一种火电机组的先进过程控制优化系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种火电机组的先进过程控制优化系统，包括DCS和OPC服务器，其特征在于，还包括采用预测控制技术的先进控制系统，所述先进控制系统通过所述OPC服务器与所述DCS通信，所述先进控制系统包括：建模引擎、优化引擎、数据库和OPC通讯服务。本发明通过预测控制、自适应控制、协调控制、解耦控制、模型辨识等多种技术，对机组运行过程控制参数进行全工况自适应实时校正，还能实时监视控制回路的工作状态，并自动生成统计数据和运行分析报告，从而提高自动控制系统的调节品质，同时采用独立的硬件平台，调试效率、安全性、可靠性和升级能力明显提升。
【专利说明】一种火电机组的先进过程控制优化系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电厂控制【技术领域】，特别是指一种火电机组的先进过程控制优化系统。
【背景技术】
[0002]目前，火电机组的常规协调控制普遍采用负荷指令前馈+比例积分微分(Proport1n Integrat1n Differentiat1n，PID)反馈的调节方法，随着机组工况的变化，机组被控对象的动态特性变得相对较差，过程的滞后和惯性也随之变大，系统的非线性和时变性的特征越来越显著，导致机组存在负荷响应速率低、关键参数波动幅度大、主蒸汽温度超温时间过长、大滞后及优化工作调试周期长的问题。由此可见，常规的负荷指令前馈+PID反馈的调节方法，已很难协调好控制系统快速性和稳定性之间的矛盾。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种火电机组的先进过程控制优化系统，以解决现有技术所存在负荷响应速率低、关键参数波动幅度大、主蒸汽温度超温时间过长、大滞后及优化工作调试周期长的问题。
[0004]为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种火电机组的先进过程控制优化系统，包括DCS和0PC服务器，还包括采用预测控制技术的先进控制系统，所述先进控制系统通过所述0PC服务器与所述DCS通信，所述先进控制系统包括建模引擎、优化引擎、数据库和0PC通讯服务；
[0005]所述0PC通讯服务用于和所述0PC服务器通信，建立该0PC服务器与所述建模引擎的数据交流；
[0006]所述建模引擎将获取到的实时数据提供给所述优化引擎处理，处理后的结果返回给该建模引擎，所述建模引擎通过自适应在线优化校正机组的控制参数，同时还实时监测机组运行过程中相关控制回路的工作状态，并自动生成统计数据和运行分析报告；
[0007]所述数据库用于存储所述建模引擎提供的实时数据、工作状态、分析报告和统计数据。
[0008]其中，所述建模引擎采用顾问模式或自动模式完成相关PID控制回路的自适应在线优化过程。
[0009]其中，所述优化引擎提供100余种函数模块，包括串级PID、多变量PID、分程控制、内模控制、协调控制、多变量解耦控制，同时还提供自整定、自动-手动无扰切换和自动跟踪控制功能。
[0010]其中，所述优化引擎包括串级PID、多变量PID、分程控制、内模控制、协调控制、多变量解耦控制。
[0011]其中，所述先进控制系统是开放式控制系统，软件组态采用面向对象技术的函数模块编程。
[0012]其中，所述先进控制系统以外挂式的形式并行于DCS，先进控制系统与DCS采用独立的硬件平台。
[0013]其中，所述先进控制系统和DCS之间采用俩种握手协议:通用的通讯握手协议和控制回路的通讯握手协议。
[0014]其中，所述DCS设有用于投切的操作面板。
[0015]其中，所述先进控制系统和DCS之间设有指令跟踪逻辑。
[0016]其中，所述先进控制系统运行在专用服务器上，该专用服务器配置有网卡，通过网络适配器与OPC服务器进行通讯。
[0017]其中，所述网络适配器为交换机，集线器、路由中的一种。
