CN108151834B - 一种用于工业炉、锅炉的传感器自检方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于工业炉、锅炉的传感器自检方法，其包括建模和自检，所述建模从整个传感器系统出发，构建数据上的关系网，不同检测点的数据有与整个锅炉运行状态相关的和不相关的，不同检测点之间存在数据的关联性和非关联性，建立四类数学模型；所述自检包括：将需要自检的传感器实际检测到的检测值与所述四类数学模型中的至少一类数学模型内的检测理论值进行实时比对，若两者差异超出容忍范围，则判断该传感器发生漂移或损坏。本发明还涉及一种用于工业炉、锅炉的传感器自检系统。本发明无需配置多个同类传感器，解决了现有通过多个同类传感器比对自检方法造成的设备成本高且受制于现场安装布置的问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业窑炉及锅炉，具体是一种用于工业炉、锅炉的传感器自检方法及系统。
背景技术
我国的工业窑炉及工业锅炉是典型的高耗能、高排放、高污染设备，多年来且未来相当长的一段时间内，工业窑炉及工业锅炉仍将是我国工业行业及民用行业的主要用能提供设备。随着行业竞争的加剧和国家日益严格的节能环保要求，为提高工业窑炉及工业锅炉的运行能效，使其在燃烧效率、运行安全、节能环保等方面具有较好的可控性，促进了工业炉、锅炉行业物联网技术及人工智能技术的快速发展。传感器作为支撑物联网及人工智能技术的基础，在工业窑炉及工业锅炉设备上将会大量布置多种用于检测不同参数的传感器，但由于传感器的内部因素以及所处的外部条件的干扰下，传感器工作过程中几乎都会出现精度漂移的现象，目前的处理方式都是每隔一段时间人工对传感器进行校准及标定，但是该处理方式存在非常大的隐患，如果传感器在两次人工校准间隔中出现了较大的精度漂移、损坏等问题却没有及时发现，将可能会对物联网及人工智能设备带来灾难性的损害，因此传感器的精度是否可控、完好性是否可控等将决定物联网及人工智能技术的成败。
现有技术中已有针对传感器漂移进行校正的方法，如CN 202083655U公开的催化燃烧式甲烷气体探测器的自动校准装置，其由MCU、多路模拟开关、电阻网络和惠斯通电桥等组成，其特征在于电阻网络与多路模拟开关的数据输入端连接，多路模拟开关的输出端与惠斯通电桥连接，多路模拟开关的地址输入端与MCU连接；其采用MCU智能化技术进行传感器输出非线性校正、零点漂移和灵敏度自动校准及零点调整，提高了整机的测量精度。
上述专利文献虽然提出了一种有效的自动校准装置，但其针对的对象为特定的一个或一类传感器，通用性较差且只能自检出零点漂移，对发生的曲线漂移没有可靠的自检技术。而在检查是否发生曲线漂移时，现有技术通常采用增加一定数量的相同类别的传感器，通过对比同类别的多个传感器的实测值的差值来判断漂移；或者是采用不同类别但针对同一检测参数的具有明确的强关联性的多个传感器，通过对比不同类别的传感器检测同一参数的实测值的差值来判断漂移。这些方式虽然具有一定效果，但需要成倍增加传感器的数量，对现场环境的安装布置以及设备成本都提出了更高的要求，尤其对于已经投产的工业窑炉及工业锅炉来说，增加一组传感器往往需要改装现场结构，既不利于现场生产，也面临着新的结构安全问题，特别是有些价格昂贵的传感器，成倍增加传感器造成的成本大幅上升是企业难以承受的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于锅炉的传感器自检系统及方法，其无需增加额外的传感器，能够解决现有传感器自检对现场环境的安装布置以及设备成本较高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种用于工业炉、锅炉