基于ICMMS架構(gòu)的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組分布式智能控制系統(tǒng)

周洪生，王 樊，郭軍建，劉經(jīng)邦，袁鳴浩

基于ICMMS架構(gòu)的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組分布式智能控制系統(tǒng)

周洪生，王 樊，郭軍建，劉經(jīng)邦，袁鳴浩

（襄陽中車電機(jī)技術(shù)有限公司，湖北 襄陽 441047）

以汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，基于ICMMS系統(tǒng)架構(gòu)，將分布式計(jì)算思想和現(xiàn)場總線技術(shù)相融合，綜合運(yùn)用人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制、專家診斷系統(tǒng)、自適應(yīng)控制等技術(shù)，構(gòu)成分布式智能控制系統(tǒng)．并以河南駐馬店某秸稈發(fā)電項(xiàng)目為例，與傳統(tǒng)的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)進(jìn)行從智能、環(huán)保、節(jié)能、穩(wěn)定性等進(jìn)行比較．結(jié)果表明：該系統(tǒng)提升了汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的蒸汽流通和余熱余壓回收能力，提高了穩(wěn)定性及發(fā)電效率，滿足節(jié)能環(huán)保要求，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)式的經(jīng)濟(jì)發(fā)展．

ICMMS；分布式智能控制系統(tǒng)；汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組；余熱余壓

國家工信部對(duì)外公布的《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》明確指出，“十二五”期間，各級(jí)政府將在鋼鐵、玻璃、有色金屬、化工、建材等余熱余壓資源豐富行業(yè)，全面推廣余熱余壓回收利用技術(shù)，推進(jìn)低品質(zhì)熱源的回收利用，形成能源的梯級(jí)綜合利用，節(jié)能減排已成為發(fā)展趨勢，余熱余壓和生物能的充分利用至關(guān)重要．汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，存在氣壓和熱量不穩(wěn)定，隨生產(chǎn)過程波動(dòng)比較大，因此對(duì)其提出了更高的要求．

分布式智能控制系統(tǒng)是21世紀(jì)的新型控制系統(tǒng)．隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)企業(yè)控制系統(tǒng)從20世紀(jì)80年代的集散式控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）、90年代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（fieldbus control sys?tem），發(fā)展到智能控制—維護(hù)—管理集成系統(tǒng)ICMMS（intelligent control maintenance and technical management system）［1］．ICMMS主要針對(duì)工業(yè)中的控制、維護(hù)、管理3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，運(yùn)用FCS現(xiàn)場總線技術(shù)將現(xiàn)場智能執(zhí)行設(shè)備與智能傳感器連接起來，同時(shí)綜合運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及管理技術(shù)，將控制、維護(hù)、管理3個(gè)領(lǐng)域集成一個(gè)系統(tǒng)，形成有機(jī)整體，從而優(yōu)化了汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)．因此，ICMMS是比較先進(jìn)、有效、節(jié)能環(huán)保的控制方式．目前分布式智能控制系統(tǒng)，主要分為控制、維護(hù)、管理三個(gè)方面，但這三個(gè)方面發(fā)展不平衡，控制方面發(fā)展相對(duì)成熟，維護(hù)和管理方面發(fā)展相對(duì)薄弱．這就導(dǎo)致控制、維護(hù)、管理3個(gè)方面基本互為獨(dú)立，形成自動(dòng)化信息孤島，沒有有效“互聯(lián)互通”，缺乏信息交換［2］．同時(shí)系統(tǒng)的智能性、開放性不強(qiáng)，因而系統(tǒng)不靈活，使用周期不長，不同廠家的系統(tǒng)缺乏兼容性和維護(hù)性，使用戶難以更新系統(tǒng)，造成巨大浪費(fèi)．當(dāng)前汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組普遍采用的這種系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)都是相對(duì)獨(dú)立控制，只能進(jìn)行過程控制，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不具備智能故障診斷、智能管理維護(hù)、智能控制等功能，尤其是不能滿足余熱余壓或生物質(zhì)發(fā)電這種波動(dòng)性很大的應(yīng)用工況．

本文研究以汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，在現(xiàn)場智能執(zhí)行器和智能傳感器基礎(chǔ)上，提出基于ICMMS系統(tǒng)架構(gòu)的分布式智能控制方法，將分布式計(jì)算的思想和現(xiàn)場總線技術(shù)相融合，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制、專家診斷系統(tǒng)、自適應(yīng)控制等技術(shù)，構(gòu)成分布式智能控制系統(tǒng)．同時(shí)兼顧維護(hù)和管理，對(duì)整個(gè)機(jī)組的技術(shù)性能、效率、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面統(tǒng)一處理．以河南駐馬店某秸稈發(fā)電項(xiàng)目與傳統(tǒng)的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)從智能、環(huán)保、節(jié)能、穩(wěn)定性等進(jìn)行比較．

1 分布式智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究對(duì)象即汽輪機(jī)的發(fā)電機(jī)類型為無刷同步發(fā)電機(jī)，其電氣系統(tǒng)主要包含高低壓配電系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、同期并網(wǎng)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、TSI測量監(jiān)控系統(tǒng)等．