[0018]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0019]上述方案中，通过预测控制、自适应控制、协调控制、解耦控制、模型辨识等多种技术，对机组运行过程控制参数进行全工况自适应实时校正，提高负荷响应速率，减小参数波动幅度和主蒸汽超温时间，并有效改善再热汽温大滞后、大延迟的现象，还能实时监视控制回路的工作状态，并自动生成统计数据和运行分析报告，从而提高自动控制系统的调节品质，同时采用独立的硬件平台，调试效率、安全性、可靠性和升级能力明显提升。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明实施例提供的火电机组的先进过程控制优化系统的结构示意图；
[0021]图2为本发明实施例提供的除氧器水位定值扰动试验曲线图；
[0022]图3为本发明实施例提供的A侧主蒸汽温度定值扰动试验曲线图；
[0023]图4为本发明实施例提供的B侧主蒸汽温度定值图扰动试验曲线图；
[0024]图5为本发明实施例提供的建模引擎投用前四台机组主蒸汽温度超温数据；
[0025]图6为本发明实施例提供的建模引擎投用后四台机组主蒸汽温度超温数据；
[0026]图7为本发明实施例提供的优化引擎投用前再热汽温设定值扰动试验曲线图；
[0027]图8为本发明实施例提供的优化引擎投用后再热汽温设定值扰动试验曲线图；
[0028]图9为本发明实施例提供的优化引擎投用前四台机组再热减温喷水流量数据；
[0029]图10为本发明实施例提供的MANTR优化引擎投用后四台机组再热减温喷水流量数据。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0031]本发明针对现有的负荷响应速率低、关键参数波动幅度大、主蒸汽温度超温时间过长、大滞后及优化工作调试周期长的问题，提供一种火电机组的先进过程控制优化系统。
[0032]如图1所示为本发明实施例提供的火电机组的先进过程控制优化系统的结构示意图，该系统包括离散控制系统(Distributed Control System, DCS) 1和用于过程控制的对象连接与嵌入(Object Linking and Embedding for Process Control, OPC)服务器 2，还包括采用预测控制技术的先进控制系统，先进控制系统3通过0PC服务器2与DCS1通信，先进控制系统3包括建模引擎33、优化引擎34、数据库32和0PC通讯服务31 ;
[0033]OPC通讯服务31用于和OPC服务器2通信，建立该0PC服务器2与所述建模引擎33的数据交流；
[0034]建模引擎33将获取到的实时数据提供给优化引擎34处理，处理后的结果返回给该建模引擎33，建模引擎33通过自适应在线优化校正机组的控制参数，同时还实时监测机组运行过程中相关控制回路的工作状态，并自动生成统计数据和运行分析报告；
[0035]数据库32用于存储建模引擎33提供的实时数据、工作状态、分析报告和统计数据。
[0036]其中，先进控制系统3运行在专用服务器上，该专用服务器配置有网卡，通过相关的网络适配器与0PC服务器2进行通讯，该专用服务器的操作系统为Windows XP，同时需要预安装MicroSoft公司的Internet Explorer (Vers1n 6.0或更高版本)，其中，网络适配器为交换机(Swith)，集线器(Hub)、路由(Router)中的一种。
[0037]进一步的，先进控制系统3是开放式控制系统，软件组态采用面向对象(Object-Oriented)技术的函数模块编程，只需点击和拖动即可完成的组态方式可在线修改组态程序，后台自动生成报告文件，同时自带多个用于解决常规PID难以完成的控制模块，该先进控制系统3适用于各种品牌的可编程逻辑控制器(Progra_able LogicController, PLC)、DCS1。
