智能控制系統(tǒng)在水泥余熱電站的應(yīng)用

  0.引言

  在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一個良好的控制系統(tǒng)是由一系列控制算法和被控對象組成，雖然憑借其穩(wěn)定性、可靠性、實時性以及冗余技術(shù)等優(yōu)點，能夠確保整個生產(chǎn)的安全性，但也會遇到很多困難，特別是復(fù)雜工業(yè)過程往往具有不確定性，如：多變量、隨機性、突變性、變量間的關(guān)聯(lián)性等，若能夠基于現(xiàn)有的控制理論和控制技術(shù)，建立一套先進的控制模型，提高全廠智能化水平，必定會為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

  1.概述

  江西亞東水泥有限公司是由臺灣遠東集團旗下的亞洲水泥股份有限公司與江西省投資集團公司共同成立的合資企業(yè)，其一期工程于一九九七年動土興建，截止二零一零年五月最后一條窯（第四號窯）已順利投產(chǎn)。目前第五號、第六號窯的余熱發(fā)電工程由南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司總承包，其三大主機分別由杭州鍋爐集團股份有限公司、青島捷能汽輪機集團股份有限公司、南陽防爆集團提供，余熱電站控制系統(tǒng)的下位機選用的是日本富士的MICREX-SX的PLC，上位機選用的是GE公司的iFIX。

  該余熱電站的控制方式為機、爐集中控制方式，機組指令及其輔助設(shè)備以操作員站為監(jiān)控中心；電氣控制系統(tǒng)（ECS）通過通訊方式接入DCS系統(tǒng)，化水系統(tǒng)采用PLC控制，同樣通過通訊方式接入DCS系統(tǒng)，并在操作員站實現(xiàn)同步監(jiān)控等等。

  由于臺資企業(yè)的自動化程度較高，特別是全廠智能化能否實現(xiàn)對項目是否成功起著決定性的作用。在工程設(shè)計階段，我公司各專業(yè)技術(shù)人員多次召開討論會、反復(fù)論證全廠智能化控制方案可行性，并結(jié)合業(yè)主提出的合理化建議，最終制定了一套切實可行的控制方案，首次在余熱電站項目上成功實現(xiàn)了一鍵啟動。

  2.全廠智能化工程實施

  該余熱電站的全廠智能化主要體現(xiàn)在一鍵啟動，在對一鍵啟動建模過程中，需要對各個子系統(tǒng)進行分析，深入了解被控對象的特性以及各變量之間的關(guān)系，才能建立一套適合該機組的智能化模型。該余熱電站設(shè)有十一個子系統(tǒng)，分別為壓縮空氣系統(tǒng)，化水系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)，油系統(tǒng)，凝結(jié)水給水系統(tǒng)，鍋爐除灰系統(tǒng)，鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)，抽真空系統(tǒng)，大旁路系統(tǒng)，汽輪機系統(tǒng)和電氣并網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1所示：

  圖1 – 江西亞東余熱電站的子系統(tǒng)

  結(jié)合“圖1”中的各個子系統(tǒng)，經(jīng)過各個專業(yè)的反復(fù)論證，最終將整個機組的啟動步序壓縮到六步：循環(huán)水，油系統(tǒng)，暖管，抽真空，汽機啟動，電氣并網(wǎng)。并且在機組啟動過程中，該機組設(shè)備的聯(lián)鎖保護和PID調(diào)節(jié)在相應(yīng)的步序中逐一投入，自動投入率達到了100%。當機組的運行參數(shù)偏離其設(shè)計值時，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的PID調(diào)節(jié)目標值與設(shè)備聯(lián)鎖動作值進行自我調(diào)整，如果機組工況持續(xù)惡化，一旦某些監(jiān)控測點超過極限值，系統(tǒng)會根據(jù)邏輯判斷作出中止或退出的選擇，直至機組停機保護動作。

