加热炉优化控制系统的制作方法

专利名称：加热炉优化控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及优化控制领域，尤其涉及一种加热炉优化控制系统。
背景技术：
加热炉自动控制技术的应用，在80年代曾作过不少尝试，在控制策略上 主要以反馈控制为主，即通过对烟道挡板和进风蝶阀进行调节，以满足排烟 氧含量和炉膛负压趋近设定值，实现最佳燃烧。炉膛压力和温度作为安全和 工艺指标约束控制，也有用燃料量的变化作为前馈控制。这些控制系统有一 定作用，但在运行不长时间之后，都被置于手动不再投用。
近几年来，人们加强对现代控制理论的研究与应用，国内外出现了自校 正系统、自适应控制、模糊控制、智能控制等新型控制系统，国内许多高校、 研究院也逐步开展加热炉的数学模型与仿真研究，开展模糊控制算法及智能 控制系统的研究，取得了一些成果，并获得很好的应用，在冶金行业，加热 炉的智能控制系统已研究多年并正在逐步完善。
本发明的申请人在加强加热炉管理和日常炉效监测的工作中，深切地体
会到炼油企业加热炉采用燃烧优化控制技术的必要性和迫切性。炼油企业普
遍存在原料品种来源多变，加热炉系统工况波动频繁，加上大多没有配备专
职的司炉工，如果不采用更先进的技术手段，要真正做到保持加热炉的长周
期高效率运行几乎是不可能的。现有控制条件下所能监测到的炉效，往往只
能维持在监测过程前后的一段有限时间内，而整个加热炉运行周期中的平均
热效率，还远没有达到期望的目标，炼油企业的综合能耗指标明显低于根据
炉效监测数据所测算出的水平。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种加热炉优化控制系统，可以降低加热炉能耗、生产装置能耗、节约原料、提高产量、提高产品质量及稳定生产单元等。
本实用新型提供加热炉优化控制系统，该系统包括工业控制计算机， 所述工业控制计算机包括数据模块、干扰分析模块和控制模块，所述数据模 块的输入端用于与加热炉的生产操作数据的输出端相连，所述干扰分析模块 的输入端用于与所述数据模块的输出端相连，所述控制模块的输入端分别与 所述数据模块的输出端和所述干扰分析模块的输出端相连，所述控制模块的 输出端分别用于与加热炉的燃料阀位、助燃风阀位、烟道挡板和风机的控制 端相连。
进一步的，所述数据模块、干扰分析模块和控制模块集成在所述工业控 制计算机的主机中。
进一步的，该系统还包括检测模块，所述检测模块的检测端用于与现 场仪表相连，所述检测模块的输出端与所述控制模块的输入端相连。
本实用新型用于加热炉优化控制系统获得工业炉生产操作数据后，根据 工业炉工况变化，适应系统中出现的各种干扰，自动调整控制规律，实现对 加热炉的燃料阀位、助燃风阀位、烟道挡板和风机变频调速的实时控制。优 化软件设计的目的在于降低加热炉能耗。
对加热炉的燃料阀位、助燃风阀位、烟道挡板、供风风机和引烟风机蝶
阀(或变频调速)等回路，实施加热炉燃烧过程的优化控制。而非单回路的 反馈控制。这些回路均可以单独控制，也可以组合起来同时控制，均有利于 降低能耗。

图l是本实用新型优化控制系统结构示意图2是本实用新型优化控制系统的控制原理示意图。
具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例的具体实施方式
做进一步的详细阐述。
请参见图1,加热炉优化控制系统，该系统包括工业控制计算机，所述 工业控制计算机包括数据模块、干扰分析模块和控制模块，所述数据模块的 输入端用于与加热炉的生产操作数据的输出端相连，所述干扰分析模块的输 入端用于与所述数据模块的输出端相连，所述控制模块的输入端分别与所述 数据模块的输出端和所述干扰分析模块的输出端相连，所述控制模块的输出 端分别用于与加热炉的燃料阀位、助燃风阀位、烟道挡板和风机的控制端相 连。进一步的，所述数据模块、干扰分析模块和控制模块集成在所述工业控 制计算机的主机中。进一步的，该系统还包括检测模块，所述检测模块的 检测端用于与现场仪表相连，所述检测模块的输出端与所述控制模块的输入 端相连。