[0038]进一步的，先进控制系统3是以外挂式的形式并行于DCS1，且先进控制系统3与DCS1采用独立的硬件平台，两者既可独立使用，又可配套使用，选择灵活。DCS1原有控制逻辑无需改变、完全保留，仅增加少量切换逻辑，通过该切换逻辑运行人员可以方便的在DCS1和先进控制系统3间进行切换，增加了先进过程控制优化系统的灵活性；二是在非正常情况下，如先进控制系统3发生故障时，可自动切至DCS1，保证了先进过程控制优化系统的安全性和可靠性。且对增加的切换逻辑进行调试、修改均不影响机组的正常运行，从而大大提高了机组的调试效率、安全性和升级能力。
[0039]为了保证先进过程控制优化系统的安全性和可靠性，通过多种技术来保证通讯数据的正常以及先进控制系统3与DCS1的协调运作正常，这包括两种通讯握手协议存在于DCS1和先进控制系统3之间:
[0040]一是通用的通讯握手协议，验证DCS1和先进控制系统3之间的通讯；
[0041]二是控制回路的通讯握手协议，验证DCS1和先进控制系统3之间某一特定控制回路的通讯。
[0042]进一步的，DCS1侧设有监视先进过程控制优化系统运行的人机界面(HumanMachine Interface，HMI)画面和先进控制策略投切的操作面板。在DCS1的HMI上增加每一控制回路的先进控制请求及先进控制退出按钮，当先进控制系统3与DCS1控制回路的通讯正常且DCS1侧控制回路无异常时，方可按下先进控制请求按钮，此时先进控制请求按钮闪烁。
[0043]为了保证先进控制系统3与DCS1之间的无扰切换，要做好指令的跟踪逻辑，其基本原则是:当先进控制系统3和DCS1通信正常，切手动控制时，离散控制指令和先进控制指令均跟踪手动指令；切自动控制且为离散控制方式时，先进控制指令跟踪离散控制指令；切自动控制且为先进控制方式时，离散控制指令跟踪先进控制指令。这样，在控制系统之间的切换就可以平稳进行，不会产生指令的突变。
[0044]其中，建模引擎33采用预测性学习算法来实时校正机组运行的控制参数，从而使得整个先进过程控制优化系统始终处于在线自适应状态，控制性能不断向最优目标逼近。具体的，建模引擎33通过收集控制回路的实时运行动态特性数据，根据控制回路的特征量通过内模控制(Internal Model Control, IMC)算法得出适合当前工况的PID参数值(首先会预先设定PID参数区间，以免计算出的PID参数值过大或过小)，并将该PID参数值下装至相应的PID控制回路中，可以通过两种模式完成PID控制回路的自适应优化过程:顾问模式，即被推荐的PID参数值在弹出式窗口闪烁，让操作者确认和下载；自动模式，即被推荐的PID参数值将自动下载到控制器，同时在事件记录器中将改变的信息记录下来。
[0045]如图2所示为除氧器水位定值扰动试验曲线图(41为水位设定mm，42为实际水位mm，43为指令输出％ )，除氧器水位采用三冲量控制方式，控制对象为凝升泵转速，通过水位定值扰动来测试控制回路的工作特性。试验时，机组负荷300MW，除氧器水位设定值从2630mm改变至2700mm，然后再回到2630mm，开始时除氧器水位存在振荡现象，通过内模控制算法算出适合当前工况的PID参数值，并将该PID参数值下装至除氧器水位的PID控制回路中，减弱比例和积分作用，从而减小水位参数波动幅度，提升控制品质。
[0046]如图3所示为A侧主蒸汽温度定值扰动试验曲线图(51为主蒸汽温度设定值。C，52为A侧主蒸汽温度当前值。C，53为A侧二级减温指令％ )，如图4所示为B侧主蒸汽温度定值扰动试验曲线图(61为主蒸汽温度设定值。C，62为B侧主蒸汽温度当前值。C，63为B侧二级减温指令％ )，主蒸汽温度采用导前温度的串级控制方式，控制对象分别为A侧和B侧的二级减温喷水调门，通过主蒸汽温度定值扰动来测试回路工作特性。
[0047]试验时，机组负荷235丽，主蒸汽温度设定值从542°C改变至538°C，然后再回到542°C，主蒸汽温度超温数据分析分别采集了系统投用前和投用后四台机组的主蒸汽温度超温数据，图5为建模引擎投用前四台机组主蒸汽温度超温数据、图6为建模引擎投用后四台机组主蒸汽温度超温数据。