  圖2 – 一鍵啟動主邏輯步序1

  圖3 – 一鍵啟動主邏輯步序2

  2.1空壓機系統(tǒng)

  該項目的調(diào)節(jié)閥大多為氣動調(diào)節(jié)閥，為此配置了一套壓縮空氣系統(tǒng)。壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)有三臺空壓機，其中兩臺為儀用空壓機，通過硬聯(lián)鎖實現(xiàn)一用一備，另一臺空壓機為化水系統(tǒng)反洗用。當壓縮空氣母管壓力高于0.7MPa時，兩臺空壓機會都停止運行，當壓縮空氣母管壓力低于0.6MPa時1#空壓機自啟，當壓縮空氣母管壓力低于0.55MPa時2#空壓機自啟。

  2.2化水系統(tǒng)

  該系統(tǒng)的PLC通過Modbus協(xié)議與主控室PLC建立通訊，化水系統(tǒng)的運行和停止信號通過硬接線方式送到中控室PLC系統(tǒng)，在中控室畫面上可以監(jiān)控到化水系統(tǒng)的診斷狀態(tài)以及設(shè)備的運行情況，同時也實現(xiàn)了對化水系統(tǒng)進行遠程啟停的功能。

  2.3循環(huán)水系統(tǒng)

  該系統(tǒng)配置了四臺冷卻風(fēng)機和五臺循環(huán)水泵、一套加藥以及一套全自動的旁濾系統(tǒng)，其中，2#～3#冷卻風(fēng)機與1#循環(huán)水泵為變頻控制。循環(huán)水溫度的調(diào)節(jié)是通過2#～3#冷卻風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的，循環(huán)水母管流量的調(diào)節(jié)是通過1#循環(huán)水泵變頻調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。循環(huán)水加藥系統(tǒng)有四臺加藥計量泵，其功能分別為阻垢劑、銅緩蝕劑、硫酸和殺菌劑，通過安裝在循環(huán)水池內(nèi)的分析儀表，組成3個PID調(diào)節(jié)回路來保證循環(huán)水水質(zhì)。

  全自動旁濾系統(tǒng)，設(shè)置有1臺旁濾反洗泵，和三臺旁濾裝置，每臺旁濾裝置上帶有一個控制箱。正常運行時三臺旁濾裝置同時運行，三臺旁濾裝置控制箱內(nèi)設(shè)置定時反洗，為了保證反洗水量充足，三臺旁濾裝置的反洗時間不同。反洗與旁濾功能的切換通過相關(guān)水管上的電動門來實現(xiàn)的。

  圖4 –循環(huán)水系統(tǒng)

  圖5 –循環(huán)水加藥系統(tǒng)

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  2.4除氧給水

  該項目的給水除氧采用加藥除氧， 通過在凝結(jié)水泵入口母管加入氨水進行調(diào)節(jié)PH值，給水溶氧量調(diào)節(jié)是通過在給水泵進口母管加入聯(lián)氨來實現(xiàn)的。該項目的給水系統(tǒng)分為高壓給水系統(tǒng)和低壓給水系統(tǒng)，高壓給水系統(tǒng)設(shè)有3臺高壓給水泵（兩用一備），給余熱鍋爐的高壓汽包供水；低壓給水系統(tǒng)設(shè)有3臺低壓給水泵（兩用一備），給余熱鍋爐的低壓汽包供水，高、低壓給水系統(tǒng)的備用給水泵的自啟是通過切換各出口母管上的兩臺電動門來實現(xiàn)的。

  高、低壓給水母管壓力的調(diào)節(jié)：通過給水泵變頻調(diào)節(jié)來控制相應(yīng)給水母管壓力在目標值值附近，以利于余熱鍋爐汽包水位的調(diào)節(jié)。

  圖6 – 高壓給水系統(tǒng)

