻优，在第一阶段，适时地向控制回路推荐一些设定值，为在线建模——跟踪时变系统模型——准备原始数据当收集的数据足以建立一个初步可用的模型时，自动进入智能化程度更高的第二阶段寻优，进入第二阶段后，在主机内同步地运行一个制粉系统模型，该模型准确地模拟从所有采集量到制粉单耗之间的映射函数，对一个经过判断有可能维持一段时间的外部条件组，及时搜索出该外部条件下以单耗最小为目标的三个被控量的最佳组合，提供给控制回路作为未来一段时间内的设定值。这种结构既能使制粉系统经常运行在当时条件下的最优工况内，又能将这样的工况维持一段较长的时间。
3.一种适用于权利要求1所述方法的数字化钢球磨煤机控制系统，包括传感器单元、输入/输出信号处理单元、仿真分析和寻优单元、在线决策控制单元，其特征在于a，传感器单元用于采集各测量点的测量数据，并将数据输入至输入信号处理单元；b，输入/输出信号处理单元用于将测量数据变为可用的工程量单位信号，以及把控制输出信号经转换后传输给指示设备和执行机构；c，仿真分析和寻优单元用于将工程量单位信号进行实时仿真分析计算和事故预测，判断当前工况和寻优，输出当前最优的设定值；d，在线决策控制单元用于接收仿真控制单元输出的设定值，计算出控制指令并输出至执行机构。
4.根据权利要求3所述的数字化钢球磨煤机控制系统，其特征在于所述测量信息包括负压信号、温度信号、存煤量信号，所述测量点包括球磨机入口负压SM、球磨机入口温度tMa、球磨机出口温度tMb、球磨机出入口压差ΔPu、球磨机入口至粗粉分离器入口压差ΔPu-n、粉位压差ΔPy、孔板压差ΔPw、原煤调节挡板开度(出力)ynT(B)、循环风门开度ynp、低温风门开度ynH、高温风门开度ynm、排粉机入口门开度ynM1b、排粉机入口负压SMb、粗粉分离器挡板开度ync、煤粉细度Rgg、存煤量信号Vy。
5.根据权利要求3所述的数字化钢球磨煤机控制系统，其特征在于传感器单元和测量点与I/O控制器、监控计算机组成一个计算机网络系统，传感器单元和执行器单元是网络上的一个节点，传统的调节器不复存在，调节功能以软件形式分散到I/O控制器中或监控计算机中。
6.根据权利要求3所述的数字化钢球磨煤机控制系统，其特征在于所述仿真控制单元包括在线仿真单元和自学习自寻优单元，建立仿真与控制支撑同平台AF2000对仿真运算、控制算法、寻优等各种任务进行统一调度，使在线仿真支持实时控制和寻优。仿真与控制支撑双平台AF2000以Windows2000Pro为操作系统，运行于高性能IPC机上，具备核电级安全性能，在仿真与控制支撑同平台AF2000上建立DMS系统——DMS2800。
7.根据权利要求3所述的数字化钢球磨煤机控制系统，其特征在于控制指令的输出通过两级手/自动切换来实现手操、软手操及自动控制三者的无扰动切换。
8.根据权利要求3或7所述的数字化钢球磨煤机控制系统，其特征在于两级手/自动切换这样实现的通过集控室的手操器进行手动控制和计算机控制之间的切换，称之为第一级手/自动切换，当手操器位于“手动”时，执行器接受手操的输出信号，计算机控制系统的信号处于跟踪状态；当手操器位于“自动”时，通过计算机的人机界面进行计算机手动控制(软手操)和计算机自动控制之间的切换，称之为第二级手/自动切换，执行器接受计算机控制系统的输出信号，手操器的输出信号处于跟踪状态。
9.根据权利要求1所述的数字化钢球磨煤机控制系统，其特征在于控制系统由现场级和监控级两级网络组成，现场级网络采用工业现场总线技术，现场级网络中包括有I/O设备、I/O控制器，常规模拟信号通过I/O设备转换为数字信号，所有的控制算法和逻辑都由I/O控制器完成，可将其按功能划分成如调节、逻辑、保护等几部分，分别放置在几个I/O控制器中，每台磨煤机的控制对应一个或多个I/O控制器，形成分布式控制系统，当监控计算机由于某个原因意外死机，I/O控制器可保持死机前的调节状态，同时发出报警，提示操作人员处理，监控级网络采用标准以太网，TCP/IP协议，监控级网络中包括有计算机——监控站，监控站通过标准的以太网卡连接在监控级网络上，亦可通过现场总线网卡与现场级的控制器的功能——运行MMI软件，可对现场进行监控和控制，运行组态软件，可实现SOFT PLC功能，可通过路由器将现场级网络和监控级网络进行透明连接，路由器内置Web Server功能，能将制粉系统的实时数据以网页的形式在企业管理信息系统网络上发布，支持远程监视浏览和组态，与电厂的技术管理、运行管理、设备管理建立密切关系，实现控制与管理的统一。
全文摘要
一种数字化钢球磨煤机控制方法及其控制系统，即基于在线仿真技术的在线决策来进行控制，包括a.在磨煤机系统上选取测量点，用测量手段取得测量数据；b.通过仿真控制平台实现基于在线仿真的自寻优，根据输入的测量数据进行计算和事故预测，判断和分析当前工况，依据在线决策控制进行控制方案与参数的实时调整和寻优，由此提供一组实时最佳控制策略；c.用所述控制信息控制磨煤机上执行机构的动作。本发明能达到最佳经济运行和相对最低系统单耗，实现了平均制备每吨煤粉节省3度电左右的节能效果，有效地降低厂用电率，对我国电力工业的节能降耗将起到极大地促进作用。
文档编号G05B13/02GK1584758SQ0314026
公开日2005年2月23日 申请日期2003年8月22日 优先权日2003年8月22日
发明者游景玉, 陈广, 沈彩虹, 周维长, 李开升, 杨兴河, 王昕 申请人:广东亚仿科技股份有限公司