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炼焦生产全流程优化控制实验平台设计与开发

2009/8/1    来源:万方数据    作者:李可夫  吴敏  雷琪        
关键字:全流程优化  智能集成优化控制  仿真实验平台  
面向炼焦生产全流程智能优化控制,设计与开发一种仿真实验平台.分析炼焦生产流程和仿真实验目的,提出一种包括优化控制实验层和炼焦过程模拟层的分层分布式系统结构.实现炼焦过程状态参数与控制信号的模拟收发、各车间级予系统优化监控、全流程生产集中实时监视与综合生产目标优化等功能.系统运行表明,该仿真实验平台能合理有效的模拟炼焦生产特性和进行智能优化控制实验。

1 引言

    炼焦生产在我国流程工业中占有重要的地位,其产品焦炭是钢铁、化工、机械和有色冶金等诸多行业的原材料。炼焦生产涵盖优化配煤、焦炉加热燃烧、焦炉煤气集气、作业调度过程等诸多子过程,基于上述过程的优化控制系统研究受到了广泛的关注。近年来,冶金企业的竞争焦点逐步朝向综合生产指标。

    面向综合生产目标和生产全流程的智能集成优化控制成为研究的热点。然而,炼焦过程的复杂性和生产连续性却给我们进行大范围、高风险的调试与实验带来了很大困难。针对上述问题,本文在分析炼焦生产全流程机理的基础上,设计一种面向炼焦生产全流程智能集成优化控制的仿真实验平台。提出了一种包括优化控制实验层和炼焦过程模拟层的分层分布式系统结构。炼焦过程模拟层实现对炼焦生产各过程状态参数的显示与发送、控制信号的接收与处理、焦炉炉况的模拟与设定、异常工况与不确定性干扰模拟等功能。利用数模转换卡收发标准工业信号,模拟现场传感器和执行机构特性,以支持上层优化控制实验层的正常运转;优化控制实验层实现各车间级子系统优化监控、全流程生产集中实时监视与综合生产目标优化等功能。为炼焦生产全流程的各种优化控制研究和系统开发提供有力的实验。

2 炼焦生产流程分析
 
    炼焦生产全流程总体可分为四个子过程,即配煤过程、加热燃烧过程、煤气集气过程、加煤一推焦一拦焦一熄焦过程。如图1所示。



    首先根据焦炭质量要求,将各种品质的煤按照一定比例混合得到符合标准的配合煤;由煤车在一定的时刻将其运至焦炉炉顶,经装煤孔注入到已经推焦完毕的炭化室;在经过约二十多个小时的干馏后,炭化室中的煤被高温干馏变成焦炭;然后通过三大车的协调将焦炭取出,由熄焦车将炽热的焦炭运至熄焦塔进行熄焦,冷却后的焦炭被运输到储存地或冶炼现场。
 
    配煤过程优化控制主要是以各种不同的单种煤按一定的配比组合成配合煤,过程中配合煤质量是影响焦炭质量的主要因素之一;焦炉加热燃烧过程通过控制焦炉煤气和高炉煤气的供给,保持机焦侧平均炉温的稳定;集气管压力解耦控制将集气管压力稳定在某个值,降低对加热燃烧过程的影响和扰动;焦炉作业计划与优化调度实际就是确定最合理的装煤一推焦一拦焦一熄焦时间,以最有效的方式在合理的时空完成加煤、推焦、拦焦、熄焦操作,从而保证焦炉生产的稳顺进行。炼焦生产的各个子过程相互影响,具有多输入多输出、涉及众多的过程操作参数、非线性、大时滞、强耦合等特点。

     针对以上实际情况本文设计的仿真实验平台达到以下目的:

    1)依照炼焦生产全流程智能集成优化控制的特点,搭建模块化、可复用、分层多级的实验用控制系统;

    2)通过建立过程状态模型与仿真程序,实现模拟多座焦炉炼焦过程及其多变量、非线性、大时滞、强耦合特点;

