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        基于ARM的燃煤機(jī)組性能在線優(yōu)化解決方案研究

        2020-06-29 07:21:29王兆舜葛舉生
        機(jī)電信息 2020年12期

        王兆舜 葛舉生

        摘要:提出一種基于ARM的燃煤機(jī)組性能在線優(yōu)化解決方案,討論通過采用先進(jìn)的嵌入式硬件技術(shù),實時采集燃煤機(jī)組各主、輔機(jī)設(shè)備的運行過程數(shù)據(jù),通過機(jī)組性能模塊算法庫在線分析機(jī)組的主要性能指標(biāo),并參與燃煤機(jī)組自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制,在機(jī)組安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,提高機(jī)組的運行經(jīng)濟(jì)性。所提方案可為燃煤機(jī)組在線優(yōu)化控制的實現(xiàn)提供有益的借鑒。

        關(guān)鍵詞:ARM;燃煤機(jī)組;性能分析;優(yōu)化控制

        0? ? 引言

        傳統(tǒng)燃煤機(jī)組自動控制系統(tǒng)在設(shè)計和試驗上大都以機(jī)組運行的安全性和穩(wěn)定性為主要目標(biāo),而對機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)化控制考慮得較少。當(dāng)前,隨著新能源發(fā)電及特高壓交直流輸電技術(shù)的發(fā)展,為破解其消納難題,保障電網(wǎng)運行穩(wěn)定,火電機(jī)組的靈活性控制、深度調(diào)峰將成為新形勢下運行新常態(tài)[1-3],這就使得機(jī)組運行嚴(yán)重偏離設(shè)計工況,也將降低機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性。因此,對機(jī)組性能進(jìn)行在線分析,并將性能分析結(jié)果與機(jī)組自動控制相結(jié)合,以對控制系統(tǒng)提供合理的、最優(yōu)的修正作用,從而提高機(jī)組的運行經(jīng)濟(jì)性很有必要,也非常緊迫。當(dāng)前火電自動控制策略還廣泛采用PID控制方式,而隨著機(jī)組的長期運行,多數(shù)控制回路都已偏離設(shè)計工況或調(diào)試工況,處于非優(yōu)化整定狀態(tài)[4]。依據(jù)各被控?zé)崃ο蟮奶匦?,進(jìn)行控制器參數(shù)的優(yōu)化整定,可以提高控制系統(tǒng)性能,并提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性,而實現(xiàn)機(jī)組的性能在線監(jiān)測是實現(xiàn)優(yōu)化控制的依據(jù)和先決條件。

        為了深入挖掘機(jī)組的節(jié)能潛力,保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運行,文中提出基于ARM的燃煤機(jī)組性能在線優(yōu)化解決方案,討論通過采用先進(jìn)的嵌入式硬件技術(shù),實時采集燃煤機(jī)組各主、輔機(jī)設(shè)備的運行過程數(shù)據(jù),通過機(jī)組性能計算模塊在線分析電廠主要性能指標(biāo),并參與燃煤機(jī)組自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制,在機(jī)組安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,提高機(jī)組的運行經(jīng)濟(jì)性。

        1? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        硬件核心組成部分以高性能工業(yè)ARM核心板為載體,性能計算任務(wù)由上位機(jī)和ARM板完成,上位機(jī)基于Windows操作系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)性能計算模塊的組態(tài)和結(jié)果顯示,ARM板基于Linux操作系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)模塊的調(diào)度運算。采用板載DSP處理芯片,以適應(yīng)現(xiàn)場一次數(shù)據(jù)分析算法模型的引入所需高性能計算的要求,并實現(xiàn)圖像處理。

        根據(jù)是否采用網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離裝置以及OPC客戶端位于上位機(jī)還是ARM板,系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)可以分為如下4種:

        1.1? ? 硬件結(jié)構(gòu)1

        如圖1所示,不采用網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離裝置,上位機(jī)安裝OPC客戶端,直接與DCS的OPC服務(wù)器通信完成DCS數(shù)據(jù)采集,并負(fù)責(zé)性能計算的組態(tài)和顯示,ARM板只負(fù)責(zé)模塊調(diào)度運算。

        特點:結(jié)構(gòu)簡單,在Windows上位機(jī)開發(fā)OPC客戶端比較容易實現(xiàn),ARM板一端只負(fù)責(zé)運算模塊,工作簡單。

        1.2? ? 硬件結(jié)構(gòu)2

        如圖2所示,不采用網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離裝置,ARM板安裝OPC客戶端,直接與OPC服務(wù)器通信完成DCS數(shù)據(jù)采集,并負(fù)責(zé)模塊調(diào)度運算,上位機(jī)只負(fù)責(zé)性能計算的組態(tài)和顯示。