请参见图2，加热炉优化控制技术，①工业控制计算机，其中包含主机、 显示器、键盘、鼠标等，②加热炉优化控制软件。优化控制软件安装在工控 机的硬盘上，共同构成优化控制系统。优化控制，也可以称为先进控制、智 能控制等名称。控制对象为工业生产用的加热炉，包括化工、石化行业的管 式加热炉、钢铁行业的钢材加热炉、工业锅炉等。优化控制系统获得工业炉 生产操作数据后，根据工业炉工况变化，适应系统中出现的各种干扰，自动 调整控制规律，实现对加热炉的燃料阀位、助燃风阀位、烟道挡板和风机变 频调速的实时控制。优化软件设计的目的在于降低加热炉能耗。
其中，加热炉优化控制系统软件，在实现被加热物料出炉温度的前提下， 分析被加热物料压力、流量、温度，分析工业炉各部位烟气压力、过剩空气 量、温度，分析燃料的压力、流量、温度，对加热炉的燃料阀位、助燃风阀 位、烟道挡板、供风风机和引烟风机蝶阀(或变频调速)等回路，实施加热炉燃烧过程的优化控制。而非单回路的反馈控制。这些回路均可以单独控制， 也可以组合起来同时控制，均有利于降低能耗。
进一步的，可以设定多项控制策略，动态地优选、记忆最佳路线和最优 参数组合。加热炉优化控制软件，是以多种控制策略，适应了对象的复杂性 和不确定性。它具有自学习能力，更具有很好的适应性、容错性、鲁棒性、 组织功能、实时性和人机协同等功能。能够根据知识和经验的积累，进行在 线推理和系统辨识，在线整定和优选最佳的控制路线。
进一步的，加热炉优化控制软件，其控制过程中包含了对现场仪表运行 状态的自动检测，当仪表处于故障情况下，软件会自动识别，并根据具体情 况在多种控制策略选4奪和切换。
进一步的，热炉优化控制软件，其控制过程中包含了对加热炉燃烧工况 的自动寻优。该寻优技术在于对所控制的对象给与主动干扰，软件通过对主 动干扰前后各种操作数据的波动分析，寻找出更加优化的控制参数。
进一步的，加热炉优化控制软件，其控制过程中包含了对吹灰过程的优 化。加热炉燃烧过程产生了灰垢，积聚在炉膛、对流室、空气预热器、省煤 气等传热部位，降低传热性能，在其中某些部位通常会设置吹灰装置，使用 压缩空气、蒸汽、可燃气体爆燃等方式，去除积灰。在此过程中所消耗的吹 灰介质同时也具有能耗，优化控制软件根据吹灰效果和吹灰介质消耗的对比， 找出最佳的吹灰周期。从而实现节约燃料的同时，也节约吹灰介质能耗。
进一步的，加热炉优化控制技术应用时，可以和加热炉原来的控制方式 结合起来，改进原有的控制性能，也可以单独采集加热炉运行数据并直接控
制加热炉的各控制回路。 一种加热炉优化控制系统，包含加热炉优化控制 系统与石化行业生产装置原有的DCS集散控制系统的整合架构的优选模式， 以及自主开发的加热炉优化控制软件，以上相辅相成的两个部分。即包括 ①工业控制计算机、②彩色显示器、③通讯转换器等硬件，以及④优化控制 软件两大部分组成。采用加热炉优化控制系统和生产装置原有DCS集散控制系统建立双向的数据通讯的方式，使优化控制系统和原有DCS集散控制系统
完全融为一体。优化控制系统从DCS系统取得现场采集数据，根据加热炉工
况变化，适应系统中出现的各种干扰，自动调整控制规律，通过对助燃风阀 位、烟道挡板和风机变频调速等的实时控制，实现加热炉工况的自动优化。 在实现工艺介质出口温度稳定的前提下，以工艺介质的压力、流量、温
度、燃料量、辐射室顶部负压、烟气02含量、CO含量和排烟温度等多种参 数，作为检测和控制对象，设定多项控制策略，动态地优选、记忆最佳路线 和最优参数组合，最终达到加热炉的燃料消耗量降低，以实现节能目标。本 发明的目的通过以下技术方案来实现