  鍋爐汽包水位的調(diào)節(jié)：汽包水位作為主信號，當汽包水位有變化時調(diào)節(jié)器輸出變化，繼而改變給水流量，使水位恢復(fù)到目標值，蒸汽流量作為前饋信號，防止虛假水位致使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生錯誤動作，給水流量作為反饋信號，使調(diào)節(jié)器在汽包水位還未有變化時就可根據(jù)前饋信號消除內(nèi)擾，使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定、起到穩(wěn)定給水的作用，從而保持汽水平衡。需要注意的是給水流量和蒸汽流量以及汽包水位的測量值需要進行溫壓補償。

  圖7 –余熱鍋爐汽包給水系統(tǒng)

  2.5汽機油系統(tǒng)

  亞東項目汽機油系統(tǒng)的油管路上多了一個掛閘電磁閥，通過掛閘電磁閥可以實現(xiàn)盤車自動掛閘。盤車的自動嚙合是通過高壓油泵的控制油把盤車推進去使得盤車齒輪成功嚙合。

  在油系統(tǒng)中，各個油泵的自啟主要是根據(jù)油管路的壓力開關(guān)設(shè)定值動作的，例如：高壓電動油泵、交流輔助油泵等。此外，頂軸油泵自動啟停與盤車允許啟動信號受汽機轉(zhuǎn)速條件限制。

  2.6鍋爐系統(tǒng)

  亞東項目的鍋爐系統(tǒng)給水調(diào)節(jié)閥采用的是氣動調(diào)節(jié)閥，由于氣動調(diào)節(jié)閥響應(yīng)速度快，能及時精確地控制汽包水位，讓汽包水位保持在目標值附近。汽水取樣設(shè)有爐水PH和電導(dǎo)率的在線分析儀表，并在手動和自動取樣管路上分別設(shè)置了一個電磁閥，正常時自動取樣電磁閥工作，當取樣溫度過高時自動取樣電磁閥關(guān)閉，采用手動取樣。

  由于余熱鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)受水泥線工況影響很大，為避免兩個相對獨立的系統(tǒng)相互產(chǎn)生干擾，余熱鍋爐與水泥線接口的煙風(fēng)閥門控制定為手動控制。在平時對風(fēng)門的操作中都是通過電話先溝通確認、后操作反饋，使得中控操作員在操作鍋爐風(fēng)門的過程中對水泥線的風(fēng)險降至最低，不至影響生產(chǎn)線的熟料及水泥品質(zhì)穩(wěn)定。

  2.7暖管

  暖管時需要嚴格控制好暖管速度升溫速度，暖管過程中一定要保持疏水暢通。當主汽門前溫度大于240度、壓力大于1.0mpa時，發(fā)送暖管完成信號。

  2.8抽真空系統(tǒng)

  該系統(tǒng)配置1套啟動抽汽器和2套工作抽汽器（一用一備），射汽抽汽器進汽壓力調(diào)節(jié)維持射汽器蒸汽壓力保持在目標值附近。當啟動抽真空系統(tǒng)時先啟動啟動抽汽器，抽到凝汽器真空到達-45KPa時，啟動1#～2#工作抽汽器，當1#～2#工作抽汽器工作正常后，下一步自動停止啟動抽汽器，當凝汽器真空建立后(P<-84KPa)，延時5秒出“完成”信號。

  2.9汽機汽水系統(tǒng)