        特點:結(jié)構(gòu)簡單,但是ARM板上的Linux系統(tǒng)對OPC的支持不佳,需利用JAVA語言編寫OPC客戶端。ARM板負(fù)責(zé)運算模塊和DCS數(shù)據(jù)采集,實現(xiàn)較硬件結(jié)構(gòu)1復(fù)雜。

        1.3? ? 硬件結(jié)構(gòu)3

        如圖3所示,采用網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離裝置,OPC客戶端位于網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離裝置的主機(jī)A。上位機(jī)通過UDP協(xié)議與主機(jī)B通信可完成DCS數(shù)據(jù)采集,并負(fù)責(zé)性能計算的組態(tài)和顯示,ARM板只負(fù)責(zé)模塊調(diào)度運算。

        特點:除具備硬件結(jié)構(gòu)1的特點外,由于采用網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離裝置,安全性更強(qiáng)。

        1.4? ? 硬件結(jié)構(gòu)4

        如圖4所示,采用網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離裝置,OPC客戶端位于網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離裝置的主機(jī)A。上位機(jī)負(fù)責(zé)性能計算的組態(tài)和顯示,ARM板通過UDP協(xié)議與主機(jī)B通信完成DCS數(shù)據(jù)采集,并負(fù)責(zé)模塊調(diào)度運算。

        特點:除具備硬件結(jié)構(gòu)2的特點外,由于采用網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離裝置,安全性更強(qiáng)。

        ARM板的選型要求軟硬件開源和可裁剪,考慮低端和高端兩種開發(fā)板。

        低端開發(fā)板:基于S3C2410處理器的開發(fā)板,ARM920T內(nèi)核,最高可運行在203 MHz。例如華恒科技研發(fā)的HHARM9200開發(fā)板,基于AT91RM9200微控制器,具有豐富的接口資源,包括USB2.0全速Host接口和全速Device接口、4個可支持RS-485紅外串口的通用同步/異步接收器/傳輸器(USART),支持聲頻IIS接口,內(nèi)置10/100M Ethernet MAC等,可用于網(wǎng)絡(luò)通信、LCD顯示等多媒體應(yīng)用。

        高端開發(fā)板:采用DM3730作為核心處理器的BeagleBoard-

        xm開發(fā)板,該處理器內(nèi)含一個主頻1 GHz的ARM Cortex A8和一個主頻800 MHz的TMS320C64+內(nèi)核。同時還有2D/3D圖形硬件加速模塊。該板功能極為強(qiáng)大,外圍接口豐富,包括4個USB Host端子、1個100/1 000M以太網(wǎng)口、1個DB9串口,可直連當(dāng)前主流LCD顯示器。

        2? ? 軟件系統(tǒng)設(shè)計

        軟件系統(tǒng)功能可具體劃分為六大部分,即實時數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、機(jī)組性能模型算法庫、邏輯組態(tài)子系統(tǒng)、實時監(jiān)控子系統(tǒng)、在線優(yōu)化控制子系統(tǒng)及專用優(yōu)化控制通道[5],其功能劃分和連接關(guān)系如圖5所示。

        系統(tǒng)總體工作流程是通過實時數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)接收DCS采集的實時運行數(shù)據(jù),調(diào)用機(jī)組性能模型算法庫,進(jìn)行圖形化組態(tài),計算出機(jī)組的主要熱力性能指標(biāo),然后采用合理的優(yōu)化控制方案,將優(yōu)化控制結(jié)果通過專用優(yōu)化控制通道實時反饋到DCS,指導(dǎo)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運行。根據(jù)現(xiàn)場實際運行系統(tǒng)的具體情況,可將不同通信協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)實時采集整合,形成系統(tǒng)可用的實時數(shù)據(jù)集合。根據(jù)目前常用的實際系統(tǒng),需要實現(xiàn)的通信協(xié)議主要有OPC、ModBus RTU、Modbus TCP/IP三種。

        作為主要數(shù)據(jù)采集手段,研發(fā)基于OPC-COM通信協(xié)議及Modbus協(xié)議的嵌入式硬件結(jié)構(gòu),使之能夠在高速數(shù)據(jù)傳輸平臺上與DCS、SIS和PLC進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的交互。

        開發(fā)基于ARM-Linux的嵌入式OPC客戶后臺程序,使用OPC的Browser瀏覽組件對現(xiàn)場系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行智能化遍歷,采用異步通信方式對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行同步讀出和寫入,并保證現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)質(zhì)量和時間戳的正確性。為使控制性能最優(yōu)化,進(jìn)一步采用OPC-UA技術(shù),利用面向?qū)ο蟮慕7椒ǎ瑢ΜF(xiàn)場系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模整合,建立對應(yīng)于熱力系統(tǒng)模型和控制策略的數(shù)據(jù)傳輸模型。