的传感器自检方法，包括建模和自检，其中，所述建模包括建立如下四类数学模型：1、建立工业炉、锅炉的运行状态与各传感器检测理论值应该处于的正常值范围之间对应关系的第一数学模型；2、建立个别传感器与其他传感器之间检测理论值变化关系的第二数学模型；3、建立传感器之间检测理论值逻辑关系的第三数学模型，该第三数学模型与锅炉运行状态相关联；4、建立传感器之间检测理论值逻辑关系的第四数学模型，该第四数学模型与锅炉运行状态无关联；所述自检包括：将需要自检的传感器实际检测到的检测值与所述四类数学模型中的至少一类数学模型内的检测理论值进行实时比对，若两者差异超出容忍范围，则判断该传感器发生漂移或损坏。
进一步的，还包括自学习优化：在工业炉、锅炉运行过程中，实时采集运行数据，并根据这些数据对所述四类数学模型中的各关系自动进行修正、优化，更新成为适用于该工业炉、锅炉的数学模型。
进一步的，所述第一数学模型包括工业炉、锅炉运行负荷的变化与介质温度/压力、排烟温度正常值范围之间的关系。
进一步的，第一数学模型包括工业炉、锅炉的运行状态与传感器零点值之间的关联关系。
再进一步的，所述第四数学模型包括排烟管道中O2含量的检测理论值与排烟管道中CO含量的检测理论值之间的相互关系。
再进一步的，所述第三数学模型包括燃料温度/热值、助燃风温度检测理论值的变化与排烟管道中O2、CO含量检测理论值之间的相互关系。
本发明还公开了一种用于工业炉、锅炉的传感器自检系统，其包括针对不同检测点的各传感器，所述各传感器分别输出至一数据采集器，所述数据采集器连接有一数据传输器，所述数据传输器连接有远端数据处理器，其还包括与所述数据采集器通信连接以获取传感器检测数据的就地数据处理器，所述就地数据处理器与所述数据传输器连接使得就地数据处理器的处理结果上传至所述远端数据处理器；所述远端数据处理器和/或就地数据处理器采用所述的自检方法对所述各传感器进行自检，对漂移或损坏的传感器发出报警、提示信息，并对发生零点漂移的传感器进行零点标定。
本发明的方法不同于现有技术中采用同类别的传感器之间的检测值来相互验证，也不同于现有技术中成对传感器的同检测点设置，而是从整个传感器系统出发，构建数据上的关系网，对关系网从数据关联性方面进行建模，利用数学模型的方法自检传感器，不会增加传感器的成本、数量，因而能够避免自检破坏原有的现场结构。建模后还通过自学习优化，使模型与实际的工业现场更加匹配，提高自检的准确性。
本发明的系统采用了就地处理器自检结合远端处理器自检的双重模式，既能够方便地现场自检，也能够数据上传集中处理后自检，该系统在实际工业现场中各个不同的参数分别配置一个传感器的情况下就能完成自检工作。
附图说明
图1为本发明一种用于工业炉、锅炉的传感器自检系统的结构示意图；
图2为本发明一种用于工业炉、锅炉的传感器自检系统的具体实施例；
图3为本发明一种用于工业炉、锅炉的传感器自检系统的又一种具体实施例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明用于工业炉、锅炉的传感器自检方法，其不同于现有技术中采用同类别的传感器之间的检测值来相互验证，也不同于现有技术中成对传感器的同检测点设置，而是从整个传感器系统出发，构建数据上的关系网，不同检测点的数据有与整个锅炉运行状态相关的和不相关的，不同检测点之间存在数据的关联性和非关联性。本发明的方法正是从不同于常规思路的方向上对上述关系网从数据关联性方面进行建模，主要分为如下四类数学模型：1、建立工业炉、锅炉的运行状态与各传感器检测理论值应该处于的正常值范围之间对应关系的第一数学模型；2、建立个别传感器与其他传感器之间检测理论值变化关系的第二数学模型；3、建立传感器之间检测理论值逻辑关系的第三数学模型，该第三数学模型与锅炉运行状态相关联；4、建立传感器之间检测理论值逻辑关系的第四数学模型，该第四数学模型与锅炉运行状态无关联。