其一、加热炉优化控制系统和生产装置原有的DCS集散控制系统能有机 整合的、系统软硬件互交衔接和非常方便于操作的架构模式一一该模式利用 了工业控制计算机和DCS集散控制系统可扩充的通讯功能，并通过增加简单 的软开关切换，就能赋予生产装置对加热炉自动控制功能的上述新特性，具 有高可靠性、安全性，最低的费用投入，而且可以在生产装置不停车的运行 状态下实施改造。
其二、加热炉优化控制软件具有自主知识产权及其先进性一一该软件以 多种控制策略，去适应对象的复杂性和不确定性。它具有自学习能力，更具 有很好的适应性、容错性、鲁棒性、组织功能、实时性和人机协同等功能。 它不是简单地依靠建立常规的数学模型，而且能够根据知识和经验的积累， 进行在线推理和系统辨识，在线整定和优选最佳的控制路线。
进一步地，上述的加热炉优化控制系统硬件与生产装置原有的DCS集散 控制系统整合的架构，是通过串口方式的双向通讯专线连接，并采用了国际 通用工业标准的Modbus通讯身见约。
更进一步地，这种直接通过读写DCS内部保持继电器的双向数据通讯方 式，具有更加高的可靠性、安全性、通用性。其通讯速率和双向交换数据的 实时性，都优于其它基于集散控制系统上位机总线的通讯方式。更进一步地，加热炉优化控制系统与生产装置原有的DCS集散控制系统 整合之后，仅通过在DCS界面新增组态画面中，调用各控制回路的切换开关 一一操作"按钮，，，工业控制计算机运行的加热炉优化控制系统软件，就能接
受来自DCS系统的操作指令，实现加热炉燃烧过程的优化控制。
更进一步地，在生产装置原有DCS集散控制系统中，投入和退出加热炉 优化控制状态的操作过程非常简便，加热炉优化控制系统的投入，完全不影 响原DCS系统的运行，也不需要增加其他输入输出接口。优化控制系统所需 的所有数据，全部通过DCS获得。优化控制系统安装和调试，都可以在线进 行，完全不影响生产装置的正常生产运行。
更进一步地，加热炉优化控制系统软件，在实现工艺介质出口温度稳定 的前提下，以工艺介质压力、流量、温度、燃料量、辐射室顶部负压、烟气 02含量、CO含量和排烟温度多种参数，作为检测和控制对象，设定多项控 制策略，动态地优选、记忆最佳路线和最优参数组合，对加热炉的助燃风阀、 烟道挡板和风机变频调速等回路，实施加热炉燃烧过程的优化控制。优化控 制系统投用后，排烟废气氧含量能控制在较低的水平之下，加热炉的燃料消 耗量能有明显降低，最终实现节能的目标。
更进一步地，加热炉优化控制软件以多种控制策略，适应对象的复杂性 和不确定性。它具有自学习能力，更具有很好的适应性、容错性、鲁棒性、 组织功能、实时性和人机协同等功能。能够根据知识和经验的积累，进行在 线推理和系统辨识，在线整定和优选最佳的控制路线。
更进一步地，加热炉优化控制软件，其控制过程中包含了对现场仪表运 行状态的自动检测，多种控制策略的自动切换，以及对加热炉燃烧工况的自 动寻优。
具体的加热炉优化控制系统和生产装置原有集散控制系统(Distributed Control System, DCS )是既有耳关系又相对独立的两个系统。当系统在原DCS 状态运行时，可以认为加热炉自动控制系统不存在，也丝毫不会影响DCS运行。无论在调试时或投运后，在出现任何异常波动时，通过简单的切换操作， 就可以很方便快速地切换回到DCS控制状态运行，保证非正常工艺状况下生
产的连续进行，确保不会出现任何意外问题。在实施改造时，对原DCS系统
所作相应修改的工作量也是最少的。为此需要建立可靠的双向数据通讯，同
时不影响现有DCS系统的正常运行，这是实现加热炉优化控制技术方案的关键。