        目前,分散式控制系統(tǒng)通常都提供OPC服務(wù)器,如南自維美德的maxDNA分散控制系統(tǒng)、艾默生的Ovation分散控制系統(tǒng)等。利用OPC服務(wù)器,可以實時傳輸DCS中采集的機(jī)組實時運行數(shù)據(jù),通過OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行對接,根據(jù)特有的數(shù)據(jù)標(biāo)簽,可以查詢并獲得特定的實時數(shù)據(jù)信息。

        3? ? 機(jī)組性能模型算法庫

        燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),其包含燃燒、傳熱、傳質(zhì)、流動等多個動力學(xué)耦合過程。燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)的特點在于組成范圍大、設(shè)備多、過程復(fù)雜,故而熱力系統(tǒng)的性能分析是一個涉及多學(xué)科的復(fù)雜問題。燃煤機(jī)組的熱力過程研究主要包括以下3個方面[5]:

        (1)機(jī)組熱力性能指標(biāo)分析。根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)分析機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的分析過程,本質(zhì)上屬于熱力學(xué)研究領(lǐng)域。

        (2)系統(tǒng)的輸入邊界條件分析。邊界條件分為可控邊界條件和不可控邊界條件。可控邊界條件主要包括主汽溫度、主汽壓力、再熱溫度、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、循環(huán)水流量、再熱減溫水流量、過熱減溫水流量、鍋爐排污量、給水泵轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等,不可控邊界條件主要包括負(fù)荷指令、煤質(zhì)特性、環(huán)境因素等。

        (3)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)參量分析。對于確定的熱力系統(tǒng)來說,系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)、材料特性等是設(shè)備和系統(tǒng)的固有屬性;而對于實際運行的機(jī)組而言,由于設(shè)備制造、安裝、老化及運行調(diào)整等諸多原因影響,這些屬性必然偏離設(shè)計工況,給機(jī)組性能分析造成很大的困難。

        利用模塊化建模方法對機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行深入研究和系統(tǒng)綜合,并對其進(jìn)行合理的模塊化分析,從而建立機(jī)組性能模型算法庫。在系統(tǒng)可用的實時數(shù)據(jù)集合的基礎(chǔ)上,根據(jù)質(zhì)量守衡定律和能量守衡定律,結(jié)合熱力學(xué)方法,在線實時計算機(jī)組的熱力性能指標(biāo)。主要性能指標(biāo)可分為六大部分,如圖6所示[5-7]。

        調(diào)用模型算法庫子系統(tǒng),可以計算得到機(jī)組的熱力性能指標(biāo),實時反映機(jī)組的運行狀態(tài),并給出機(jī)組運行最佳參數(shù),如最佳主汽壓力、最佳主汽溫度、最佳再熱汽溫、最佳排汽壓力等,綜合考慮最佳運行參數(shù)與實際運行參數(shù)的差異,即可自適應(yīng)調(diào)整協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及各子控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù),實時優(yōu)化機(jī)組的控制參數(shù),從而動態(tài)調(diào)整機(jī)組給煤量、給水量、送風(fēng)量、冷/熱一次風(fēng)量、二次風(fēng)門開度等重要控制量,保證機(jī)組運行在最佳參數(shù)范圍內(nèi),進(jìn)而保證機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性。

        4? ? 結(jié)語

        本文提出了基于ARM的燃煤機(jī)組在線性能優(yōu)化方案,分析了四種硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)、六大軟件設(shè)計功能,建立了機(jī)組性能模型算法庫。根據(jù)機(jī)組實時運行數(shù)據(jù),調(diào)用模型算法庫,可以計算機(jī)組的主要性能指標(biāo),并根據(jù)性能計算結(jié)果作用于機(jī)組的實時控制,實現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化,在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,提高機(jī)組的運行經(jīng)濟(jì)性。該方案將機(jī)組性能在線分析與實時運行控制相結(jié)合,可實現(xiàn)機(jī)組性能分析與實時運行的閉環(huán)控制,可為燃煤機(jī)組在線優(yōu)化控制的實現(xiàn)提供有益的借鑒。

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        收稿日期:2020-03-10

        作者簡介:王兆舜(1982—),男,江蘇南京人,助理工程師,研究方向:過程控制自動化。

        葛舉生(1987—),男,江蘇東海人,工學(xué)碩士,工程師,研究方向:熱工自動化。

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