这四类数学模型中，每类数学模型内都包括多种关系数学模型，每个传感器至少能在其中一种数学模型中找到关联关系。例如，第一数学模型包括工业炉、锅炉运行负荷的变化与介质温度/压力、排烟温度正常值范围之间的关系；工业炉、锅炉的运行状态与传感器零点值之间的关联关系；所述第四数学模型包括排烟管道中O2含量的检测理论值与排烟管道中CO含量的检测理论值之间的相互关系；所述第三数学模型包括燃料温度/热值、助燃风温度检测理论值的变化与排烟管道中O2、CO含量检测理论值之间的相互关系等等。
在建模完成后，将需要自检的传感器实际检测到的检测值与所述四类数学模型中的至少一类数学模型内的检测理论值进行实时比对，若两者差异超出容忍范围，则判断该传感器发生漂移或损坏。即是将需要自检的传感器输出的检测数据用上述四类数学模型中的某一种或多种去验证，如果传感器输出的检测数据在数学模型中验证失败，则认为该传感器此时处于失常状态，判断其处于漂移或损坏状态。
考虑到每个工业炉或锅炉系统运行的复杂性，建模的结果是否适用，还需要进一步自学习优化，在工业炉、锅炉一定周期的运行过程中，实时采集运行数据，并根据这些数据对所述四类数学模型中的各关系自动进行修正、优化，更新成为适用于该工业炉、锅炉的数学模型。
以下以一个常见的锅炉系统来阐述如何构建一个传感器自检系统，结合图1、图2所示，该锅炉系统包括检测燃气参数的燃气流量计8、燃气压力传感器7，检测空气参数的环境温度传感器9，检测进水参数的进水水温传感器1，检测出水参数的出水水温传感器2，检测排烟参数的排烟温度传感器3、氧含量传感器4、CO含量传感器5、NOx含量传感器6，以上这些传感器各自属于一个检测点，同一检测位置的传感器针对检测不同的参数，同一类别的传感器针对不同的位置或不同的被检介质。这些传感器的检测数据以及工作状态传输至数据采集器10，数据采集器10采集的传感器信号连接至就地数据处理器11进行自检分析，同时通过数据传输器12将数据上传至远端数据处理器13进行自检分析。在就地数据处理器11以及远端数据处理器13内均设置自检模块，自检模块按前面所述的四类数学模型去检验传感器，对漂移或损坏的传感器发出报警、提示信息。
针对上述传感器，自检模块建立的数学模型为：
一、锅炉工作状态与各传感器正常值范围的关系数学模型：锅炉在停机状态、吹扫状态、低负荷、高负荷状态下，燃气流量计8、进水水温传感器1、出水水温传感器2、排烟温度传感器3、氧含量传感器4、CO含量传感器5、NOx含量传感器6等传感器的检测理论值即传感器检测出的理论值分别应该处于的正常值范围。
二、各传感器的正常值范围之间对应变化的关系数学模型：在以上建立的关系数学模型基础上，个别传感器的数值变化对其他传感器数值的影响的关系数学模型，如燃气压力传感器7、环境温度传感器9对排烟温度传感器3、氧含量传感器4、CO含量传感器5、NOx含量传感器6等的影响数学模型。
三、建立锅炉各运行状态下单个或多个传感器之间的关系数学模型：在不同的运行状态下，出水水温传感器2与排烟温度传感器3之间的关系数学模型。
四、建立各传感器之间的关系数学模型：氧含量传感器4与CO含量传感器5之间的关系数学模型；燃气流量计8、环境温度传感器9、进水水温传感器1、出水水温传感器2与排烟温度传感器3之间的关系数学模型。
在锅炉实际运行一定时期内，采集各传感器的实际检测值，用这些实际检测值去校正数学模型中的各种关系：如在70％负荷下，燃气压力传感器7的数值为a时，燃气流量计8的预设正常值为b,通过一段时间的运行数据的收集，对该正常值进行适应该设备的修正，如修正为b+c。
根据自学习优化后的关系数学模型对实际运行工况进行实时连续自检，当传感器数值超出模型的容忍范围，则发出报警，完成传感器自检工作。
