柳冠青，劉振宇，潘 昊，李小炯，蔚 剛，張廣琦，張 朝，鄭祥玉

(1.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013; 2.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

供料系統(tǒng)是煤粉工業(yè)鍋爐的核心工藝子系統(tǒng)之一，用于向一次風(fēng)中送入煤粉形成風(fēng)粉混合物再進(jìn)入鍋爐燃燒器和爐膛進(jìn)行燃燒。煤粉供料系統(tǒng)大多采用螺旋式供料器或旋轉(zhuǎn)鎖氣閥供料器[1-2]，少數(shù)配置技術(shù)性能和成本均較高的轉(zhuǎn)子秤(如常用于水泥行業(yè)煤粉高精度定量給料的菲斯特轉(zhuǎn)子秤[3-4])，一般均配備中間倉(cāng)，接收上方大粉倉(cāng)的給料并向下方供料器持續(xù)下料。中間倉(cāng)一般帶稱重功能，控制系統(tǒng)監(jiān)視中間倉(cāng)重量信號(hào)，當(dāng)重量達(dá)到低限時(shí)啟動(dòng)大粉倉(cāng)向其補(bǔ)料的操作，直至重量達(dá)到上限時(shí)停止補(bǔ)料。因此，在非補(bǔ)料階段，中間倉(cāng)重量隨時(shí)間的減少速度即反映了供料速率的高低。另一方面，一次風(fēng)通常由羅茨風(fēng)機(jī)提供，一般在與煤粉接觸前設(shè)有一次風(fēng)壓力測(cè)點(diǎn)，一次風(fēng)壓力的高低和波動(dòng)也與供料速率及其波動(dòng)相關(guān)。可見(jiàn)，現(xiàn)有供料系統(tǒng)一般具備的中間倉(cāng)重量和一次風(fēng)壓力2個(gè)運(yùn)行參數(shù)至少已經(jīng)能夠反映供料系統(tǒng)的關(guān)鍵工作特性。然而，實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀是相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)僅在控制界面做簡(jiǎn)單監(jiān)視用，即使采集和存儲(chǔ)下來(lái)，也大都進(jìn)入俗稱的“睡覺(jué)”狀態(tài)。

數(shù)據(jù)的價(jià)值沒(méi)有被挖掘和利用，供料系統(tǒng)也就仍然停留在簡(jiǎn)單機(jī)械裝備的技術(shù)水平上，導(dǎo)致整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行和測(cè)控水平也難以提高。例如，對(duì)于工業(yè)鍋爐，燃料量的指示、積算和記錄，無(wú)論在國(guó)家還是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，都被作為對(duì)鍋爐監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和儀表配置的第1條目提出[5-7]，但由于從中間倉(cāng)重量或一次風(fēng)壓力無(wú)法直接簡(jiǎn)單折算出燃料供應(yīng)速率或供應(yīng)量，因此大多數(shù)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)單元實(shí)際都不掌握短周期的燃料耗量(一般僅能根據(jù)1段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)給大粉倉(cāng)上了“幾車料”的“土辦法”估算大概的數(shù)值)，鍋爐熱效率的監(jiān)測(cè)無(wú)從談起。還例如，由于不掌握供料器轉(zhuǎn)速與供料速率的量化關(guān)系，供料系統(tǒng)的調(diào)節(jié)實(shí)際都是司爐人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接設(shè)定供料器轉(zhuǎn)速，但直接決定鍋爐負(fù)荷、風(fēng)粉配比的是煤粉流量等物理參數(shù)，而不是設(shè)備轉(zhuǎn)速此類間接量，當(dāng)供料器因磨損等發(fā)生性能劣化或煤粉特性發(fā)生改變時(shí)，前述操作模式難以及時(shí)做出調(diào)整，更難以實(shí)現(xiàn)鍋爐負(fù)荷的全自動(dòng)控制和智能化升級(jí)。

研究表明，中間倉(cāng)重量信號(hào)可用于計(jì)算供料速率，而一次風(fēng)壓力也與供料速率存在直接關(guān)系，且可較靈敏地反映供料速率的瞬時(shí)波動(dòng)，并與下游的燃燒狀態(tài)參數(shù)(如爐膛負(fù)壓、煙氣氧含量)密切相關(guān)[2]。但前述工作主要進(jìn)行了原理性分析，與實(shí)現(xiàn)供料系統(tǒng)的裝備數(shù)字化及工業(yè)化應(yīng)用距離尚遠(yuǎn)。當(dāng)前工作的目標(biāo)即是結(jié)合裝備和生產(chǎn)現(xiàn)狀，綜合利用數(shù)據(jù)分析、數(shù)字化和自動(dòng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供料系統(tǒng)數(shù)字化從“0”到“1”的突破。首先將從供料速率的分析計(jì)算著手，解決大多數(shù)工業(yè)鍋爐存在的煤粉供料系統(tǒng)不具備煤粉流量、耗量實(shí)時(shí)計(jì)量手段此一“卡脖子”問(wèn)題，進(jìn)一步地，對(duì)供料器的控制邏輯進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)供料速率設(shè)定值對(duì)供料器轉(zhuǎn)速進(jìn)行自適應(yīng)控制的“本征”控制模式。由于工業(yè)鍋爐可通過(guò)純燒生物質(zhì)或煤粉與生物質(zhì)粉摻燒[8]實(shí)現(xiàn)減碳，因此該工作還可推廣至生物質(zhì)粉工業(yè)鍋爐。