1．1 系統(tǒng)總架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由智能化自動(dòng)診斷系統(tǒng)、智能化數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能化管理系統(tǒng)4部分組成．智能化數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，負(fù)責(zé)機(jī)組系統(tǒng)溫度、壓力、流量、振動(dòng)、電流、電壓等數(shù)據(jù)信號(hào)的采集，同時(shí)分析數(shù)據(jù)，保證其反饋的數(shù)據(jù)真實(shí)、實(shí)時(shí)、連續(xù)、誤差可控制性，所有數(shù)據(jù)都采用數(shù)字信號(hào)．智能化自動(dòng)診斷系統(tǒng)向數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)，進(jìn)行診斷分析，對(duì)出現(xiàn)的故障，給出解決方案．智能化控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)組每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制，反饋實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)．智能化管理系統(tǒng)主要任務(wù)是進(jìn)行運(yùn)營管理，對(duì)各種數(shù)據(jù)分析匯總，計(jì)算出機(jī)組運(yùn)行最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案，自動(dòng)下達(dá)到控制系統(tǒng)，同時(shí)自動(dòng)生成各種數(shù)據(jù)報(bào)表，通過網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)ERP系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)反饋到企業(yè)管理人員［3］．系統(tǒng)總架構(gòu)如圖1所示，其硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2．

圖1 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組分布式智能控制軟件系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組分布式智能控制硬件系統(tǒng)架構(gòu)

1．2 智能化數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

智能化數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)是物理量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換的重要通道，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理功能，并與上位機(jī)管理系統(tǒng)通信，滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與智能控制要求，保證測量數(shù)據(jù)的真實(shí)、實(shí)時(shí)、連續(xù)、誤差可控［4］．其組成包括大量精密傳感器、信號(hào)調(diào)理預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析與通信系統(tǒng)（如圖3所示）．

對(duì)于工業(yè)流程控制等分布式控制對(duì)象，需要有多至數(shù)百個(gè)傳感器，信息量巨大，如涉及到蒸汽壓力、流量的檢測，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度，推力軸瓦、發(fā)電機(jī)軸承溫度、振動(dòng)等多種類型重要參數(shù)．需要針對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組各重要功能系統(tǒng)配備專用的數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)大量傳感器信號(hào)進(jìn)行采集與預(yù)處理．并且工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，電磁沖擊、物理化學(xué)變化量大，因此還需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除掉外界干擾變量，提高控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性．

系統(tǒng)要采集的電氣設(shè)備包括高壓進(jìn)線柜、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變頻器、勵(lì)磁系統(tǒng)柜、綜保柜、自動(dòng)同期柜，采集數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，可以直接顯示或按要求進(jìn)行分析計(jì)算后顯示，如總系統(tǒng)功率、負(fù)荷浮動(dòng)范圍、功率因數(shù)上下限等．

圖3 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要構(gòu)架

1．3 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)是多種控制策略的集合，通過智能計(jì)算、反饋、再調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行．是具有控制問題求解機(jī)理的綜合管理系統(tǒng)，集合模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法、功率復(fù)合控制方法、自動(dòng)化遠(yuǎn)程遙控等先進(jìn)控制手段，實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的自發(fā)性、自治性和快速反應(yīng)，具有敏捷、靈活與實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)［5］．智能控制系統(tǒng)主要構(gòu)架如圖4．

圖4 智能控制系統(tǒng)主要構(gòu)架

首先，系統(tǒng)不間斷監(jiān)控汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)如蒸汽壓力升高、軸承溫度升高和潤滑油壓力不足等不利變化，可以根據(jù)智能數(shù)據(jù)采集、智能化自動(dòng)診斷系統(tǒng)反饋的信息感知被控對(duì)象的變化，自發(fā)地啟動(dòng)調(diào)節(jié)功能．并且在沒有人工發(fā)起和結(jié)束調(diào)控的情況下，智能控制系統(tǒng)擁有對(duì)自己行為和內(nèi)部狀態(tài)的控制權(quán)，自動(dòng)地調(diào)節(jié)異常參數(shù)回歸到正常范圍．系統(tǒng)同時(shí)根據(jù)測量系統(tǒng)反饋的信號(hào)實(shí)時(shí)改變控制動(dòng)作，提升調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)速度和精準(zhǔn)度．

1．4 智能化管理系統(tǒng)

智能化管理系統(tǒng)主要是管理用戶和設(shè)備信息，對(duì)能耗設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)行進(jìn)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車間、能源參數(shù)、設(shè)備等統(tǒng)計(jì)對(duì)象在任意時(shí)間段內(nèi)（如年、季、月、日）的能耗統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行圖表輸出．

系統(tǒng)需要搭建一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫，建立站點(diǎn)、設(shè)備、計(jì)量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)表，并創(chuàng)建表與表之間的關(guān)系，然后按照內(nèi)置邏輯設(shè)定分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備、計(jì)量數(shù)據(jù)的查詢、增刪改等操作，進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)［6］．所有操作通過觸發(fā)控件事件，在事件里按不同條件情況寫好查詢語句和操作步驟，然后在數(shù)據(jù)庫執(zhí)行查詢計(jì)算、增刪改等操作，并在界面上顯示．該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)備管理、計(jì)量設(shè)備管理、能耗臺(tái)帳、報(bào)表圖表生成等功能．智能化管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示．