利用本发明可以对传感器的零点漂移进行自检和标定。如图3所示，就地数据处理器11分析当前锅炉的运行状态，当锅炉的运行状态在理论上能使传感器一21、传感器二22、传感器三23、传感器四24、传感器五25中的部分或全部处于零点状态时，自动对传感器进行零点自检。
就地数据处理器11的自检模块建立关联关系：对于传感器一21、传感器二22、传感器三23、传感器四24、传感器五25在何种的运行状态下会处于零点状态，建立状态及零点值的关联关系(例如：锅炉停机状态时，O2、CO含量应处于零点状态；锅炉处于吹扫状态时，O2、CO含量应处于零点状态)。
在设备运行过程中，通过大量的实际运行数据对上一步建立的关联关系进行对照、修正。(例如，在上一步的举例中，实际在锅炉停机状态时，传感器有可能不处于零点状态，而在吹扫状态中，也有可能不是一直处于零点状态。关联关系需要根据实际运行数据进行修正)。通过实际运行数据补偿修正后的关联关系，作为检验传感器零点漂移的分析模型，实时根据符合该模型的数据进行动态监测。
当数据处理器发现传感器的零点发生漂移后，分析传感器所处环境，在传感器处于零点环境下时自动发送一个标定指令给传感器处理板。传感器处理板接收到该标定信号后，将自动对传感器进行零点标定，之后将返回一个标定成功信号给数据处理器以上传。
Claims (5)
1. 一种用于工业炉、锅炉的传感器自检方法，其特征在于：包括建模和自检，其中，所述建模包括建立如下四类数学模型：（1）建立工业炉、锅炉的运行状态与各传感器检测理论值应该处于的正常值范围之间对应关系的第一数学模型；（2）建立个别传感器与其他传感器之间检测理论值变化关系的第二数学模型；（3）建立传感器之间检测理论值逻辑关系的第三数学模型，该第三数学模型与工业炉、锅炉的运行状态相关联，包括燃料温度/热值、助燃风温度检测理论值的变化与排烟管道中O2、CO 含量检测理论值之间的相互关系；（4）建立传感器之间检测理论值逻辑关系的第四数学模型，该第四数学模型与工业炉、锅炉的运行状态无关联，包括排烟管道中O2 含量的检测理论值与排烟管道中CO 含量的检测理论值之间的相互关系；
所述自检包括：将需要自检的传感器实际检测到的检测值与所述四类数学模型中的至少一类数学模型内的检测理论值进行实时比对，若两者差异超出容忍范围，则判断该传感器发生漂移或损坏。
2.根据权利要求1 所述的一种用于工业炉、锅炉的传感器自检方法，其特征在于：还包括自学习优化：在工业炉、锅炉运行过程中，实时采集运行数据，并根据这些数据对所述四类数学模型中的各关系自动进行修正、优化，更新成为适用于该工业炉、锅炉的数学模型。
3.根据权利要求1 或2 所述的一种用于工业炉、锅炉的传感器自检方法，其特征在于：所述第一数学模型包括工业炉、锅炉运行负荷的变化与介质温度/压力、排烟温度正常值范围之间的关系。
4.根据权利要求3 所述的一种用于工业炉、锅炉的传感器自检方法，其特征在于：第一数学模型包括工业炉、锅炉的运行状态与传感器零点值之间的关联关系。
5.一种用于工业炉、锅炉的传感器自检系统，包括针对不同检测点的各传感器，所述各传感器分别输出至一数据采集器，所述数据采集器连接有一数据传输器，所述数据传输器连接有远端数据处理器，其特征在于：还包括与所述数据采集器通信连接以获取传感器检测数据的就地数据处理器，所述就地数据处理器与所述数据传输器连接使得就地数据处理器的处理结果上传至所述远端数据处理器；所述远端数据处理器和/或就地数据处理器采用权利要求1 至4 中任一项所述的自检方法对所述各传感器进行自检，对漂移或损坏的
传感器发出报警、提示信息，并对发生零点漂移的传感器进行零点标定。
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