1 數(shù)據(jù)分析原理及算法

1.1 帶中間倉(cāng)稱重的供料系統(tǒng)的工作原理

由于粉體一般靠重力作用流動(dòng)，因此供料系統(tǒng)的空間布置從上至下依次為大粉倉(cāng)、中間倉(cāng)、供料器，大粉倉(cāng)與中間倉(cāng)之間、中間倉(cāng)與供料器之間通過(guò)插板閥控制通斷，供料器下方出料口與一次風(fēng)管道相接(一般是通過(guò)文丘里混合器)。中間倉(cāng)重量曲線示例如圖1所示，為保持供料器入料條件相對(duì)穩(wěn)定，中間倉(cāng)內(nèi)粉量一般運(yùn)行在1個(gè)較窄的區(qū)間內(nèi)，中間倉(cāng)稱重信號(hào)觸發(fā)低限時(shí)，大粉倉(cāng)與中間倉(cāng)之間的插板閥開(kāi)啟以向中間倉(cāng)補(bǔ)料，補(bǔ)料速率設(shè)計(jì)值一般大于供料器最大供料速率，因此中間倉(cāng)重量持續(xù)增加(此階段稱為中間倉(cāng)重量曲線的“上升段”)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)上限時(shí)前述插板閥關(guān)閉，此時(shí)中間倉(cāng)“只出不進(jìn)”，重量持續(xù)下降(稱為“下降段”)，直到再次啟動(dòng)補(bǔ)料操作。相鄰的1個(gè)上升段和下降段組成中間倉(cāng)的1個(gè)工作周期(以下稱為1個(gè)“上料循環(huán)”)。當(dāng)供料器頻率(轉(zhuǎn)速)穩(wěn)定時(shí)，下降段通常具有良好的線性，其斜率的絕對(duì)值即可認(rèn)為等于供料器的供料速率。因此，對(duì)中間倉(cāng)重量曲線分析的重點(diǎn)是識(shí)別其上升段和下降段。

圖1 中間倉(cāng)重量曲線示例

1.2 中間倉(cāng)重量曲線上升段與下降段的識(shí)別

上升段和下降段識(shí)別的難點(diǎn)之一來(lái)自于重量信號(hào)的非單調(diào)變化性。在下降段/上升段，重量仍存在短時(shí)回升/下降的情況(參考圖1)。在兩階段轉(zhuǎn)換的區(qū)域即曲線的“峰”和“谷”處也不存在單一的極大值或極小值。直觀來(lái)看，總體上呈現(xiàn)“三角波”形狀的重量曲線實(shí)際疊加了高頻的小幅波動(dòng)。此類波動(dòng)對(duì)曲線的總體趨勢(shì)特征(如斜率)影響較弱，可以通過(guò)濾波、平滑等數(shù)值手段，將細(xì)節(jié)特征“抹去”，而只保留主要趨勢(shì)。

采用Savitzky-Golay濾波器[9]對(duì)重量曲線進(jìn)行平滑濾波。Savitzky-Golay濾波器在時(shí)序數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用廣泛，對(duì)于等時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)，它對(duì)窗口寬度(即數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量)為W(取奇數(shù)值)的1段數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并在該窗口的中間點(diǎn)上求取估計(jì)值作為數(shù)據(jù)平滑的結(jié)果，逐點(diǎn)移動(dòng)該窗口并重復(fù)上述過(guò)程，即可得到平滑后的曲線數(shù)據(jù)。Savitzky-Golay濾波器的核心參數(shù)是窗口寬度W和多項(xiàng)式的次數(shù)N(≤W-1)。濾波的目的是使重量曲線的峰和谷容易識(shí)別，因此平滑后只需體現(xiàn)曲線的主要趨勢(shì)。為此，W可取補(bǔ)料周期的1/2左右，N則取2(即采用二次多項(xiàng)式擬合)。經(jīng)過(guò)濾波后，原本呈現(xiàn)帶高頻波動(dòng)的類似三角波的曲線就變成了光滑的類似正弦波的曲線，相應(yīng)地其上升段和下降段均呈現(xiàn)單調(diào)變化特征。對(duì)濾波后的曲線上的點(diǎn)取右導(dǎo)數(shù)，右導(dǎo)數(shù)為正值的屬于上升段，為負(fù)值的則屬于下降段。