  余熱電站汽機汽水系統(tǒng)設(shè)有主汽旁路和補汽旁路系統(tǒng)，505通過進汽壓力來控制汽機運行，當主汽壓力高于汽機設(shè)定值時主汽旁路壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)主汽壓力，主汽旁路減溫水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進入凝汽器的排汽溫度。低壓旁路也設(shè)置了壓力調(diào)節(jié)閥，當補汽壓力超過設(shè)定值后，補汽旁路壓力調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)補汽壓力。該汽機汽水系統(tǒng)增設(shè)的主汽和補汽旁路系統(tǒng)也發(fā)揮出了其優(yōu)勢，即在汽輪發(fā)電機故障停機時也可以把鍋爐產(chǎn)生的蒸汽全部通過旁路系統(tǒng)排入凝汽器從而保證水泥線正常運行。正因為設(shè)置了主汽和補汽旁路，機組在啟動時可以走旁路系統(tǒng)大大縮短了機組啟動時間和減少了疏水量，并且分汽缸上設(shè)置有緊急放汽閥，當主汽壓力超過設(shè)定值時，分汽缸緊急放汽閥自動打開放汽，為機組的穩(wěn)定、可靠提供了保障。

  2.10電氣系統(tǒng)

  該電氣系統(tǒng)未設(shè)計獨立后臺，電氣裝置與富士PLC系統(tǒng)通過建立通訊方式將電氣系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)送到DCS中，電氣系統(tǒng)的自動同期，發(fā)電機自動并網(wǎng)才能夠順利實現(xiàn)。

  在汽機轉(zhuǎn)速沖到3000rpm且無系統(tǒng)報警時，電氣并網(wǎng)邏輯將A～B套勵磁調(diào)節(jié)器投入運行，系統(tǒng)會自動判斷勵磁系統(tǒng)無故障后發(fā)出“起勵”指令，當勵磁電壓、勵磁電壓均在正常范圍內(nèi)時，系統(tǒng)發(fā)出“發(fā)電機出口開關(guān)合閘”、同期復(fù)位、同期啟動等指令。當發(fā)電機出口開關(guān)已合閘且電氣系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，表明機組已成功并網(wǎng)。

  2.11報警與查詢

  在中控室的操作員站操作畫面上，設(shè)有4行當前報警域，報警信息根據(jù)優(yōu)先級的高低分為HH、H、L、LL四個等級，分別對應(yīng)紅閃、橙閃、藍綠閃、紫閃四種顏色。操作員根據(jù)不同的報警顏色很容易區(qū)分報警信息的重要性，及時采取相應(yīng)的糾正措施，保證機組運行在最佳工況。

  在余熱電站報警系統(tǒng)中還增設(shè)了聲音報警，并根據(jù)機組報警信息的重要性做了分類，如：IO測點、單體設(shè)備跳閘和ETS保護條件動作等，針對這些報警逐一進行了優(yōu)化。在DCS畫面中“二次彈出”的對話框中設(shè)有一項報警記錄查詢功能，可以根據(jù)日期、時間、關(guān)鍵字來搜索想要的報警信息。

  2.12操作記錄

  在DCS畫面中“二次彈出”的對話框中設(shè)有一項操作記錄功能，每臺操作員站的操作記錄均能夠?qū)崟r記錄操作員的登陸身份與操作情況。當機組工況正常時，自動調(diào)節(jié)與單體設(shè)備的聯(lián)鎖均處于自動狀態(tài)，不需要操作員手動干預(yù)，操作員只需跟蹤機組設(shè)備的運行情況與報警信息，便能夠了解機組的運行情況。當機組工況出現(xiàn)波動并有相關(guān)的聲音報警警告時，操作員根據(jù)報警信息，便可發(fā)現(xiàn)是什么地方出了問題，根據(jù)問題發(fā)生的重要性，必要時操作員可以采取緊急措施進行手動干預(yù)，操作員手動干預(yù)的過程均能夠在操作記錄中記錄下來。當以后分析原因、查閱相關(guān)操作信息時，操作記錄能夠提供一份有價值的參考，便于對系統(tǒng)進行優(yōu)化，以免再犯類似的錯誤。

  2.13報表系統(tǒng)

