基于双向安全隔离的城市固废焚烧过程半物理仿真平台

本发明属于城市固体废物焚烧技术领域，尤其涉及一种基于双向安全隔离的城市固废焚烧过程半物理仿真平台，本研究得到国家自然科学基金(62073006)资助。

背景技术：

城市固体废物焚烧(municipalsolidwasteincineration，mswi)是实现固废减量化、资源化、无害化而广泛采用的处理技术。我国现有的成套引进的国外工艺与先进自动燃烧系统(acc)，然而，因我国固废的特殊性，经常出现″水土不服″的问题，以至于领域专家依据经验以手动方式运行成为普遍现象。同时，某些系统甚至无法达到设计国和我国的运行标准，导致工况变化频繁和设备损坏率偏高，且难以支撑全年稳定运行的预期目标。mswi尾气排放的污染物浓度波动大，无法保证长期有效的稳定状态，其中被称为″世纪之毒″的二噁英类化合物无法实时在线监测，造成目前mswi发电厂的建设存在严重的″邻避效应″。因此，除对焚烧设备和工艺进行改造外，必须依据我国固废特性，探索更为有效的城市固废焚烧全流程智能建模与运行优化策略。

目前，国内mswi过程所配套的先进acc长期处于″休眠″状态，而且固废储运、焚烧、发电、尾气处理等多工序间的协同性较弱，实际工业现场主要依据专家经验、火焰监控状态并结合人工巡检的反馈进行干预控制。然而，mswi过程的不间断运行使得操作人员必须采取多轮倒班制度进行维持，但不同领域专家操作经验和模式的存在差异性，这也导致其运行控制的不稳定性。同时，mswi发电厂对运行的安全性考虑以及dcs系统的封闭性状态导致过程数据难以实时获取，非企业内部系统是不允许对其进行直接的数据采集和解析。这些现状使得针对mswi的建模、控制与优化等算法研究无法实现在线验证。

技术实现要素：

本发明提出了一种在实验室搭建的基于双向安全隔离的城市固废焚烧过程半物理仿真平台。其中，针对mswi过程控制系统的安全性考虑，首先采用单向隔离方式对过程数据进行正向地实时采集，并且能够对所采集的过程数据进行定制式存储；接着，采用分布式的策略搭建全流程协同优化控制软件系统，基于所采集数据实现建模、控制优化等方法的测试与验证功能；然后，采用单向隔离的运行参数反向传输方式将智能优化控制设定、指令和关键过程参数预测值等信息进行实时回传，以实现mswi过程的有效控制。本发明拟构建的半物理仿真平台的主要功能包括：焚烧对象的模拟、真实焚烧控制系统的再现、基于物理隔离的正向过程数据采集、焚烧火焰的采集与预处理、mswi全流程协同优化控制、基于物理隔离的运行参数反向传输等。其中，半物理仿真平台的数据包括真实工业现场的历史数据和数值仿真软件的虚拟数据两个部分，设备连接方式包括无线、以太网、光纤、双绞线和同轴电缆等。

附图说明

图1城市固废焚烧过程；

图2半物理仿真平台的结构图。

具体实施方式

mswi过程主要包括储运、焚烧、蒸汽发电、烟气处理等主要环节，其中焚烧炉是将固废转换成灰渣、烟气和热能的核心设备。基于sn型往复顺推式炉排炉的mswi工艺流程如图1所示。

固废通过车辆运输卸入负压状态的固废储蓄池，经过生物发酵、脱水，由抓斗投放进焚烧炉，经进料器将垃圾推送到燃烧炉排上，先后经过干燥、燃烧和燃烬三个主要阶段。固废在一次风机输送的预热空气中由干燥到着火燃烧，其中的可燃成分随之完全燃烧，产生的灰渣从炉排末端落至输渣机上进入到渣坑。燃烧过程产生的烟气控制在850℃以上，以保证有害气体的分解。再通过二次风机输送的空气产生高度湍流并停留超过2s，使有害气体进一步分解。随后进入余热锅炉，通过吸热产生的高温蒸汽推动汽轮发电机组进行发电。预热锅炉吸热后的烟气与被喷入反应器的石灰和活性炭产生中和反应，以吸附其中的酸性气体、二噁英(dxn)和重金属，紧接着袋式除尘器中被除去烟气颗粒物、中和反应物和活性炭吸附物，部分烟灰混合物在物料循环中加水后重新进入反应器进行重复处理。其中反应器和袋式除尘器产生的飞灰直接进入到飞灰罐进行收集和进一步处理。最终的尾气通过引风机经烟囱排放到大气中，尾气中包含烟尘、co、nox、so2、hcl、hf、h2o和dxn等物质。

本申请所构建的半物理仿真平台分为内网侧、正向与反向隔离、外网侧共三个区域，其中：内网侧区域由历史数据驱动的焚烧对象、mswi过程虚拟焚烧对象、mswi过程控制子系统组成；正向与反向隔离区域由基于单向物理隔离的正向数据采集和基于单向物理隔离的运行参数反向传输子系统组成；外网侧区域由焚烧火焰采集与预处理、mswi全流程协同优化控制软件子系统组成。结构如图2所示。