1.3 供料速率與供料特性曲線的計(jì)算方法

在識(shí)別出下降段后，通過(guò)線性擬合即可得到曲線斜率及擬合可信度R2值。由于下降段的起始和結(jié)束點(diǎn)附近中間倉(cāng)工作狀態(tài)尚不穩(wěn)定，因此通常會(huì)對(duì)識(shí)別出的下降段“掐頭去尾”(一般舍去前后各10%時(shí)間長(zhǎng)度的數(shù)據(jù))后再進(jìn)行擬合。R2值足夠大時(shí)認(rèn)為識(shí)別和擬合結(jié)果可靠，得到1組[供料器頻率，供料速率]數(shù)據(jù)。由于鍋爐一般會(huì)階段性進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，并在一些供料器頻率工況點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行1段時(shí)間，因此重復(fù)前述分析過(guò)程即可得到供料器頻率運(yùn)行范圍上的1系列的[供料器頻率，供料速率]數(shù)據(jù)點(diǎn)。

對(duì)近期一定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)(如數(shù)天至數(shù)周)內(nèi)的前述數(shù)據(jù)點(diǎn)，按照預(yù)設(shè)的近似關(guān)系式(如二次多項(xiàng)式)進(jìn)行擬合，即可得到所謂的供料特性曲線。對(duì)于同一個(gè)供料器頻率，運(yùn)行工況內(nèi)一般存在反復(fù)的“上料循環(huán)”，因此會(huì)得到同一頻率下的多個(gè)供料速率計(jì)算值，從而可以用來(lái)估算供料速率的標(biāo)準(zhǔn)差。獲得供料特性曲線之后，就可以對(duì)供料器頻率和供料速率進(jìn)行相互折算，例如可以根據(jù)鍋爐負(fù)荷目標(biāo)值要求的煤粉供料速率折算對(duì)應(yīng)的供料器頻率值，作為供料器的轉(zhuǎn)速設(shè)定。

2 供料系統(tǒng)數(shù)字化的方法與實(shí)踐

供料系統(tǒng)的數(shù)字化，就是利用數(shù)字化手段對(duì)前述機(jī)理分析過(guò)程和算法原理進(jìn)行實(shí)現(xiàn)并達(dá)到工程應(yīng)用程度的過(guò)程。利用DT(Data Technology，數(shù)據(jù)技術(shù))進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析實(shí)現(xiàn)設(shè)備特性的量化表征，再結(jié)合OT(Operation Technology，運(yùn)行操作技術(shù))進(jìn)行控制優(yōu)化，即可實(shí)現(xiàn)供料系統(tǒng)的裝備數(shù)字化。

2.1 總體技術(shù)架構(gòu)

現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中，供料系統(tǒng)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)被控制端(PLC或DCS)采集，控制端接收運(yùn)行人員從操作員站給出的控制指令設(shè)定供料器頻率，其功能和架構(gòu)設(shè)計(jì)是面向生產(chǎn)和設(shè)備控制的，并不太適合面向數(shù)據(jù)密集計(jì)算和智能控制的場(chǎng)景。因此，需進(jìn)行必要的架構(gòu)升級(jí)和調(diào)整。

總體技術(shù)架構(gòu)和工作流程如圖2所示，在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加PC端(相當(dāng)于邊緣計(jì)算設(shè)備)，其上部署數(shù)據(jù)接口程序、數(shù)據(jù)分析程序、數(shù)據(jù)可視化服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)接口程序從控制端讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)中;數(shù)據(jù)分析程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)及必要的其它數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并將中間和結(jié)果數(shù)據(jù)再寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)(如供料器的供料特性曲線數(shù)據(jù))被數(shù)據(jù)接口程序讀取并發(fā)送至控制端;數(shù)據(jù)可視化服務(wù)程序即圖形展示的后端服務(wù)程序，負(fù)責(zé)提供Web網(wǎng)頁(yè)服務(wù)，將運(yùn)行數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析程序的輸出結(jié)果等以圖、表的形式進(jìn)行組織和渲染，用戶可從交互終端使用瀏覽器訪問(wèn)。