  該報表系統(tǒng)分為班報表和日報表功能，班報表循環(huán)記錄了三個班的實時數(shù)據(jù)，日報表記錄了24小時的數(shù)據(jù)，報表內(nèi)容根據(jù)采集頻率的要求做了加權(quán)平均，使得記錄的數(shù)據(jù)更加客觀，數(shù)據(jù)更真實。其中日報表的部分重要數(shù)據(jù)（如：發(fā)電量、各班別發(fā)電量、發(fā)電機運轉(zhuǎn)時間等）已經(jīng)通過業(yè)主自主開發(fā)的軟件接入臺灣總部的SIS系統(tǒng)，公司上層在任何地方均能夠查閱該廠余熱電站的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，利于公司上層的統(tǒng)籌規(guī)劃與戰(zhàn)略決策。

  3.全廠智能化的潛在價值

  由于該余熱電站全廠自動化和智能化程度較高，減少了操作員的工作強度，將操作員從繁忙的操盤中解放出來。此刻，操作員只需跟蹤當前機組的報警信息流以及結(jié)合歷史曲線，便能夠?qū)崟r了解整個機組的運行情況，同時還可以利用節(jié)約出來的時間對全廠設(shè)備進行巡檢，提高了操作員在值班期間的工作效率。

  全廠智能化的實施為企業(yè)資源整合提供了有力支持。以目前常規(guī)余熱電站為例，員工的數(shù)量通常為18人，運行機制為四班三倒，其中值長為2人，機組的操盤及巡檢人員數(shù)量為16人，鍋爐、汽機、化水、電氣各配置4人。若余熱電站實現(xiàn)了全廠智能化，每個班的人力資源數(shù)量可減少至1人，其所帶來的一個關(guān)鍵收益是為企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低成本。由此可見，全廠智能化為企業(yè)節(jié)約成本和提升效率的潛力仍然很可觀。

  4. 前景與展望

  目前，“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)已成為人們熱議的話題，國家也在積極倡導(dǎo)一個生態(tài)互聯(lián)網(wǎng)，縱觀我們所處的行業(yè)，智能設(shè)備、智能系統(tǒng)、智能決策與工業(yè)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)的融合正是我們未來的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

  智能工廠：將世界上各種機器、設(shè)備和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與先進的傳感器、控制裝置和應(yīng)用程序進行連接融合。

  高級分析：物理分析、材料科學(xué)、預(yù)測算法、自動化、電氣工程和更大的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)方式所需的重點學(xué)科專業(yè)知識的力量。

  工作中的人：無論身在何處，都能夠支持更加智能的設(shè)計、運營、維護，以及提供更高質(zhì)量的服務(wù)和安全性。

  不久的將來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能夠做到讓智能機器之間相互協(xié)調(diào)控制、智能生產(chǎn)，可以大大減少從事重復(fù)勞動的工人數(shù)量，使生產(chǎn)質(zhì)量和效率得到進一步提升。當新的能源技術(shù)和通信技術(shù)正在連接融合時，必將會改變我們的生產(chǎn)方式，進而改變生活方式。只有當智能設(shè)備、智能系統(tǒng)和智能決策與機器、設(shè)備組、工業(yè)設(shè)施和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)全面融合之后，才能發(fā)揮工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全部潛力，企業(yè)將能享受到提高生產(chǎn)力、降低成本和減少廢物排放所帶來的收益。

  5. 結(jié)束語

  江西亞東水泥有限公司第五號、第六號窯的余熱電站全廠智能化的實施，已突破以往項目的自動化水平，將員工從繁忙的操盤中解放出來，將生產(chǎn)發(fā)電的任務(wù)交給現(xiàn)場設(shè)備來完成。員工只需要負責跟蹤機組的報警信息流中的變化、設(shè)備故障的排除以及廠區(qū)內(nèi)的設(shè)備巡檢等任務(wù)，而不用時刻跟蹤機組的所有實時數(shù)據(jù)以及重復(fù)、頻繁的操作，大大提高了機組的生產(chǎn)力和員工的工作效率，該余熱電站全廠智能化的成功應(yīng)用已向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邁進了一小步。