具体功能包括：

①内网侧区域：该区域实现对mswi过程现场控制系统及焚烧装备的模拟，其中：mswi过程控制子系统实现焚烧过程的逻辑与回路控制、操作与监控；mswi过程虚拟焚烧对象子系统实现焚烧过程中主要焚烧装备、检测仪表和执行机构的建模；历史数据驱动的焚烧对象子系统实现mswi全流程的历史过程数据发布和炉膛内部火焰视频的显示；

②正向与反向隔离区域：该区域实现内网过程数据的正向采集和外网优化运行参数的反向回传，其中：基于单向物理隔离的正向数据采集，保证不影响和干扰控制系统运行的情况下，进行工业现场内网过程数据的采集；基于单向物理隔离的运行参数反向传输，实现将mswi全流程智能控制、优化设定以及工况识别结果等运行参数反向传输至内网侧的mswi过程控制系统中，为反馈控制和结合领域专家知识进行算法验证提供支撑。

③外网侧区域：该区域实现mswi过程的协同优化控制算法的开发，其中：焚烧火焰采集与预处理子系统，实现炉膛内部火焰图像的采集与工况识别；mswi全流程协同优化控制软件子系统实现多功能并行的协同优化控制算法。

内网侧mswi过程平台

mswi过程控制子系统

首先，以实际厂家的plc/dcs设备为基础，构建mswi过程的逻辑回路控制系统，接着，以逻辑回路控制系统定义的相关变量以及实际mswi发电厂对象为参考，开发组态监控系统，对mswi过程进行实时监控与数据展示。具体步骤包括：

(1)基于plc/dcs厂家硬件，在背板上安装cpu、输入、输出和通讯各模块，实现硬件设备的通电启动；

(2)通过交换机将优化机、工程师站和操作员站与plc/dcs控制系统硬件接入局域网络中，搭建mswi过程控制子系统中的设备通讯网络；

(3)在工程师站中启动plc/dcs厂家的控制程序软件，实现软硬件的通讯连接，然后在控制系统中定义mswi过程数据标签；

(4)以梯形图语言编写mswi过程的启停、pid、报警和联锁等控制程序，实现逻辑回路控制功能；

(5)再启动plc/dcs厂家的组态开发软件，根据实际mswi过程的动静态特性开发分布式实时监控系统，实现设备的远程控制、数据动态展示、限位报警和数据存储等功能；

(6)将分布式实时监控系统分配不同权限，再以分别植入优化机和操作员站中，实现功能的有序划分和资源的集中管理。

mswi过程虚拟焚烧对象子系统

为了向mswi过程控制子系统的运行提供有效支撑，mswi发电厂中检测仪表与执行机构等设备均需与过程控制子系统进行有效的数据交换。因此，mswi过程虚拟焚烧对象搭建的具体步骤包括：

(1)根据温度、流量和压力等传感器设备的实际运行数据，实现数据驱动的检测仪表模型构建；

(2)根据风门、风机和液压驱动等执行机构的实际运行数据，实现以数据驱动的执行机构模型构建；

(3)基于数据采集板卡和端子板等设备，将plc/dcs控制系统中的i/o模块与端子板上的o/i端子通过双绞线进行连接通过以太网与mswi过程虚拟焚烧对象计算机相连；

(4)检测仪表模型计算机中的ai/ao与plc/dcs控制系统中ao/ai模块分别对应进行实时数据传输；

(5)执行机构模型计算机中的di/do(或ai/ao)与plc/dcs控制系统中do/di(或ao/ai)模块分别对应进行实时数据传输。

历史数据驱动的焚烧对象子系统

通过搭建的mswi过程控制和虚拟焚烧对象子系统，模拟了mswi过程的焚烧装备。为了体现mswi过程的动态特性，利用实际焚烧发电厂的历史数据进行驱动。同时考虑外网侧数据分析需求，采用网络时间服务器统一历史数据和火焰视频数据，进而避免两种信息之间存在的时间不统一问题。具体包括：

(1)将实际焚烧发电厂的历史数据以文件形式储存在历史数据opc服务器中，然后通过opc协议实现局域网络内部的数据发布；

(2)依据实际焚烧发电厂将焚烧炉火焰监视分为左和右两侧，分别在两台图像模拟计算机中进行实时展示；

(3)通过交换机将历史数据opc服务器、左炉排焚烧图像模拟机、右炉排焚烧图像模拟机和网络时间服务器接入局域网络中；

(4)通过网络时间服务器，将过程数据与图像视频的时间精确地控制在同一时刻，然后实现全流程信息的同时展示。

单向物理隔离部分

基于单向物理隔离的正向数据采集子系统

为了防止了对实际mswi过程的plc/dcs控制系统性能的影响通过实际厂家的opc客户端采集内网端mswi过程中plc/dcs控制系统网络中的过程数据，并通过opc通讯协议向外部发布所采集的实时过程数据，实现数据的单向采集功能。具体步骤包括：