圖2 總體技術(shù)架構(gòu)和工作流程

2.2 PC端與控制端的通信和數(shù)據(jù)傳輸

完整的技術(shù)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證工作針對(duì)某采用西門子S7 300 PLC作為主控制器、配備單套帶中間倉(cāng)稱重、使用雙鎖氣閥式供料器的工業(yè)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行。由于該生產(chǎn)單元沒(méi)有配置OPC系統(tǒng)，因此PC端將直接部署在生產(chǎn)控制側(cè)，與PLC處于同一局域網(wǎng)內(nèi)。對(duì)于西門子S7系列PLC來(lái)說(shuō)，與其通信的最佳方式之一是采用基于以太網(wǎng)的S7通信[10]，也可采用通用性更強(qiáng)(也適用于DCS)的基于RS485接口的Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行通信，當(dāng)前工作采用了前者。

2.3 PC端的程序架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字化的主要開(kāi)發(fā)工作位于PC端上。如前所述，PC端的主要功能模塊包括3部分:數(shù)據(jù)接口程序、數(shù)據(jù)分析程序、數(shù)據(jù)可視化服務(wù)程序。所有程序均采用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

數(shù)據(jù)接口程序以一定的時(shí)間間隔(一般為1 s)從控制端讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供數(shù)據(jù)分析程序和數(shù)據(jù)可視化服務(wù)程序使用。數(shù)據(jù)接口程序采用Python的snap7模塊實(shí)現(xiàn)與S7 300 PLC的S7通信。由于取數(shù)間隔短，并需持續(xù)存儲(chǔ)(盡可能保存至少2個(gè)供暖季的數(shù)據(jù))，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的適配選型，候選對(duì)象包括SQLite[11]、MySQL[12]、HBase[13]、TDengine等?；贖adoop的HBase數(shù)據(jù)庫(kù)，其架構(gòu)較“重”，部署和運(yùn)維難度大[14]。傳統(tǒng)的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，部署和運(yùn)維的難度低于HBase，但仍復(fù)雜于SQLite。國(guó)內(nèi)開(kāi)源的TDengine數(shù)據(jù)庫(kù)由于針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)做了專門優(yōu)化，已經(jīng)成為大規(guī)模時(shí)序數(shù)據(jù)存取服務(wù)的最佳選擇之一，然而TDengine尚僅支持Linux操作系統(tǒng)[15]，與當(dāng)前工作程序開(kāi)發(fā)基于的Windows環(huán)境不一致，需要增加額外的計(jì)算機(jī)或采用虛擬機(jī)才能部署。SQLite屬于文件式數(shù)據(jù)庫(kù)，完全無(wú)需安裝，數(shù)據(jù)庫(kù)可與普通文件一樣進(jìn)行拷貝和遷移，且雖屬于傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)但經(jīng)試驗(yàn)其讀寫性能可滿足當(dāng)前工作需要，因此最終選擇SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。無(wú)論是Python中的sqlite3模塊還是Pandas庫(kù)中DataFrame對(duì)象的內(nèi)建函數(shù)，都提供了與SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互的便捷操作接口。

數(shù)據(jù)分析程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中按照需要讀取數(shù)據(jù)(包括數(shù)據(jù)接口程序從控制端取來(lái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析程序本身輸出的歷史數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果)，進(jìn)行處理、分析、計(jì)算后，將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的表里。中間倉(cāng)重量曲線上升段和下降段的識(shí)別，供料速率、供料特性曲線的計(jì)算、擬合和插值等計(jì)算工作均是在數(shù)據(jù)分析程序中完成的。前文所述Savitzky-Golay濾波器在Python的SciPy庫(kù)中有函數(shù)實(shí)現(xiàn)，可直接調(diào)用。

數(shù)據(jù)可視化服務(wù)程序是“人機(jī)交互”的后臺(tái)，而人機(jī)的可視化交互是將大數(shù)據(jù)價(jià)值進(jìn)行充分展示和挖掘的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)維度及呈現(xiàn)形式對(duì)可視化手段提出了較高的要求。目前基于B/S和Web顯示技術(shù)的架構(gòu)已經(jīng)成為主流，其具有跨平臺(tái)(Windows/Linux/Android/iOS等操作系統(tǒng)，PC/平板/智能手機(jī)/智能電視等終端設(shè)備)、分布式訪問(wèn)等特性。本工作的數(shù)據(jù)可視化服務(wù)程序采用Plotly.js可視化庫(kù)在Python下的實(shí)現(xiàn)即plotly/Dash[16]模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)是完全采用Python語(yǔ)言即可完成Web服務(wù)程序的“全?！遍_(kāi)發(fā)，而且在科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化方面功能豐富強(qiáng)大。此類“以后端的方式去寫前端”的方式不是IT行業(yè)主流的開(kāi)發(fā)模式，沒(méi)有細(xì)化的專業(yè)分工，開(kāi)發(fā)過(guò)程中的直觀性也不夠強(qiáng)，但在單類專業(yè)裝備的數(shù)字化方面具有軟件開(kāi)發(fā)人力和專業(yè)資源需求少、開(kāi)發(fā)定制靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不失為小規(guī)模、個(gè)性化、專業(yè)和科學(xué)性強(qiáng)的場(chǎng)景下的較優(yōu)開(kāi)發(fā)模式。

