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(diǎn)，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(jī)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(jìn)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(jì)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(yuǎn)東集團(tuán)旗下的亞洲水泥股份有限公司與江西省投資集團(tuán)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(jī)分別由杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司、青島捷能汽輪機(jī)集團(tuán)股份有限公司、南陽防爆集團(tuán)提供，余熱電站控制系統(tǒng)的下位機(jī)選用的是日本富士的MICREX-SX的PLC，上位機(jī)選用的是GE公司的iFIX。

  該余熱電站的控制方式為機(jī)、爐集中控制方式，機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)啟動，電氣并網(wǎng)。并且在機(jī)組啟動過程中，該機(jī)組設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)和PID調(diào)節(jié)在相應(yīng)的步序中逐一投入，自動投入率達(dá)到了100%。當(dāng)機(jī)組的運(yùn)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(biāo)值與設(shè)備聯(lián)鎖動作值進(jìn)行自我調(diào)整，如果機(jī)組工況持續(xù)惡化，一旦某些監(jiān)控測點(diǎn)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(jī)組停機(jī)保護(hù)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(jī)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(jī)，其中兩臺為儀用空壓機(jī)，通過硬聯(lián)鎖實現(xiàn)一用一備，另一臺空壓機(jī)為化水系統(tǒng)反洗用。當(dāng)壓縮空氣母管壓力高于0.7MPa時，兩臺空壓機(jī)會都停止運(yùn)行，當(dāng)壓縮空氣母管壓力低于0.6MPa時1#空壓機(jī)自啟，當(dāng)壓縮空氣母管壓力低于0.55MPa時2#空壓機(jī)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(yùn)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(yùn)行情況，同時也實現(xiàn)了對化水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)行時三臺旁濾裝置同時運(yùn)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(jìn)行調(diào)節(jié)PH值，給水溶氧量調(diào)節(jié)是通過在給水泵進(jìn)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(biāo)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(dāng)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(biāo)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(jìn)行溫壓補(bǔ)償。

  圖7 –余熱鍋爐汽包給水系統(tǒng)

  2.5汽機(jī)油系統(tǒng)

  亞東項目汽機(jī)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(jìn)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(jī)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(biāo)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(dāng)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(dú)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(rèn)、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(yán)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(dāng)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(jìn)汽壓力調(diào)節(jié)維持射汽器蒸汽壓力保持在目標(biāo)值附近。當(dāng)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(dá)-45KPa時，啟動1#～2#工作抽汽器，當(dāng)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(dāng)凝汽器真空建立后(P<-84KPa)，延時5秒出“完成”信號。

  2.9汽機(jī)汽水系統(tǒng)

  余熱電站汽機(jī)汽水系統(tǒng)設(shè)有主汽旁路和補(bǔ)汽旁路系統(tǒng)，505通過進(jìn)汽壓力來控制汽機(jī)運(yùn)行，當(dāng)主汽壓力高于汽機(jī)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(jìn)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(dāng)補(bǔ)汽壓力超過設(shè)定值后，補(bǔ)汽旁路壓力調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)補(bǔ)汽壓力。該汽機(jī)汽水系統(tǒng)增設(shè)的主汽和補(bǔ)汽旁路系統(tǒng)也發(fā)揮出了其優(yōu)勢，即在汽輪發(fā)電機(jī)故障停機(jī)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(yùn)行。正因為設(shè)置了主汽和補(bǔ)汽旁路，機(jī)組在啟動時可以走旁路系統(tǒng)大大縮短了機(jī)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(dāng)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(jī)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(dú)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(jī)自動并網(wǎng)才能夠順利實現(xiàn)。

  在汽機(jī)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(yùn)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(dāng)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(jī)出口開關(guān)合閘”、同期復(fù)位、同期啟動等指令。當(dāng)發(fā)電機(jī)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(jī)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(dāng)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(lán)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(jī)組運(yùn)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(jī)組報警信息的重要性做了分類，如：IO測點(diǎn)、單體設(shè)備跳閘和ETS保護(hù)條件動作等，針對這些報警逐一進(jìn)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(dāng)機(jī)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(jī)組設(shè)備的運(yùn)行情況與報警信息，便能夠了解機(jī)組的運(yùn)行情況。當(dāng)機(jī)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jī)運(yùn)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(qiáng)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(dāng)前機(jī)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(jī)組的運(yùn)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(jìn)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(yùn)行機(jī)制為四班三倒，其中值長為2人，機(jī)組的操盤及巡檢人員數(shù)量為16人，鍋爐、汽機(jī)、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(jī)器、設(shè)備和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與先進(jìn)的傳感器、控制裝置和應(yīng)用程序進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)方式所需的重點(diǎn)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(yùn)營、維護(hù)，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(jī)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(jìn)一步提升。當(dāng)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(jìn)而改變生活方式。只有當(dāng)智能設(shè)備、智能系統(tǒng)和智能決策與機(jī)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(fù)責(zé)跟蹤機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)了一小步。