[0048]分析图5和图6可知，未投用建模引擎33时，#4机组的超温时间略好于其它三台机组，而在投用建模引擎33后，#4机组的超温时间则大幅减少。纵向相比，投用后主蒸汽温度超过547°C的时间只有投用前的10.6%左右；横向相比，投用后#4机组主蒸汽温度超过547°C的时间要比其它三台机组的平均时间少约84.9%，而投用前只少约26.0%，可见由于投用建模引擎33后，系统对工况的变化具有相应的模型辨识手段，从而投入了合适的自适应优化策略，对主蒸汽温度的控制回路进行在线自适应优化后，在扰动过程中两侧主蒸汽温度均能较快跟随设定值变化，控制品质较好汽温控制品质得到较大提升，超温现象得到大幅改善，效果比较明显，对于延长锅炉管材寿命，减少爆管极为有利。
[0049]当控制回路为初次使用时，采用自动整定方法来获得初始的PID参数。具体的，通过对某个控制回路进行开环扰动试验，建模引擎33收集数据后通过自动整定方法算出回路的特征信息，从而得到该控制回路一个鲁棒性优良的PID参数，作为该控制回路初始的PID参数。
[0050]建模引擎33还实时监测机组运行过程中相关控制回路的工作状态，并自动生成统计数据和运行分析报告，可以给出超过75个重要的过程控制绩效评估指标，并反应在一个或多个报告中。当用户查阅报告时，就可以看到所有回路的工作情况，了解机组运行过程中存在的问题。分析报告可以按需产生，或由事件触发，或由事件触发，或定期自动生成，报告可被直接打印或者以电子文档的形式保存，也可以通过网页的方式在厂区局域网上浏
ΙΙΛ-见。
[0051]其中，优化引擎34为先进控制系统3能提供100余种函数模块，包含了许多复杂的先进控制算法，如多变量PID、分程控制、协调控制(Coordinat1n and control，CC)、多变量解親控制(Modular Multivariable Control, MMC)等，并且提供了实用的自整定、自动-手动无扰切换和自动跟踪等控制功能。该先进控制算法构成相应的控制模块，这些控制模块使用两个或更多的控制变量，有效地控制一个或多个过程并使之达到相应的设定值，这些控制模块还带有各自独立的ActiveX技术的用户图形接口(Faceplates)，用户可以运用它们快速地配置出画面来，用于开发和调试控制方案。同时这些先进控制算法还考虑到了过程之间的相互干扰，用户可以自己定义最优化的控制方案并结合控制输出来抑制干扰。
[0052]本实施例通过协调控制与内模控制相结合的控制策略，对超(超)临界机组的再热汽温被控对象进行调节、控制，其中协调控制用来调节三个控制器的输出完成对某一个过程变量的控制、自动协调各控制器之间的强弱关系，能够抑制过程干扰，解决减温水与燃烧器摆角之间的耦合问题；内模控制具有依据调节回路数学模型建立预测控制的特点，解决再热汽温大延迟、大滞后、控制难度较大的问题。具体的步骤为，将A/B两侧再热汽温设定值与实际值偏差及机组负荷前馈信号送入协调控制模块，经过燃烧器摆角一再热汽温模型运算和减温喷水一再热汽温模型运算后输出三路指令，一路形成燃烧器摆角指令、另两路分别形成A/B侧减温水阀门控制指令。通过设定协调控制内部优先级参数，燃烧器摆角为优先调节，减温水调节为辅助调节，且减温喷水调门开度的目标值为零。
[0053]为了测试燃烧器摆角和再热喷水协调控制的实际效果，本实施例分别在优化引擎34退出和投入时进行了再热汽温设定值扰动试验，试验时，机组负荷300MW，图7为优化引擎投用前再热汽温设定值扰动试验曲线图(71为再热汽温设定值。C，72为A侧再热汽温当前值°C，73为B侧再热汽温当前值°C，74为喷水A输出％，75为喷水B输出％，76为燃烧器摆角％ )、图8为优化引擎投用后再热汽温设定值扰动试验曲线图(81为再热汽温设定值。C，82为A侧再热汽温当前值。C，83为B侧再热汽温当前值。C，84为喷水A输出％，85为喷水B输出％，86为燃烧器摆角%)。图7中燃烧器摆角为手动方式并保持不动，图8中，燃烧器摆角为协调控制方式且共同参与再热汽温调节，再热蒸汽温度能较好的跟随设定值变化，本实施例通过协调控制与内模控制相结合的控制策略，克服了超(超)临界机组的再热汽温被控对象的大延迟、大滞后，控制难度较大特性，
