汽輪機發電機組分布式智能控制系統

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摘要:以汽輪機發電機組為研究對象，基于ICMMS系統架構，將分布式計算思想和現場總線技術相融合，綜合運用人工智能、計算機技術、智能控制、專家診斷系統、自適應控制等技術，構成分布式智能控制系統．并以河南駐馬店某秸稈發電項目為例，與傳統的汽輪機發電機組控制技術進行從智能、環保、節能、穩定性等進行比較．結果表明:該系統提升了汽輪機發電機組的蒸汽流通和余熱余壓回收能力，提高了穩定性及發電效率，滿足節能環保要求，有利于企業實現循環式的經濟發展．

關鍵詞:ICMMS;分布式智能控制系統;汽輪機發電機組;余熱余壓

國家工信部對外公布的《工業節能“十二五”規劃》明確指出，“十二五”期間，各級政府將在鋼鐵、玻璃、有色金屬、化工、建材等余熱余壓資源豐富行業，全面推廣余熱余壓回收利用技術，推進低品質熱源的回收利用，形成能源的梯級綜合利用，節能減排已成為發展趨勢，余熱余壓和生物能的充分利用至關重要．汽輪機的控制系統相對于傳統的火力發電，存在氣壓和熱量不穩定，隨生產過程波動比較大，因此對其提出了更高的要求．分布式智能控制系統是21世紀的新型控制系統．隨著自動化技術的發展，工業企業控制系統從20世紀80年代的集散式控制系統DCS(distributedcontrolsystem)、90年代的現場總線控制系統FCS(fieldbuscontrolsys-tem)，發展到智能控制—維護—管理集成系統ICMMS(intelligentcontrolmaintenanceandtechnicalmanagementsystem)［1］．ICMMS主要針對工業中的控制、維護、管理3個技術領域，運用FCS現場總線技術將現場智能執行設備與智能傳感器連接起來，同時綜合運用自動化技術、信息技術及管理技術，將控制、維護、管理3個領域集成一個系統，形成有機整體，從而優化了汽輪機發電機組系統．因此，ICMMS是比較先進、有效、節能環保的控制方式．目前分布式智能控制系統，主要分為控制、維護、管理三個方面，但這三個方面發展不平衡，控制方面發展相對成熟，維護和管理方面發展相對薄弱．這就導致控制、維護、管理3個方面基本互為獨立，形成自動化信息孤島，沒有有效“互聯互通”，缺乏信息交換［2］．同時系統的智能性、開放性不強，因而系統不靈活，使用周期不長，不同廠家的系統缺乏兼容性和維護性，使用戶難以更新系統，造成巨大浪費．當前汽輪機發電機機組普遍采用的這種系統，各個子系統都是相對獨立控制，只能進行過程控制，對整個系統不具備智能故障診斷、智能管理維護、智能控制等功能，尤其是不能滿足余熱余壓或生物質發電這種波動性很大的應用工況．本文研究以汽輪機發電機組為研究對象，在現場智能執行器和智能傳感器基礎上，提出基于ICMMS系統架構的分布式智能控制方法，將分布式計算的思想和現場總線技術相融合，綜合運用計算機技術、智能控制、專家診斷系統、自適應控制等技術，構成分布式智能控制系統．同時兼顧維護和管理，對整個機組的技術性能、效率、經濟指標等方面統一處理．以河南駐馬店某秸稈發電項目與傳統的汽輪機發電機組控制技術從智能、環保、節能、穩定性等進行比較．

1分布式智能控制系統設計

本文研究對象即汽輪機的發電機類型為無刷同步發電機，其電氣系統主要包含高低壓配電系統、保護系統、勵磁系統、同期并網系統、調速系統、TSI測量監控系統等．

1．1系統總架構該系統主要由智能化自動診斷系統、智能化數據采集分析系統、智能控制系統、智能化管理系統4部分組成．智能化數據采集分析系統，負責機組系統溫度、壓力、流量、振動、電流、電壓等數據信號的采集，同時分析數據，保證其反饋的數據真實、實時、連續、誤差可控制性，所有數據都采用數字信號．智能化自動診斷系統向數據采集分析系統傳遞數據，進行診斷分析，對出現的故障，給出解決方案．智能化控制系統負責對機組每個子系統進行控制，反饋實時運行狀態．智能化管理系統主要任務是進行運營管理，對各種數據分析匯總，計算出機組運行最佳經濟運行方案，自動下達到控制系統，同時自動生成各種數據報表，通過網絡與企業ERP系統連接，實時反饋到企業管理人員［3］．系統總架構如圖1所示，其硬件系統架構如圖2．

1．2智能化數據采集分析系統智能化數據采集分析系統是物理量與數字量轉換的重要通道，能夠實現實時數據采集與預處理功能，并與上位機管理系統通信，滿足控制系統的實時數據處理與智能控制要求，保證測量數據的真實、實時、連續、誤差可控［4］．其組成包括大量精密傳感器、信號調理預處理模塊、數據分析與通信系統(如圖3所示)．對于工業流程控制等分布式控制對象，需要有多至數百個傳感器，信息量巨大，如涉及到蒸汽壓力、流量的檢測，汽輪機轉速、溫度，推力軸瓦、發電機軸承溫度、振動等多種類型重要參數．需要針對汽輪機發電機組各重要功能系統配備專用的數據采集模塊，對大量傳感器信號進行采集與預處理．并且工業現場環境惡劣，電磁沖擊、物理化學變化量大，因此還需要數據采集系統對各種傳感器數據進行預處理，剔除掉外界干擾變量，提高控制系統的準確性．系統要采集的電氣設備包括高壓進線柜、汽輪機、發電機、變頻器、勵磁系統柜、綜保柜、自動同期柜，采集數據通過通信網絡上傳至數據服務器，可以直接顯示或按要求進行分析計算后顯示，如總系統功率、負荷浮動范圍、功率因數上下限等．

