CN201222183Y - 加热炉优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种加热炉优化控制系统，该系统包括集散控制系统，该系统还包括工业控制计算机、彩色显示器和通讯转换器，所述集散控制系统的输出端通过所述通讯转换器与所述工业控制计算机的输入端相连，所述工业控制计算机的输出端通过所述通讯转换器与所述集散控制系统的输入端相连，所述彩色显示器的输入端与所述工业控制计算机的显示输出端相连。可以降低加热炉能耗、生产装置能耗、节约原料、提高产量、提高产品质量及稳定生产单元等。

Description

加热炉优化控制系统

技术领域

本实用新型涉及优化控制领域，尤其涉及一种加热炉优化控制系统。

背景技术

加热炉自动控制技术的应用，在80年代曾作过不少尝试，在控制策略上主要以反馈控制为主，即通过对烟道挡板和进风蝶阀进行调节，以满足排烟氧含量和炉膛负压趋近设定值，实现最佳燃烧。炉膛压力和温度作为安全和工艺指标约束控制，也有用燃料量的变化作为前馈控制。这些控制系统有一定作用，但在运行不长时间之后，都被置于手动不再投用。

近几年来，人们加强对现代控制理论的研究与应用，国内外出现了自校正系统、自适应控制、模糊控制、智能控制等新型控制系统，国内许多高校、研究院也逐步开展加热炉的数学模型与仿真研究，开展模糊控制算法及智能控制系统的研究，取得了一些成果，并获得很好的应用，在冶金行业，加热炉的智能控制系统已研究多年并正在逐步完善。

本发明的申请人在加强加热炉管理和日常炉效监测的工作中，深切地体会到炼油企业加热炉采用燃烧优化控制技术的必要性和迫切性。炼油企业普遍存在原料品种来源多变，加热炉系统工况波动频繁，加上大多没有配备专职的司炉工，如果不采用更先进的技术手段，要真正做到保持加热炉的长周期高效率运行几乎是不可能的。现有控制条件下所能监测到的炉效，往往只能维持在监测过程前后的一段有限时间内，而整个加热炉运行周期中的平均热效率，还远没有达到期望的目标，炼油企业的综合能耗指标明显低于根据炉效监测数据所测算出的水平。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种加热炉优化控制系统，可以降低加热炉能耗、生产装置能耗、节约原料、提高产量、提高产品质量及稳定生产单元等。

本实用新型提供加热炉优化控制系统，该系统包括集散控制系统，该系统还包括工业控制计算机、彩色显示器和通讯转换器，所述集散控制系统的输出端通过所述通讯转换器与所述工业控制计算机的输入端相连，所述工业控制计算机的输出端通过所述通讯转换器与所述集散控制系统的输入端相连，所述彩色显示器的输入端与所述工业控制计算机的显示输出端相连。

进一步的，该系统还包括：切换开关，所述切换开关串联在所述集散控制系统的输入端与所述通讯转换器之间。

进一步的，所述切换开关是软开关。

进一步的，所述切换开关是所述集散控制系统界面的操作按钮。

进一步的，所述通讯转换器是串口方式的双向通讯专线。

本实用新型用于加热炉优化控制系统硬件与生产装置原有的DCS集散控制系统整合的架构，是通过串口方式的双向通讯专线连接，采用了国际通用工业标准的Modbus通讯规约。通过直接读写DCS内部保持继电器的双向数据通讯方式，具有更加高的可靠性、安全性、通用性。其通讯速率和双向交换数据的实时性，都优于其它基于集散控制系统上位机总线的通讯方式。加热炉优化控制软件，以多种控制策略，适应对象的复杂性和不确定性。其控制过程中包含了对现场仪表运行状态的自动检测，多种控制策略的自动切换，以及对加热炉燃烧工况的自动寻优。

加热炉优化控制系统投运后，其燃料消耗量明显降低，节能效果比较明显。与以往依靠有经验的操作人员，凭经验和责任心来确保加热炉的高效率运行，采用本实用新型加热炉优化控制系统，更具有较高的稳定性、客观性和科学性，功能卓越，操作简便，经济效益和社会效应显著，可以降低加热炉能耗、生产装置能耗、节约原料、提高产量、提高产品质量及稳定生产单元等。

附图说明

图1是本实用新型优化控制系统整合架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例的具体实施方式做进一步的详细阐述。

请参见图1，图1中的DCS网络即集散控制系统，通讯接口即通讯转换器，优化控制系统及存储有优化控制软件的工业控制计算机，在图中未示出彩色显示器。

一种加热炉优化控制系统，包含：加热炉优化控制系统与石化行业生产装置原有的DCS集散控制系统的整合架构的优选模式，以及自主开发的加热炉优化控制软件，以上相辅相成的两个部分。即包括：①工业控制计算机、②彩色显示器、③通讯转换器等硬件，以及④优化控制软件两大部分组成。采用加热炉优化控制系统和生产装置原有DCS集散控制系统建立双向的数据通讯的方式，使优化控制系统和原有DCS集散控制系统完全融为一体。优化控制系统从DCS系统取得现场采集数据，根据加热炉工况变化，适应系统中出现的各种干扰，自动调整控制规律，通过对助燃风阀位、烟道挡板和风机变频调速等的实时控制，实现加热炉工况的自动优化。