(1)利用plc/dcs厂家的opc服务器协议，在内网数据采集中转机中实现以opc协议的数据发布；

(2)通过交换机将内网数据采集中转机与内网隔离发送机接入同一局域网络中；

(3)采用″通用内网opc客户端″(此处的通用是指能够识别和采集不同类型dcs厂家开发的符合工业标准的opc服务器上的数据)对内网数据采集中转机的数据进行采集，包括选择opc服务器，过程变量分组、命名和采样时间设置；

(4)外网隔离接收机通过单向光纤接收来自内网隔离发送机的过程数据和数据采集配置文件，同时采用符合工业标准的″通用外网opc服务器″以opc服务形式提供数据服务。

基于单向物理隔离的运行参数反向传输子系统

采用单向物理隔离的反向传输的策略，将外网侧mswi全流程智能优化控制的运行参数回传给内网侧的mswi过程控制中，能有效防止内外网侧的相同操作和设定数据之间的干扰因素。具体步骤包括：

(1)通过外网协同优化控制相关数据收集计算机，将工况识别、智能控制和运行优化的相关结果进行采集和存储；

(2)采用以太网远程通讯协议对外网协同优化控制相关数据收集计算机中的数据进行远程采集；

(3)内网隔离反向接收机通过单向光纤接收来自外网隔离方向发送机的智能优化控制的相关数据，同时采用以太网通讯标准向同一局域网络中的计算机提供数据共享服务；

(4)通过交换机将内网协同优化控制相关数据展示计算机与内网隔离反向接收机接入同一局域网络中；

(5)内网协同优化控制相关数据展示计算机通过以太网络通讯协议，采集内网隔离反向接收机中的相关数据，并进行可视化展示，并依据领域专家需要接入厂家plc/dcs系统。

外网侧mswi过程仿真

焚烧火焰采集与预处理子系统

焚烧炉火焰状态作为领域专家判断mswi过程稳定性的重要依据之一，图像数据的实时采集与预处理尤为重要。焚烧火焰采集与预处理的具体步骤包括：

(1)利用完全相同的两套摄像头设备，分别对左右炉排焚烧图像模拟机的火焰信息进行实时在线采集；

(2)通过同轴电缆将摄像头采集信息传输至视频采集卡中；

(3)将视频采集卡安装到计算机中，通过视频解码实现火焰信息的初步展示；

(4)通过计算机中的图像识别软件，对采集到的火焰视频进行去噪、增强等预处理，同时实现火焰视频所表征的初步工况标定。

mswi全流程协同优化控制软件子系统

基于内网端的mswi过程正常运行，以及单向物理隔离的正向采集与反向传输安全保障性的基础上，针对过程数据和焚烧视频数据的实时采集，为研究更为有效的mswi全流程智能建模与运行优化策略提供了良好的仿真运行环境。具体步骤包括：

(1)通过交换机，将外网数据采集存储机、智能建模机、工况识别机、智能控制机和与运行优化机接入局域网络中；

(2)外网数据采集存储机以符合工业标准的opc客户端采集外网隔离接受机中的opc服务器发布的实时过程数据，按照所需的采样速率和配置在″定制式数据采集和存储模块″进行过程数据的采集和存储，为数据分析和建模、控制与优化算法提供数据支撑；

(3)通过以太网络通讯为基础的软件平台，实现内网区域智能建模机、工况识别机、智能控制机、运行优化机、火焰采集与预处理计算机同外网区域数据采集存储机间的实时通讯，开发算法实现mswi过程的在线优化控制；

(4)通过无线网络数据传输协议，实现远程app监控手机端对全流程协同优化控制的关键参数等信息的获取和展示。

本发明提出了一种在实验室搭建的基于双向安全隔离的城市固废焚烧过程半物理仿真平台方法，其主要创新点是：(1)在内网侧区域的mswi实验平台，将焚烧过程切分成基础控制、相关设备和动态对象3个部分，分别对应于mswi过程控制、虚拟焚烧对象和历史数据驱动的焚烧对象三个子系统，因此避免了传统仿真实验的纯理想状态，也有效满足了外网侧的数据分析需求；(2)基于正向与反向隔离区域的单向物理隔离设备，采用正向数据采集避免了直接采集plc/dcs系统控制器中的过程数据而造成对控制指令或性能的影响，采用运行参数反向传输机制则避免了智能控制和优化设定回传运行参数对mswi过程实际控制的干扰，保证了内外网侧的数据与整体运行的高安全性；(3)在外网侧区域的mswi实验平台，在正向采集和反向传输的物理隔离机制下，对建模、工况识别、智能控制机和运行优化等算法的验证与调整提供了双向的安全保障；(4)外网侧的全流程协同优化控制可以脱离实验室直接移植在工业现场中，为在线的建模研究、控制和优化算法的完善提供有效支撑。