1．3智能控制系統智能控制系統是多種控制策略的集合，通過智能計算、反饋、再調節實現發電系統穩定運行．是具有控制問題求解機理的綜合管理系統，集合模糊自適應調節算法、功率復合控制方法、自動化遠程遙控等先進控制手段，實現智能控制系統的自發性、自治性和快速反應，具有敏捷、靈活與實時的優點［5］．智能控制系統主要構架如圖4．首先，系統不間斷監控汽輪機發電機組運行狀態，當出現如蒸汽壓力升高、軸承溫度升高和潤滑油壓力不足等不利變化，可以根據智能數據采集、智能化自動診斷系統反饋的信息感知被控對象的變化，自發地啟動調節功能．并且在沒有人工發起和結束調控的情況下，智能控制系統擁有對自己行為和內部狀態的控制權，自動地調節異常參數回歸到正常范圍．系統同時根據測量系統反饋的信號實時改變控制動作，提升調節系統的反應速度和精準度．

1．4智能化管理系統智能化管理系統主要是管理用戶和設備信息，對能耗設備基礎數據行進統計，實現車間、能源參數、設備等統計對象在任意時間段內(如年、季、月、日)的能耗統計，并進行圖表輸出．系統需要搭建一個龐大的數據庫，建立站點、設備、計量數據等數據表，并創建表與表之間的關系，然后按照內置邏輯設定分類標準進行設備、計量數據的查詢、增刪改等操作，進行能耗統計［6］．所有操作通過觸發控件事件，在事件里按不同條件情況寫好查詢語句和操作步驟，然后在數據庫執行查詢計算、增刪改等操作，并在界面上顯示．該系統主要實現系統基本設置、系統設備管理、計量設備管理、能耗臺帳、報表圖表生成等功能．智能化管理系統整體結構如圖5所示．

1．5智能化自動診斷系統智能化自動診斷系統根據內置數據庫，記錄系統的運行參數和歷史故障，對新的可能故障進行預判，提前作出反應，同時尋找故障源給予報警指示，協助修復系統．是分布式智能控制系統的智慧核心［7］．智能化自動診斷系統的架構如圖6，主要包括6個部分:數據接口、專家知識模塊、專家分析模塊、解釋處理、歷史數據、對外接口．系統通過數據接口模塊接受來自數據采集及分析系統的數據，精準、實時向其它智能模塊傳遞數據;并根據專家知識模塊儲存的設備結構、性能參數，相關行業、國家技術標準規范，對系統曾經出現的歷史故障或者可能出現的故障作分析記錄，分析每個故障出現的原因、頻率，可能性大小的經驗判據及是否發生的充分或必要條件等與設備相關的知識．最后將所有參數及故障記錄存入歷史數據模塊．診斷系統中，專家分析模塊在歷史數據模塊、專家知識模塊的基礎上，綜合運用模糊性控制、神經網絡、功率復合控制等控制算法，盡可能尋找系統產生的故障源，對故障源產生的原因及未來設備狀態進行預測，提出專家解決方案．專家解決方案通過解釋處理模塊，解釋為可執行的數據和參數值．通過對外數據模塊將可執行的數據與參數值，傳遞到智能管理系統及智能控制系統執行動作．

2系統運行效果

運用現場智能傳感器及智能監測儀表，將汽輪機、發電機的各種參數，通過現場總線技術將數據集中上傳到共享信息化平臺，運用智能診斷、管理、控制、數據采集等專業分析子系統，將數據共享、分析，形成一個有機整體，提高了機組的運行效率、發電效率，達到節能降耗、降本增效的目的．該系統應用在河南駐馬店某秸稈發電項目，項目汽輪機主要技術參數如表1．本項目中汽輪機發電機組主要技術運行指標(見表2)中，部分指標達到或超過生物質發電技術標準［8］要求．

3結語

本文基于ICMMS思想的分布式智能控制汽輪機發電機機組系統技術，將機組內各個相對獨立的系統，集中又分散，相互協作，共同完成一個或者多個控制任務的技術．通過項目的現場實際應用驗證，達到了行業的技術標準要求．

參考文獻:

［1］周川，劉穎．基于TPM和RCM協同關系的CMMS系統的研究與應用［J］．世界科技研究與發展，2008(6):735－738．

［2］楊勝儀，李業全．機組狀態監測與診斷系統在池潭水電廠的應用［J］．電工技術，2009(1):39－40．

［3］蔣宏圖，袁越，楊昕霖．智能變電站一體化信息平臺的設計［J］．電力自動化設備，2011(8):131－134．

［4］劉亮平．基于以太網技術的網絡智能傳感器研究［J］．信息安全與技術，2011(8):25－27．

［5］韓金麗．以太網技術在工廠自動化控制系統中的應用［J］．科技促進發展，2011(S1):128－129．

［6］胡耀軍，劉金云．模糊控制在工業以太網中的實現［J］．儀器儀表標準化與計量，2011(3):37－38，45．

［7］李大中，韓璞，張瑞祥．生物質氣化發電過程建模與優化［J］．節能技術，2006(5):409－414．

［8］孫立，張曉東．生物質發電產業化技術［M］．北京:化學工業出版社，2011．

作者：周洪生，王樊，郭軍建，劉經邦，袁鳴浩 單位：襄陽中車電機技術有限公司