[0054]图9为优化引擎投用前四台机组再热减温喷水流量数据和图10为优化引擎投用后四台机组再热减温喷水流量数据，从图9和图10中可知，投用优化引擎34后，#4机组的再热减温喷水流量约减少了 21%，减少了运行人员对燃烧器摆角的操作强度，同时降低了再热减温喷水量，提高机组运行经济性。
[0055]上述方案中，本发明实施例通过预测控制、自适应控制、协调控制、解耦控制、模型辨识等多种技术，对机组运行过程控制参数进行全工况自适应实时校正，提高负荷响应速率，减小参数波动幅度和主蒸汽超温时间，并有效改善再热汽温大滞后、大延迟的现象，还能实时监视控制回路的工作状态，并自动生成统计数据和运行分析报告，从而提高自动控制系统的调节品质，同时采用独立的硬件平台，调试效率、安全性、可靠性和升级能力明显提升。
[0056]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种火电机组的先进过程控制优化系统，包括DCS和OPC服务器，其特征在于，还包括采用预测控制技术的先进控制系统，所述先进控制系统通过所述OPC服务器与所述DCS通信，所述先进控制系统包括建模引擎、优化引擎、数据库和OPC通讯服务； 所述OPC通讯服务用于和所述OPC服务器通信，建立该OPC服务器与所述建模引擎的数据交流； 所述建模引擎将获取到的实时数据提供给所述优化引擎处理，处理后的结果返回给该建模引擎，所述建模引擎通过自适应在线优化校正机组的控制参数，同时还实时监测机组运行过程中相关控制回路的工作状态，并自动生成统计数据和运行分析报告； 所述数据库用于存储所述建模引擎提供的实时数据、工作状态、分析报告和统计数据。
2.根据权利要求1所述的火电机组的先进过程控制优化系统，其特征在于，所述建模引擎采用顾问模式或自动模式完成相关PID控制回路的自适应在线优化过程。
3.根据权利要求1所述的火电机组的先进过程控制优化系统，其特征在于，所述优化引擎提供100余种函数模块，包括串级PID、多变量PID、分程控制、内模控制、协调控制、多变量解耦控制，同时还提供自整定、自动-手动无扰切换和自动跟踪控制功能。
4.根据权利要求1所述的火电机组的先进过程控制优化系统，其特征在于，所述先进控制系统是开放式控制系统，软件组态采用面向对象技术的函数模块编程。
5.根据权利要求1所述的火电机组的先进过程控制优化系统，其特征在于，所述先进控制系统以外挂式的形式并行于DCS，先进控制系统与DCS采用独立的硬件平台。
6.根据权利要求1所述的火电机组的先进过程控制优化系统，其特征在于，所述先进控制系统和DCS之间采用俩种握手协议:通用的通讯握手协议和控制回路的通讯握手协议。
7.根据权利要求1所述的火电机组的先进过程控制优化系统，其特征在于，所述DCS设有用于投切的操作面板。
8.根据权利要求1所述的火电机组的先进过程控制优化系统，其特征在于，所述先进控制系统和DCS之间设有指令跟踪逻辑。
9.根据权利要求1所述的火电机组的先进过程控制优化系统，其特征在于，所述先进控制系统运行在专用服务器上，该专用服务器配置有网卡，通过网络适配器与OPC服务器进行通讯。
10.根据权利要求9所述的火电机组的先进过程控制优化系统，其特征在于，所述网络适配器为交换机、集线器、路由中的一种。
【文档编号】G05B19/418GK104483930SQ201410673904
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】蒋维, 李全, 高阳, 刘冰, 徐柳, 蒋明达 申请人:大唐淮南洛河发电厂, 控软自动化技术（北京）有限公司