    3)通过软硬件模拟炼焦全流程控制系统的检测、变送和执行机构,以支持上层各级智能集成控制实验系统运行。

3 系统结构

    本文提出了一种炼焦生产全流程智能集成优化控制仿真实验平台的总体结构,如图2所示。

    系统由智能集成优化控制实验层和炼焦生产过程模拟层两部分组成。智能集成优化控制实验层包括加热燃烧、集气管压力、作业优化调度三大车间级优化监控系统和炼焦生产全流程的综合生产目标优化与实时集中视系统。它涵盖了针对炼焦生产全流程的多种控制、优化、信息管理和工业网络通信等方面的软硬件实验功能,能比较全面地模拟现代先进集成制造技术在炼焦生产过程中的应用。系统整体采用分层、多级、模块化的设计思想,使用ADO、OPC、XML等通用接口技术,极大地提高整体灵活性和可重用性。

    为炼焦全流程乃至其他类似工业过程的智能集成控制实验与仿真提供了有效的平台。炼焦生产过程模拟层则由运行炼焦过程模拟计算机和外围扩展数模卡件等组成。按工况整合历史数据存入数据库,实现炼焦生产过程状态参数的收发、模拟和焦炉炉况特性仿真等功能。由于炼焦生产实际状态变量繁多,本文采用了关键控制参量经数模卡件、次要量多的变量经以太网分别上发至优化控制实验层的策略。

4 优化控制实验层的设计与开发

    4.1车间级子系统架构

    车间级子系统包括了炼焦生产的加热燃烧、集气管压力、作业优化调度三大过程的数据采集、监控与优化。各系统能独立的完成相关过程的优化监控,同时通过标准工业以太网统一于实验控制网络,各子过程工程师站、控制站均能实现设备的复用,提高实验操作的灵活性。各车间级控制子系统架构如下图3。

    由DCS控制站和PLC控制器连接过程模拟层和优化控制组态工程师站,它将控制优化层下发的控制参数转换为现场控制信号,并下发至过程模拟层,仿真完成阀门开关等现场执行器动作驱动。在硬件上采用了SUPCON JX一300XP集散控制系统、SIEMENS s7—400可编程控制器和SIEMENS S7—200可编程控制器,通过导线连接过程模拟层的数模转换卡接线端子板,实现与过程模拟层的模型计算机的交流。通过标准工业以太网连接各DCS控制站和PLC可编程控制器以及各个工程师站,实现对过程模拟层炼焦过程的数据采集与控制下发。

    在各工程师站中,通过配置安装SUPCONAdvanTrol和WINCC6.02组态软件,实现加热燃烧过程控制数据的实时监视与报警、历史曲线绘制、各参量棒状图等动态效果;在上位机运用VC实现加热燃烧控制、集气管压力控制和优化调度的智能优化算法,结合通用标准的类,连接各个组态软件内置的OPC服务器,实现智能控制算法的嵌入。各个车间级子系统采用了模块化设计。

    焦炉加热燃烧控制系统、集气管压力控制系统和焦炉优化调度系统共用三台计算机作为工程师站,通过交换机与下层的各个控制站相通信。而该层的监控与优化采取多机设备复用的策略,以使每台计算机都能被用作各个子系统的优化监控。

    4.2全流程优化监控实现

    炼焦生产是包含了诸多过程的流程工业,本实验平台面向炼焦生产全流程的智能集成优化控制,在实现对三大子过程优化监控的基础上,亦实现全流程优化控制功能。包括对焦炭质量、产量、炼焦能耗等综合生产目标的建模与优化,对炼焦全流程生产的集中实时监视,对全流程关键指标数据的远程Web访问。

    用关联性分析,找出对质量、产量和能耗影响最强的诸多控制量,如火道温度、集气管压力和推焦电流等。建立期间关系模型,在相关约束条件内应用智能优化算法寻找最优解,以实现对综合生产目标的优化。

    在实验控制网内架设数据库服务器和实时数据库,本系统采用ESP—iSYS4.0实时数据库。运用ESP—iSYS模块对炼焦全流程的状态参量进行统一采集,通过ESP—iHisServer磁盘数据库模块存储动态过程数据,运用ESP—i2E实时数据RDB转储软件将重要数据采样归档于SQL server关系数据库软件。实现了全流程生产的集中实时监视功能。

    远程生产信息的Web访问使用ESP—iSYS4.0的ESP—iWeb B/S实时信息应用平台,采用C#语言和.NET环境开发个性界面,动态实时的监控炼焦生产的全流程作业,实现远程生产过程信息管理。