在实现工艺介质出口温度稳定的前提下，以工艺介质的压力、流量、温度、燃料量、辐射室顶部负压、烟气O2含量、CO含量和排烟温度等多种参数，作为检测和控制对象，设定多项控制策略，动态地优选、记忆最佳路线和最优参数组合，最终达到加热炉的燃料消耗量降低，以实现节能目标。本发明的目的通过以下技术方案来实现：

其一、加热炉优化控制系统和生产装置原有的DCS集散控制系统能有机整合的、系统软硬件互交衔接和非常方便于操作的架构模式——该模式利用了工业控制计算机和DCS集散控制系统可扩充的通讯功能，并通过增加简单的软开关切换，就能赋予生产装置对加热炉自动控制功能的上述新特性，具有高可靠性、安全性，最低的费用投入，而且可以在生产装置不停车的运行状态下实施改造。

其二、加热炉优化控制软件具有自主知识产权及其先进性——该软件以多种控制策略，去适应对象的复杂性和不确定性。它具有自学习能力，更具有很好的适应性、容错性、鲁棒性、组织功能、实时性和人机协同等功能。它不是简单地依靠建立常规的数学模型，而且能够根据知识和经验的积累，进行在线推理和系统辨识，在线整定和优选最佳的控制路线。

进一步地，上述的加热炉优化控制系统硬件与生产装置原有的DCS集散控制系统整合的架构，是通过串口方式的双向通讯专线连接，并采用了国际通用工业标准的Modbus通讯规约。

更进一步地，这种直接通过读写DCS内部保持继电器的双向数据通讯方式，具有更加高的可靠性、安全性、通用性。其通讯速率和双向交换数据的实时性，都优于其它基于集散控制系统上位机总线的通讯方式。

更进一步地，加热炉优化控制系统与生产装置原有的DCS集散控制系统整合之后，仅通过在DCS界面新增组态画面中，调用各控制回路的切换开关——操作“按钮”，工业控制计算机运行的加热炉优化控制系统软件，就能接受来自DCS系统的操作指令，实现加热炉燃烧过程的优化控制。

更进一步地，在生产装置原有DCS集散控制系统中，投入和退出加热炉优化控制状态的操作过程非常简便，加热炉优化控制系统的投入，完全不影响原DCS系统的运行，也不需要增加其他输入输出接口。优化控制系统所需的所有数据，全部通过DCS获得。优化控制系统安装和调试，都可以在线进行，完全不影响生产装置的正常生产运行。

更进一步地，加热炉优化控制系统软件，在实现工艺介质出口温度稳定的前提下，以工艺介质压力、流量、温度、燃料量、辐射室顶部负压、烟气O2含量、CO含量和排烟温度多种参数，作为检测和控制对象，设定多项控制策略，动态地优选、记忆最佳路线和最优参数组合，对加热炉的助燃风阀、烟道挡板和风机变频调速等回路，实施加热炉燃烧过程的优化控制。优化控制系统投用后，排烟废气氧含量能控制在较低的水平之下，加热炉的燃料消耗量能有明显降低，最终实现节能的目标。

更进一步地，加热炉优化控制软件以多种控制策略，适应对象的复杂性和不确定性。它具有自学习能力，更具有很好的适应性、容错性、鲁棒性、组织功能、实时性和人机协同等功能。能够根据知识和经验的积累，进行在线推理和系统辨识，在线整定和优选最佳的控制路线。

更进一步地，加热炉优化控制软件，其控制过程中包含了对现场仪表运行状态的自动检测，多种控制策略的自动切换，以及对加热炉燃烧工况的自动寻优。

具体的：加热炉优化控制系统和生产装置原有集散控制系统(DistributedControl System，DCS)是既有联系又相对独立的两个系统。当系统在原DCS状态运行时，可以认为加热炉自动控制系统不存在，也丝毫不会影响DCS运行。无论在调试时或投运后，在出现任何异常波动时，通过简单的切换操作，就可以很方便快速地切换回到DCS控制状态运行，保证非正常工艺状况下生产的连续进行，确保不会出现任何意外问题。在实施改造时，对原DCS系统所作相应修改的工作量也是最少的。为此需要建立可靠的双向数据通讯，同时不影响现有DCS系统的正常运行，这是实现加热炉优化控制技术方案的关键。

按照加热炉优化控制系统要求，包括各主控回路的温度、压力、流量和阀位信号，控制变量、状态识别信号和报警联络信号等。这些信号可划分为若干个区段，DCS系统发送给加热炉优化控制系统的相关位号的输入变量和控制信号，加热炉优化控制系统发送给DCS系统的输出阀位信号、报警信号和通讯状态识别信号。

建立优化控制系统和DCS系统双向通讯的信号清单——通讯变量表，采用Modbus通讯方式，在生产装置原有DCS集散控制系统中，提供用于上述通讯的两个RS-232串行端口，如果通讯距离较长，还需另外选配带光隔离的RS-232→RS-485/RS-422转换接口。