2.4 硬件實(shí)現(xiàn)與部署

將PC及其他輔助設(shè)備(如交換機(jī)、電源)集成在“智能控制柜”中，部署于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)物如圖3所示。PC采用觸摸屏一體式工控機(jī)，其配置如下:15.6寸寬屏(電容多點(diǎn)觸摸屏，1 920×1 080分辨率)，Intel Atom E3845、8G內(nèi)存、128G SSD硬盤，雙千兆網(wǎng)口。工控機(jī)運(yùn)行Windows 7 64位操作系統(tǒng)，Python內(nèi)核版本為3.8，運(yùn)行環(huán)境基于Anaconda 32位。需要說(shuō)明的是，由于考慮了對(duì)供料系統(tǒng)的測(cè)控功能進(jìn)一步升級(jí)的需要，智能控制柜還額外集成了副PLC和HMI，因此更宜以控制柜的形式部署在供料系統(tǒng)就地。若僅考慮當(dāng)前范圍內(nèi)的工作需要，則不必整體集成在控制柜中，而是可以采用更高配置的工作站或服務(wù)器作為PC主機(jī)并部署在電子間或機(jī)房，生產(chǎn)和運(yùn)行人員通過(guò)其辦公電腦即可訪問(wèn)Web交互界面。

圖3 智能控制柜現(xiàn)場(chǎng)部署實(shí)況

2.5 控制端的供料器控制模式和功能升級(jí)

為便于程序處理和使用，供料特性曲線采用離散數(shù)據(jù)(而不是解析形式)進(jìn)行表達(dá)和存儲(chǔ)。驅(qū)動(dòng)供料器電機(jī)的變頻器工作在工頻即[0,50 Hz]范圍內(nèi)，考慮到供料特性曲線通常是比較平滑無(wú)突變的，因此以2 Hz為間隔，即在0,2,4,…,48,50 Hz共26個(gè)頻率的離散點(diǎn)上給出對(duì)應(yīng)的供料速率，形成1個(gè)[供料器頻率,供料速率]的26×2的二維數(shù)組。PC端分別將數(shù)組的2列內(nèi)容發(fā)送至PLC，PLC將其存儲(chǔ)在專門的數(shù)據(jù)塊中。由此控制端也就建立了供料器頻率與供料速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在PLC中編寫和下裝線性插值程序，便可根據(jù)供料器頻率求取對(duì)應(yīng)的供料速率，反之亦然。

進(jìn)一步地，對(duì)控制端進(jìn)行編程組態(tài)升級(jí)。一方面，在傳統(tǒng)的直接控制供料器頻率的“頻率控制模式”的基礎(chǔ)上，新增“速率控制模式”，允許運(yùn)行人員直接設(shè)定目標(biāo)供料速率值，PLC內(nèi)運(yùn)行的前述插值程序計(jì)算其對(duì)應(yīng)的供料器頻率并作為設(shè)定值發(fā)送給驅(qū)動(dòng)供料器電機(jī)的變頻器。另一方面，2種控制模式下，PLC程序均根據(jù)供料器頻率反饋值折算供料速率，并進(jìn)行累計(jì)，在運(yùn)行控制界面上給出燃料實(shí)時(shí)和累計(jì)耗量。

3 討論和分析

3.1 運(yùn)行及分析結(jié)果的可視化輸出與交互

數(shù)據(jù)可視化的主界面如圖4所示，由于需要顯示的曲線和圖表較多，故圖中內(nèi)容在1 080P(即1 920×1 080)的分辨率下實(shí)際分成了上下共2屏，下面對(duì)圖形界面的主要內(nèi)容和功能做簡(jiǎn)要介紹，細(xì)節(jié)內(nèi)容不做贅述。

圖4 數(shù)據(jù)可視化程序Web交互界面示例

圖形界面上部顯示了運(yùn)行數(shù)據(jù)最新時(shí)刻及相應(yīng)的鍋爐運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)(蒸汽溫度、壓力和流量)。第1排左圖給出了中間倉(cāng)重量(綠線)和供料器頻率(橙線)隨時(shí)間的變化曲線，數(shù)據(jù)分析程序識(shí)別出的直線擬合R2高于一定下限值的上升段(紅色虛線)和下降段(藍(lán)色虛線)，可直觀監(jiān)視中間倉(cāng)重量的時(shí)間演變及數(shù)據(jù)分析程序的分段識(shí)別和直線擬合情況。右圖給出了供料特性曲線和歷史下降段斜率絕對(duì)值(供料速率)的散點(diǎn)值，其中供料曲線的綠色段為“可信段”，代表歷史供料速率散點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的供料器頻率的覆蓋范圍，藍(lán)色線為曲線的外延段，由于“外延”(外插)數(shù)據(jù)可信度的確定性通常不高，故該段數(shù)據(jù)不在生產(chǎn)控制中采用。

