基于ARM的燃煤機組性能在線優(yōu)化解決方案研究

王兆舜 葛舉生

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

關(guān)鍵詞：ARM;燃煤機組;性能分析;優(yōu)化控制

0? ? 引言

傳統(tǒng)燃煤機組自動控制系統(tǒng)在設(shè)計和試驗上大都以機組運行的安全性和穩(wěn)定性為主要目標(biāo)，而對機組運行經(jīng)濟性及優(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]，這就使得機組運行嚴(yán)重偏離設(shè)計工況，也將降低機組運行的經(jīng)濟性。因此，對機組性能進行在線分析，并將性能分析結(jié)果與機組自動控制相結(jié)合，以對控制系統(tǒng)提供合理的、最優(yōu)的修正作用，從而提高機組的運行經(jīng)濟性很有必要，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，并提高機組經(jīng)濟性，而實現(xiàn)機組的性能在線監(jiān)測是實現(xiàn)優(yōu)化控制的依據(jù)和先決條件。

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

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)由上位機和ARM板完成，上位機基于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A。上位機通過UDP協(xié)議與主機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。

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A。上位機負(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。

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)用機組性能模型算法庫，進行圖形化組態(tài)，計算出機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)機組的經(jīng)濟運行。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)庫進行智能化遍歷，采用異步通信方式對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行同步讀出和寫入，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中采集的機組實時運行數(shù)據(jù)，通過OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器進行對接，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? ? 機組性能模型算法庫

燃煤機組熱力系統(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。燃煤機組的熱力過程研究主要包括以下3個方面[5]：

（1）機組熱力性能指標(biāo)分析。根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)分析機組熱經(jīng)濟性指標(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，給機組性能分析造成很大的困難。

利用模塊化建模方法對機組熱力系統(tǒng)進行深入研究和系統(tǒng)綜合，并對其進行合理的模塊化分析，從而建立機組性能模型算法庫。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)，可以計算得到機組的熱力性能指標(biāo)，實時反映機組的運行狀態(tài)，并給出機組運行最佳參數(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)化機組的控制參數(shù)，從而動態(tài)調(diào)整機組給煤量、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，保證機組運行在最佳參數(shù)范圍內(nèi)，進而保證機組運行的經(jīng)濟性。

4? ? 結(jié)語

本文提出了基于ARM的燃煤機組在線性能優(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，建立了機組性能模型算法庫。根據(jù)機組實時運行數(shù)據(jù)，調(diào)用模型算法庫，可以計算機組的主要性能指標(biāo)，并根據(jù)性能計算結(jié)果作用于機組的實時控制，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，在保證機組安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，提高機組的運行經(jīng)濟性。該方案將機組性能在線分析與實時運行控制相結(jié)合，可實現(xiàn)機組性能分析與實時運行的閉環(huán)控制，可為燃煤機組在線優(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。