按照加热炉优化控制系统要求，包括各主控回路的温度、压力、流量和 阀位信号，控制变量、状态识别信号和报警联络信号等。这些信号可划分为 若干个区段，DCS系统发送给加热炉优化控制系统的相关位号的输入变量和 控制信号，加热炉优化控制系统发送给DCS系统的输出阀位信号、报警信号 和通ifl状态识别 <言号。
建立优化控制系统和DCS系统双向通讯的信号清单——通讯变量表，采 用Modbus通讯方式，在生产装置原有DCS集散控制系统中，提供用于上述 通讯的两个RS-232串行端口，如果通讯距离较长，还需另外选配带光隔离的 RS-232 — RS-485/RS-422转换接口 。
根据生产装置加热炉的工艺流程，设计优化控制系统的各控制回路。 生产装置原有DCS集散控制系统组态修改，实现如下新增功能 Modbus串行通讯功能，实现工控机与DCS之间双向数据交换。 优化控制系统所涉及的各控制回路的投运一一切换开关操作画面。 与工控机通讯状态的监测和报警。当出现DCS系统与优化控制系统工控 机通讯故障时，DCS的操作画面中应有报警提示，同时有系统报警。
加热炉优化控制投运后，DCS操作画面中将能显示来自优化控制系统并 已传送至现场执行机构的输出信号，同时画面中应有控制状态显示。 便于优化控制系统"投运"和"退出"的其它人性化操作功能。 以上工作完成后，加热炉优化控制系统可进入调试阶段。优化控制系统 调试投运工作主要包括位号和变量校核，对涉及的输入输出模拟量信号的位号和量值进行逐个 校核，确保双向通讯的全部数据的量值和位号准确无误。
各控制回路调试加热炉出口温度控制回路的调试，适应各种扰动工况 下，保证原料油出口温度的实际值稳定在设定值的± 2°C范围内。
加热炉助燃风回路的调试，优化控制系统根据氧含量、高压瓦斯流量、 炉膛温度和其他工艺参数以提高加热炉的热效率为目标，对风道蝶阀进行连 续调节控制，进行动态寻优，寻找最佳供风量，监视和分析控制效果，并在 运行中积累优化控制数据库。优化控制系统对供风量的调节，是在原来燃烧 状态的基础上，使燃烧尽可能处于最佳状态。
加热炉炉膛压力相关回路调试，对烟道挡板进行调节控制，适应各种扰 动工况；根据当前实际需要的风量，结合主风道蝶阀的开度，以及其他一些 工艺参数优化后得出一个最佳鼓风机出口压力，通过变频方式调节鼓风机电 机的转速；结合炉顶负压值的变化，以及烟道挡板开度，通过变频方式对引 风机转速进行调节控制，将各加热炉的对流室出口负压，控制在最佳状态。 优化控制系统对投运各回路的调节，始终是一个微量的动态优化过程，对被 控对象的工况并不会引起波动，完全不影响生产。
优化控制系统的设计不影响现有DCS的正常工作，并且在不影响正常生 产的条件下进行调试，优化控制系统除了在内部作控制优化运算以外，不作 其他人为操作，没有不同模式的人机交互。优化控制系统在设计时已经考虑 了如下安全因素
Modbus通讯规约是一个完全可靠的工业化标准，优化控制系统接收DCS 的数据可靠，从系统安全性考虑，优化控制系统输出的阀位控制信号，不直 接送达现场的执行机构，而是由DCS系统界面中新增的该回路切换按钮所决 定，调试时优化控制系统出现任何问题，可随时切回到DCS系统，调试时是 可以确保安全的。
当系统在DCS控制下运行时，优化控制设定值始终跟踪过程值；优化控制输出也始终跟踪DCS实际输出。当系统从DCS切换到优化控制时，由于设
定值和输出都是跟踪切换前的实际值，显然是无扰动的。同样系统在优化控
制下运行后，如果再切回到DCS时，DCS已经处于手动状态，DCS设定值也 始终跟踪现场阀位。系统无论如何切换，都是无扰动。
系统控制软件中包含了优化分析和逻辑判断的有关功能。对优化控制输 出值，采取"软限位"和"硬限位"两种方法，以确保控制输出值的可靠性 和稳定性。优化控制系统硬件安装，也和DCS才乘作台整合，当系统切到优化 控制运行时，DCS和优化控制系统软件都有通讯状态的监测， 一旦出现任何 通讯异常，都有报警提示，安全性能得到多方面的保障。