第2排左圖給出了1段時(shí)期內(nèi)的供料特性曲線的演變情況，而右圖可稱為三維供料特性曲線，相當(dāng)于將左圖沿時(shí)間軸三維化，該三維圖可旋轉(zhuǎn)、縮放，便于觀察供料特性的時(shí)間變化，可直觀反映供料特性因供料系統(tǒng)自身?xiàng)l件(如供料器葉輪磨損)或外部條件(如煤粉流動(dòng)特性)而發(fā)生的改變。

第3排左圖是近期供料器頻率的分布直方圖，可反映供料器及鍋爐的工作負(fù)荷高低和負(fù)荷分布情況。右圖是近期各下降段對(duì)應(yīng)的供料速率及供料器頻率的時(shí)序變化曲線。該圖可用來(lái)觀察穩(wěn)定供料器頻率下供料速率的波動(dòng)情況，以及供料器頻率變化時(shí)供料速率的跟隨變化趨勢(shì)。連續(xù)或鄰近時(shí)間段內(nèi)同一供料器頻率下供料速率的波動(dòng)范圍越窄，說(shuō)明供料越穩(wěn)定且中間倉(cāng)稱重結(jié)果較為可靠。

第4排左圖相當(dāng)于第1排右圖的散點(diǎn)數(shù)據(jù)的細(xì)化展現(xiàn)，圖中給出了中間倉(cāng)重量曲線上升段斜率(y=0軸上方散點(diǎn))和下降段(y=0軸下方散點(diǎn))的斜率，主要用來(lái)觀察斜率值隨時(shí)間的變化情況。右圖給出了供料器每日的燃料供應(yīng)量數(shù)據(jù)表，并允許按時(shí)間跨度進(jìn)行查詢和將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為表格文件，方便人員進(jìn)行燃料統(tǒng)計(jì)。

得益于所采用的數(shù)據(jù)可視化軟件框架，界面中的曲線圖形均支持平移、局部放大/縮小等多種鼠標(biāo)及觸控操作，可實(shí)現(xiàn)直觀、靈活的人機(jī)交互。該圖形界面的展示和交互內(nèi)容首先以滿足生產(chǎn)運(yùn)行人員的使用為目標(biāo)，保證直觀性和易用性，其次還考慮對(duì)供料系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)、深入的數(shù)據(jù)分析和挖掘等數(shù)字化研發(fā)工作的需要，給出粒度更細(xì)、專業(yè)性更強(qiáng)的展示和交互功能(如第3排右圖和第4排左圖)。

3.2 控制端的運(yùn)行控制模式升級(jí)

根據(jù)2.5節(jié)所述的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行編程組態(tài)，升級(jí)后的供料器運(yùn)行控制界面如圖5所示。考慮到司爐人員設(shè)定供料器運(yùn)行參數(shù)的習(xí)慣需逐漸改變，控制界面上同時(shí)提供“速率模式”和“頻率模式”2種控制方式，并允許進(jìn)行模式切換。2種模式相互切換時(shí)，供料器頻率設(shè)定值保持不變，因此不會(huì)對(duì)供料器和鍋爐運(yùn)行造成任何擾動(dòng)。

圖5 升級(jí)后的供料器運(yùn)行控制界面

3.3 供料特性的數(shù)據(jù)挖掘與初步分析

利用數(shù)字化技術(shù)將某類裝備賦予數(shù)字屬性、使其逐步具備“靈魂”，是裝備數(shù)字化的開(kāi)端、破局之作，但非全部?jī)?nèi)涵。在獲得設(shè)備或工藝系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)乃至二次加工數(shù)據(jù)之后，還需對(duì)個(gè)體特征進(jìn)行深度分析，對(duì)同類裝備進(jìn)行群集分析、“畫像”和對(duì)比對(duì)標(biāo)，并從中獲得對(duì)裝備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行控制、檢修維護(hù)等方面的改進(jìn)指導(dǎo)和策略，才能將數(shù)字價(jià)值最大化。

筆者工作開(kāi)發(fā)的供料系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析程序除前述的部署于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)并連續(xù)在線運(yùn)行的方式外，還可用于對(duì)從控制系統(tǒng)導(dǎo)出的供料系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。除時(shí)效性外，在線與離線分析的過(guò)程和數(shù)據(jù)輸出無(wú)異。離線分析具有硬件投資少、實(shí)施周期短的優(yōu)點(diǎn)，在大范圍的現(xiàn)場(chǎng)裝備數(shù)字化升級(jí)之前，也是挖掘數(shù)字價(jià)值、推進(jìn)數(shù)字化升級(jí)的有力措施。