根据生产装置加热炉的工艺流程，设计优化控制系统的各控制回路。

生产装置原有DCS集散控制系统组态修改，实现如下新增功能：

Modbus串行通讯功能，实现工控机与DCS之间双向数据交换。

优化控制系统所涉及的各控制回路的投运——切换开关操作画面。

与工控机通讯状态的监测和报警。当出现DCS系统与优化控制系统工控机通讯故障时，DCS的操作画面中应有报警提示，同时有系统报警。

加热炉优化控制投运后，DCS操作画面中将能显示来自优化控制系统并已传送至现场执行机构的输出信号，同时画面中应有控制状态显示。

便于优化控制系统“投运”和“退出”的其它人性化操作功能。

以上工作完成后，加热炉优化控制系统可进入调试阶段。优化控制系统调试投运工作主要包括：

位号和变量校核，对涉及的输入输出模拟量信号的位号和量值进行逐个校核，确保双向通讯的全部数据的量值和位号准确无误。

各控制回路调试：加热炉出口温度控制回路的调试，适应各种扰动工况下，保证原料油出口温度的实际值稳定在设定值的±2℃范围内。

加热炉助燃风回路的调试，优化控制系统根据氧含量、高压瓦斯流量、炉膛温度和其他工艺参数以提高加热炉的热效率为目标，对风道蝶阀进行连续调节控制，进行动态寻优，寻找最佳供风量，监视和分析控制效果，并在运行中积累优化控制数据库。优化控制系统对供风量的调节，是在原来燃烧状态的基础上，使燃烧尽可能处于最佳状态。

加热炉炉膛压力相关回路调试，对烟道挡板进行调节控制，适应各种扰动工况；根据当前实际需要的风量，结合主风道蝶阀的开度，以及其他一些工艺参数优化后得出一个最佳鼓风机出口压力，通过变频方式调节鼓风机电机的转速；结合炉顶负压值的变化，以及烟道挡板开度，通过变频方式对引风机转速进行调节控制，将各加热炉的对流室出口负压，控制在最佳状态。优化控制系统对投运各回路的调节，始终是一个微量的动态优化过程，对被控对象的工况并不会引起波动，完全不影响生产。

优化控制系统的设计不影响现有DCS的正常工作，并且在不影响正常生产的条件下进行调试，优化控制系统除了在内部作控制优化运算以外，不作其他人为操作，没有不同模式的人机交互。优化控制系统在设计时已经考虑了如下安全因素：

Modbus通讯规约是一个完全可靠的工业化标准，优化控制系统接收DCS的数据可靠，从系统安全性考虑，优化控制系统输出的阀位控制信号，不直接送达现场的执行机构，而是由DCS系统界面中新增的该回路切换按钮所决定，调试时优化控制系统出现任何问题，可随时切回到DCS系统，调试时是可以确保安全的。

当系统在DCS控制下运行时，优化控制设定值始终跟踪过程值；优化控制输出也始终跟踪DCS实际输出。当系统从DCS切换到优化控制时，由于设定值和输出都是跟踪切换前的实际值，显然是无扰动的。同样系统在优化控制下运行后，如果再切回到DCS时，DCS已经处于手动状态，DCS设定值也始终跟踪现场阀位。系统无论如何切换，都是无扰动。

系统控制软件中包含了优化分析和逻辑判断的有关功能。对优化控制输出值，采取“软限位”和“硬限位”两种方法，以确保控制输出值的可靠性和稳定性。优化控制系统硬件安装，也和DCS操作台整合，当系统切到优化控制运行时，DCS和优化控制系统软件都有通讯状态的监测，一旦出现任何通讯异常，都有报警提示，安全性能得到多方面的保障。

综上所述，本实用新型设计独特、结构新颖，集优化控制系统和生产装置原有的DCS集散控制系统为一体。具有很高的可靠性、安全性、先进性，独具一格的、便于操作的软硬件连接方式，相对较低的费用成本，易于推广改造，在安装和调试期间完全不影响装置的正常生产等诸多优点，同时也在实践中取得了较为明显的节能效果，应用前景看好。本实用新型实施例中的“接收”一词可以理解为主动从其他模块获取也可以是接收其他模块发送来的信息。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1、加热炉优化控制系统，其特征在于，该系统包括：工业控制计算机，所述工业控制计算机包括数据模块、干扰分析模块和控制模块，所述数据模块的输入端用于与加热炉的生产操作数据的输出端相连，所述干扰分析模块的输入端用于与所述数据模块的输出端相连，所述控制模块的输入端分别与所述数据模块的输出端和所述干扰分析模块的输出端相连，所述控制模块的输出端分别用于与加热炉的燃料阀位、助燃风阀位、烟道挡板和风机的控制端相连。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据模块、干扰分析模块和控制模块集成在所述工业控制计算机的主机中。

3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括：检测模块，所述检测模块的检测端用于与现场仪表相连，所述检测模块的输出端与所述控制模块的输入端相连。

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