5 炼焦过程模拟系统

    5.1过程模拟系统结构及工作原理

    炼焦过程模拟子系统旨在通过软件实现炼焦过程状态模型,模拟炼焦生产过程的状态特性;通过计算机程序和AD、DA转换卡件模拟底层的检测、变送和执行机构,支持上层各级智能集成优化控制实验系统的运行;设计人机界面,同步实时显示和手动设定各个状态参数、控制值、炉况和干扰等信息。

    系统包括对象模拟计算机和外围卡件两部分。对象模拟计算机用以运行模拟程序和数据库系统,是该系统的核心;外围卡件包括用以扩展计算机PCI插槽的PCI—to—PCI扩展机箱,其内安装收发标准工业模拟信号的各类AD、DA转换卡件,扩展机箱与模型计算机问使用符合StarFabfic标准的高速串行传送进行通讯,传输介质使用配线、安装方便的5e类双绞线(千兆以太网用)。如图4所示。



    5.2过程模拟系统程序开发

    炼焦生产过程模拟系统软件是整个仿真实验平台的基础,它是全系统运行所需的动态数据的产生源。它包括模型库与外围程序两大部分。

    系统软件总体采用高内聚低耦合的模块化设计思想,使用VC++8.0在VS2005作为开发环境,运用面向对象的程序设计思想和科学的设计模式,做到模型库实现与外围程序的分开设计。这样使得各个模拟模型均以类的形式存在于炼焦过程模拟模型这以整体之中,不受外界用户、平台的干扰,提高了系统的通用性和可移植性。外围程序如过程模拟监控界面、OPC通信实现和数模转换卡驱动实现程序以用户的身份通过统一通用接口访问炼焦过程模拟模型。用户问相对独立,便于增加更多用户功能,如远程web访问功能。提高了系统的扩展性和灵活性。

    运用通用灵活的ADO通信接口操纵MSSQL2005数据库;通过数模转换卡附带SDK软件包提供的库函数驱动转换卡,产生相应10~20毫安或0~5V标准工业模拟信号以及数字脉冲信号,以逼真地模拟炼焦生产过程的输出输入特性;集成通用OPC类,访问上层OPC服务器与实时数据库,使得上层加热燃烧控制系统能获得全焦炉多个蓄顶温度和上升管温度。

    软件采用多线程编程技术,使得仿真模拟程序的两座焦炉对象间、及其蓄顶温度模拟、上升管温度模拟和三座集气管模拟间能够单独的运行也可统一同步运行。建立炉况和干扰设定模块,最大的模拟现场炉况和工况的变化与随机干扰。登录与退出权限使得软件更具安全性,防止误操作出现。系统软件结构示意图如图5。

6 系统运行

    在本仿真实验平台的车间级子系统上分别运行加热燃烧优化控制、集气管压力控制、生产优化调度的组态监控程序,能对炼焦生产各过程的相关状态进行模拟采集与监控;上层实现了综合生产目标优化与炼焦全流程的实时集中监视;底层炼焦过程模拟系统向上层各级优化控制系统持续提供了合理的生产数据,现场原始数据的运用尽可能地尊重了现实炼焦过程,且与上层控制程序形成了互动。

    在炼焦生产过程中,火道温度是反映炼焦生产顺利进行的重要指标。取国内某大型钢铁企业焦化厂优化控制系统的机、焦侧火道温度实际运行数据与本系统上模拟运行数据进行比较,部分运行结果如图7所示。


    以上结果表明,在本仿真实验平台上进行炼焦生产全流程的智能集成优化控制仿真实验,火道温度能良好的稳定在1260℃左右(机侧)和1320℃左右(焦侧),该仿真实验平台有效的反映了炼焦生产过程控制的系统特性。为面向炼焦生产全流程的各种智能集成控制系统研提供了仿真实验平台。

7 结论

    本文面向炼焦生产智能集成优化控制,设计一种全流程集成优化控制仿真实验平台,从系统总体结构、优化控制实验层和炼焦过程模拟系统等多方面进行了分析和设计。模块化的设计和良好的开放性使得系统能在较少的设备资源条件下对炼焦生产各子过程以及全流程的优化控制实施有效的仿真实验。其底层的炼焦过程模拟系统不仅能对炼焦过程数据进行模拟,而且能对上层优化控制系统的核心控制指令进行响应。总之,该仿真实验系统为炼焦过程优化控制提供了有力的实验平台,为复杂工业过程的系统仿真提供了新思路。

责任编辑:刘淼
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