通過(guò)在線和離線方式對(duì)B供熱站2臺(tái)蒸汽鍋爐和J供熱站2臺(tái)熱水鍋爐各自的供料系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，供料特性曲線如圖6～圖9所示(為便于進(jìn)行原始對(duì)比，圖中給出了散點(diǎn)數(shù)據(jù)而沒(méi)有給出擬合曲線)。B供熱站2號(hào)爐和6號(hào)爐額定蒸發(fā)量分別為20 t/h和40 t/h，采用單燃燒器和單供料系統(tǒng)。J供熱站1號(hào)和2號(hào)爐為同型號(hào)鍋爐系統(tǒng)，單爐額定熱負(fù)荷均為70 MW，采用雙燃燒器和雙供料系統(tǒng)(內(nèi)部編號(hào)為A和B)。

圖6 B供熱站2號(hào)爐和6號(hào)爐供料特性曲線

圖7 J1A和J1B供料系統(tǒng)供料特性曲線

圖8 J1A和J1B供料系統(tǒng)供料特性數(shù)據(jù)對(duì)比

圖9 J2A和J2B供料系統(tǒng)供料特性數(shù)據(jù)

B供熱站數(shù)據(jù)如圖6所示。B2和B6供料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度分別約為近3個(gè)月和近2個(gè)月，供料特性隨運(yùn)行時(shí)間均基本未發(fā)生變化。隨供料器頻率增大，B2供料特性曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，B6則基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。從2套供料系統(tǒng)各自整個(gè)時(shí)段的供料特性曲線的誤差線(數(shù)值采用原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差)來(lái)看，B2的1個(gè)比較顯著的特征是其供料速率分布范圍較窄(數(shù)據(jù)較“集中”)，尤其是較低供料器頻率下，而B(niǎo)6供料器在整個(gè)供料器頻率區(qū)間內(nèi)的供料速率分布范圍都較寬(數(shù)據(jù)較“散”)?！袄硐搿钡墓┝舷到y(tǒng)其供料速率應(yīng)當(dāng)與供料器頻率一一對(duì)應(yīng)。從此方面來(lái)說(shuō)，B2供料系統(tǒng)表現(xiàn)較好，B6則表現(xiàn)稍差，其原因既可能是B6系統(tǒng)本身供料不穩(wěn)，在同樣的供料器頻率下其供料速率時(shí)高時(shí)低、波動(dòng)較大，也可能是中間倉(cāng)稱重誤差較大或不穩(wěn)定所致，亦或是多種因素的疊加。

J供熱站J1A、J1B供料系統(tǒng)的供料特性數(shù)據(jù)如圖7所示。數(shù)據(jù)跨2個(gè)供暖季，供料特性曲線逐月給出。從圖中可以看出，J1A和J1B供料系統(tǒng)的供料特性與時(shí)間(月份)基本無(wú)關(guān)，意味著設(shè)備工作輸出比較穩(wěn)定。圖示供料器工作頻率區(qū)間內(nèi)，供料速率隨供料器頻率基本呈線性變化，旋轉(zhuǎn)鎖氣閥供料器在較高頻率時(shí)常出現(xiàn)的供料速率“飽和”現(xiàn)象[2]尚不明顯。2021年11月至2022年2月期間的J1A和J1B供料特性曲線的對(duì)比如圖8所示，同頻率下的J1B的供料速率比J1A略高，意味著若二者工作在相同頻率下，則爐膛內(nèi)將出現(xiàn)偏燒現(xiàn)象。對(duì)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，司爐人員總是習(xí)慣性保持同時(shí)刻J1B的供料器頻率設(shè)定略低于J1A，說(shuō)明雖然此前運(yùn)行人員并不掌握供料特性曲線，但從生產(chǎn)實(shí)踐中也已間接(例如通過(guò)對(duì)比爐膛兩側(cè)煙溫)發(fā)現(xiàn)了2套供料系統(tǒng)的性能差異。在掌握了各供料系統(tǒng)的量化特性后，就無(wú)需過(guò)多依賴司爐人員的經(jīng)驗(yàn)積累和專業(yè)能力即可做出運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整，且及時(shí)性和精準(zhǔn)性將大幅提高。