综上所述，本实用新型设计独特、结构新颖，集优化控制系统和生产装 置原有的DCS集散控制系统为一体。具有很高的可靠性、安全性、先进性， 独具一格的、便于操作的软硬件连接方式，相对较低的费用成本，易于推广 改造，在安装和调试期间完全不影响装置的正常生产等诸多优点，同时也在 实践中取得了较为明显的节能效果，应用前景看好。本实用新型实施例中的 "接收" 一词可以理解为主动从其他模块获取也可以是接收其他模块发送来 的信息。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的 模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。
本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述 分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的 一个或 多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成 多个子模块。
上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。 以上所述仅是本实用新型的具体实施方式
，应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干 改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1、加热炉优化控制系统，该系统包括集散控制系统，其特征在于，该系统还包括工业控制计算机、彩色显示器和通讯转换器，所述集散控制系统的输出端通过所述通讯转换器与所述工业控制计算机的输入端相连，所述工业控制计算机的输出端通过所述通讯转换器与所述集散控制系统的输入端相连，所述彩色显示器的输入端与所述工业控制计算机的显示输出端相连。
2、 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括切换开关， 所述切换开关串联在所述集散控制系统的输入端与所述通讯转换器之间。
3、 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述切换开关是软开关。
4、 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述切换开关是所述集散 控制系统界面的操作按钮。
5、 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通讯转换器是串口方 式的双向通ifl专线。
专利摘要本实用新型公开了加热炉优化控制系统，该系统包括工业控制计算机，工业控制计算机包括数据模块、干扰分析模块和控制模块，数据模块的输入端用于与加热炉的生产操作数据的输出端相连，干扰分析模块的输入端用于与数据模块的输出端相连，控制模块的输入端分别与数据模块的输出端和干扰分析模块的输出端相连，控制模块的输出端分别用于与加热炉的燃料阀位、助燃风阀位、烟道挡板和风机的控制端相连。获得工业炉生产操作数据后，根据工业炉工况变化，适应系统中出现的各种干扰，自动调整控制规律，实现对加热炉的燃料阀位、助燃风阀位、烟道挡板和风机变频调速的实时控制。优化软件设计的目的在于降低加热炉能耗。
文档编号G05B19/04GK201319128SQ20082003775
公开日2009年9月30日 申请日期2008年7月2日 优先权日2008年7月2日
发明者孙振华, 俊 马 申请人:南京金炼科技有限公司