圖5 智能化管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖6 智能化自動(dòng)診斷系統(tǒng)架構(gòu)

1．5 智能化自動(dòng)診斷系統(tǒng)

智能化自動(dòng)診斷系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，記錄系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和歷史故障，對(duì)新的可能故障進(jìn)行預(yù)判，提前作出反應(yīng)，同時(shí)尋找故障源給予報(bào)警指示，協(xié)助修復(fù)系統(tǒng)．是分布式智能控制系統(tǒng)的智慧核心［7］．

智能化自動(dòng)診斷系統(tǒng)的架構(gòu)如圖6，主要包括6個(gè)部分：數(shù)據(jù)接口、專家知識(shí)模塊、專家分析模塊、解釋處理、歷史數(shù)據(jù)、對(duì)外接口．系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口模塊接受來自數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)向其它智能模塊傳遞數(shù)據(jù)；并根據(jù)專家知識(shí)模塊儲(chǔ)存的設(shè)備結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)，相關(guān)行業(yè)、國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)系統(tǒng)曾經(jīng)出現(xiàn)的歷史故障或者可能出現(xiàn)的故障作分析記錄，分析每個(gè)故障出現(xiàn)的原因、頻率，可能性大小的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)及是否發(fā)生的充分或必要條件等與設(shè)備相關(guān)的知識(shí)．最后將所有參數(shù)及故障記錄存入歷史數(shù)據(jù)模塊．

診斷系統(tǒng)中，專家分析模塊在歷史數(shù)據(jù)模塊、專家知識(shí)模塊的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用模糊性控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、功率復(fù)合控制等控制算法，盡可能尋找系統(tǒng)產(chǎn)生的故障源，對(duì)故障源產(chǎn)生的原因及未來設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，提出專家解決方案．專家解決方案通過解釋處理模塊，解釋為可執(zhí)行的數(shù)據(jù)和參數(shù)值．通過對(duì)外數(shù)據(jù)模塊將可執(zhí)行的數(shù)據(jù)與參數(shù)值，傳遞到智能管理系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作．

2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

運(yùn)用現(xiàn)場智能傳感器及智能監(jiān)測儀表，將汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的各種參數(shù)，通過現(xiàn)場總線技術(shù)將數(shù)據(jù)集中上傳到共享信息化平臺(tái)，運(yùn)用智能診斷、管理、控制、數(shù)據(jù)采集等專業(yè)分析子系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)共享、分析，形成一個(gè)有機(jī)整體，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率、發(fā)電效率，達(dá)到節(jié)能降耗、降本增效的目的．

該系統(tǒng)應(yīng)用在河南駐馬店某秸稈發(fā)電項(xiàng)目，項(xiàng)目汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1．

表1 項(xiàng)目汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖7 汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)機(jī)組現(xiàn)場實(shí)物圖片

圖8 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組態(tài)界面

本項(xiàng)目中汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)運(yùn)行指標(biāo)（見表2）中，部分指標(biāo)達(dá)到或超過生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［8］要求．

表2 主要技術(shù)指標(biāo)

3 結(jié)語

本文基于ICMMS思想的分布式智能控制汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組系統(tǒng)技術(shù)，將機(jī)組內(nèi)各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，集中又分散，相互協(xié)作，共同完成一個(gè)或者多個(gè)控制任務(wù)的技術(shù)．通過項(xiàng)目的現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，達(dá)到了行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求．

［1］ 周 川，劉 穎．基于TPM和RCM協(xié)同關(guān)系的CMMS系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］．世界科技研究與發(fā)展，2008（6）：735－738．

［2］ 楊勝儀，李業(yè)全．機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)在池潭水電廠的應(yīng)用［J］．電工技術(shù)，2009（1）：39－40．

［3］ 蔣宏圖，袁 越，楊昕霖．智能變電站一體化信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011（8）：131－134．

［4］ 劉亮平．基于以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)智能傳感器研究［J］．信息安全與技術(shù)，2011（8）：25－27．

［5］ 韓金麗．以太網(wǎng)技術(shù)在工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．科技促進(jìn)發(fā)展，2011（S1）：128－129．

［6］ 胡耀軍，劉金云．模糊控制在工業(yè)以太網(wǎng)中的實(shí)現(xiàn)［J］．儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2011（3）：37－38，45．

［7］ 李大中，韓 璞，張瑞祥．生物質(zhì)氣化發(fā)電過程建模與優(yōu)化［J］．節(jié)能技術(shù)，2006（5）：409－414．

［8］ 孫 立，張曉東．生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)化技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

（責(zé)任編輯：饒 超）

TP316．4

A

2095－4476（2017）05－0011－05

2017－02－15；

2017－03－27

周洪生（1985— ），男，四川樂山人，襄陽中車電機(jī)技術(shù)有限公司電氣工程師．