J2A和J2B的逐月的供料特性曲線如圖9所示。與J1A和J1B不同，其不同月份的供料特性存在較大的“漂移”，說(shuō)明供料系統(tǒng)工作不夠穩(wěn)定。月度平均的供料特性曲線隨時(shí)間尚有較為明顯的差異，則在更短的時(shí)間周期上差異和變化將更為顯著。可結(jié)合對(duì)反映鍋爐燃燒穩(wěn)定性的運(yùn)行參數(shù)(如煙氣氧量、爐膛負(fù)壓)的分析，輔助判斷前述異常確由供料速率波動(dòng)大所致，還是僅因中間倉(cāng)稱重模塊工作不正常導(dǎo)致的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大引起。無(wú)論如何，J供熱站同型號(hào)、同期投運(yùn)的1號(hào)爐與2號(hào)爐的供料系統(tǒng)之間的對(duì)比差異都表明有必要對(duì)后者進(jìn)行診斷和改進(jìn)。在裝備數(shù)字化升級(jí)之前，問(wèn)題尚難發(fā)現(xiàn)和定位，針對(duì)性的檢修維護(hù)和技術(shù)改進(jìn)工作也就更難開(kāi)展。

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合機(jī)理分析和數(shù)字化技術(shù)，提出了煤粉工業(yè)鍋爐供料系統(tǒng)數(shù)字化升級(jí)的著手點(diǎn)和技術(shù)解決方案，自主開(kāi)發(fā)了核心算法和程序，進(jìn)行了軟硬件系統(tǒng)整合，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的工業(yè)鍋爐系統(tǒng)上進(jìn)行了示范應(yīng)用。

(2)通過(guò)對(duì)中間倉(cāng)重量曲線的識(shí)別和分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供料速率的在線計(jì)算和監(jiān)視，并根據(jù)供料器在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，得到了供料速率隨供料器頻率的變化關(guān)系(供料特性曲線)，據(jù)此進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)直接根據(jù)供料速率設(shè)定值對(duì)供料器轉(zhuǎn)速進(jìn)行自適應(yīng)控制的“本征”控制模式。

(3)對(duì)多臺(tái)工業(yè)鍋爐的多套供料系統(tǒng)進(jìn)行供料特性分析，發(fā)現(xiàn)不同供料系統(tǒng)的供料特性曲線在趨勢(shì)、供料速率分散性、隨時(shí)間變化特征等方面存在個(gè)體化差異，部分個(gè)體可能存在設(shè)備或測(cè)量方面的缺陷或異常，此些初步的分析和對(duì)比工作揭示了數(shù)字化升級(jí)之前無(wú)法或難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和規(guī)律，證明了供料系統(tǒng)數(shù)字化是必要的且有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

(4)當(dāng)前工作在煤粉工業(yè)鍋爐供料系統(tǒng)上基本實(shí)現(xiàn)了從“0”到“1”的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，但在數(shù)字化升級(jí)和數(shù)據(jù)價(jià)值的挖掘利用方面僅是開(kāi)端。一方面，未來(lái)應(yīng)根據(jù)供料系統(tǒng)的工作原理和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步挖掘核心算法和應(yīng)用場(chǎng)景，例如探索利用一次風(fēng)壓力與供料速率的關(guān)聯(lián)關(guān)系和隨動(dòng)規(guī)律，在中間倉(cāng)重量數(shù)據(jù)之外提供對(duì)供料速率進(jìn)行計(jì)算和監(jiān)測(cè)的另1種維度和手段，并利用一次風(fēng)壓力響應(yīng)快的特點(diǎn)嘗試對(duì)供料器控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，平抑供料速率的短時(shí)波動(dòng)，使供料更平穩(wěn)。另一方面，應(yīng)逐步擴(kuò)大供料系統(tǒng)數(shù)字化升級(jí)的應(yīng)用范圍并物聯(lián)網(wǎng)化，對(duì)大范圍的個(gè)體裝備進(jìn)行群集“畫像”和對(duì)標(biāo)分析，通過(guò)特征歸納、全生命周期溯源、實(shí)際檢修診斷和改造試驗(yàn)等手段，理清裝備性能的數(shù)字化表征與設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行控制、檢修維護(hù)之間的因果關(guān)系，尤其是固化優(yōu)勢(shì)點(diǎn)、消除劣勢(shì)點(diǎn)，借助數(shù)字化的推動(dòng)使供料系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化水平上1個(gè)新的臺(tái)階。最后，由于煤粉供料系統(tǒng)是為鍋爐燃燒服務(wù)的，因此其數(shù)字化場(chǎng)景還可向燃燒診斷延伸，通過(guò)對(duì)上游(供料系統(tǒng))和下游(鍋爐燃燒)運(yùn)行特征和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、因果分析，甄別因或非因供料引起的燃燒效果欠佳(如氧量和負(fù)壓波動(dòng)大、燃盡率低)，以便準(zhǔn)確進(jìn)行問(wèn)題定位和針對(duì)性改進(jìn)，從而進(jìn)一步豐富了供料系統(tǒng)數(shù)字化升級(jí)的價(jià)值內(nèi)涵。