（控制科学与工程专业论文）水汽热能全流程系统优化调度方案的设计与实施.pdf

： j 学位论文数据集 中图分类号 t p 3 0 2 学科分类号 5 1 0 8 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 7 1 7 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名张蕾学号 2 0 0 7 0 0 0 7 1 7 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码 0 8 1 1 0 0 课题来源自选项目研究方向优化调度与先进控制 论文题目水汽热能全流程系统优化调度方案的设计与实施 关键词 优化，调度，神经网络，p c s 7 ，锅炉 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 6 日 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师吴重光教授北京化工大学 评阅人1楚纪正教授北京化工大学 评阅人2靳其兵教授北京化工大学 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员蝴曹柳林教授北京化工大学 答辩委员l楚纪正教授北京化工大学 答辩委员2刘振娟教授北京化工大学 答辩委员3李大字教授北京化工大学 答辩委员4张金会教授北京化工大学 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 咖43 舢5肌77舢8 iliy r 罐 i1 h，；、气 摘要 水汽热能全流程系统优化调度方案的设计与实施 摘要 工业锅炉作为我国流程工业生产中的重要设备，为下游生产单元提供 满足一定压力和温度要求的过热蒸汽，其控制和优化调度水平关系到企业 生产的经济效益和社会效益，一直备受关注。 在企业中，一般有多台锅炉共同或交替使用，每台锅炉负荷的分配， 以及机组间锅炉的协调配合，是锅炉机组优化调度所要研究的问题之一。 对锅炉机组进行优化调度是企业节约能源，减少排放，优化生产的有效措 施。 同时，锅炉是典型的非线性复杂被控系统，包含多个难控的复杂对象， 这些复杂被控对象的存在，使得锅炉系统的整体控制精度不高，使用传统 p i d 对其进行控制难以取得良好效果，需要探索先进控制方法。 本文通过对复杂对象控制问题和流程工业生产调度问题的研究，提出 了锅炉系统的先进控制方案和锅炉机组的优化调度方案。将神经网络与传 统p i d 控制器相结合，设计了基于神经网络参数在线优化的p i d 控制器。 分别采用数学规划法和基于规则的方法设计了锅炉机组的优化和调度方 案。 最后，本文以水汽热能全流程系统为实验对象，以西门子p c s 7 为控 制工具，使用s c l 语言编写了锅炉机组优化和调度模块，以及神经网络 在线计算模块。设计并实现了锅炉系统的整体控制方案，并在此基础上， 北京化工大学硕士学位论文 热蒸汽压力为被控对象，验证了神经网络p i d 控制器的实施效果。 台锅炉组成的锅炉机组实现了锅炉负荷优化和锅炉机组调度。 实验结果表明，基于神经网络的p i d 控制器具有较强的适应能力， 有大时滞、时变性等复杂特性的被控对象的控制效果良好。采用优化 方案后的锅炉机组，能够实现每台锅炉负荷最优配比，使得锅炉机组 足负荷需求的条件下能源消耗量最小。同时，能够应对机组突发故障 面的变化。 词：优化、调度、神经网络、p c s 7 、锅炉 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t0 fo p t i m i z a t i o na n ds c h e d u l i n g f o rs u _ p e rm u i j i f u n c t i o np r o c e s sc o n t r o lt r a i n i n g s y s t e m a b s t r a c t b o i l e ri st h ef a c i l i t yt h a ts u p p l es u p e r h e a t e ds t e a mo fac e r t a i np r e s s u r e a n dt e m p e r a t l l r e a sa ni i n p o r t a n tf a c i l i t yi np r o c e s si n d u s t r y ，b o i l e r sc o n 细o l ， o p t i m i z a t i o na n ds c h e d u l i n gp r o b l e mi sc o n c e m e d t h ei m p l e m e n t a t i o no f o p t i m i z a t i o na n ds c h e d u l i n go nt h eb o i l e r si sr e l a t e dt oe c o n o m i cb e n e f i t sa n d s o c i a lb e n e f i t so ft h ep l a n t s i n p l a n t s ， s e v e r a l b o i l e r sa r eu s u a l l yu s e dt o g e t h e ro ra l t e m a t i n g ， d i s t r i b u t i o no fe a c hb o i l e r s1 0 a da n dc o o r d i n a t i o no ft h eb o i l e r si sm e p r o b l e m s w h i c h o p t i m i z a t i o n a n d s c h e d u l i n g a r ec o n c e m e d t h e i m p l e m e n t a t i o no fo p t i m i z a t i o na n ds c h e d u l i n go fm eb o i l e r si sa ne f r e c t i v e m e t h o do ne n e 唱yr e s o u r c e s s a v i n g ， e m i s s i o n sr e d u c i n ga n dp r o d u c t i o n o p t i m i z a t i o n b o i l e ri sat y p i c a ln o n l i n e a rs y s t e m ，i th a ss e v e r a l c o m p l e xo b j e c t s b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a 玛ed e l a y ；m u l t i v a r i l b l ec o u p l i n ga n d t i m e v a 巧i n ga n ds oo n ，t h ec o n t r o le f j f e c ti sn o ts a t i s f a c t o r y a d v a n c e dc o n t r o l 北京化工大学硕十学位论文 m e t h o di sn e e d e d b a s e do nr e s e a r c h i n go nt h ec o n t r 0 1o fc o m p l e xo b j e c t ，o p t i m i z a t i o na n d s c h e d u l i n go fp r o c e s si n d u s t o p t i m i z a t i o na n ds c h e d u l i n gm e t h o d sa n d a d v a n c e dc o n t 】r o ls y s t e ma r ep r o p o s e di nt h i sp 印e r d e s i g nt h ep i dc o n t r o l l e r b a s e do nn e u r a ln e 呐o r k d e s i g nt h eo p t i m i z a t i o na n ds c h e d u l i n gp l a nb a s e d o nm a t h e m a t i c a lp r o 鲫m i n ga n dm l e s a tl a s t ，t h em o d u l eo f o p t i m i z a t i o n ，s c h e d u l i n ga n dn e u r a ln e t w o r ko n l i n e c a l c u l a t i o na r er e a l i z e db yu s i n gs u p e rm u l t i f h n c t i o np r o c e s sc o n t r o lt r a i n i n g s y s t e ma so b j e c ta n du s i n gs i m a t i cp c s 7a sc o n t r o l l e r b a s e do nt h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb o i l e r sc o n t r o ls y s t e m ，t h ep i dc o m r 0 1 1 e rb a s e do n n e u r a ln e t w o r ki sr e a l i z e do nt h es u p e r h e a t e ds t e a m ，a n dt h eo p t i m i z a t i o na n d s c h e ( 1 u l i n go f t h eb o i l e r sa r er e a l i z e da sw e l l r h er e s u l t ss h o wt h a t ，p i dc o m r 0 1 l e rb a s e do nn e u r a ln e t w o r ki sg o o da t c o n t r o l l i n g t h e o b j e c t s w h i c hh a sm ec h a r a c t e r i s t i co f 1 a 唱ed e l a y t i m e v a r 如n g a n ds oo n a r e rt h ei m p l e m e n t a t i o no fo p t i m i z a t i o na n d s c h e d u l i n g ，m eb o i l e r sc a nf i n dt h eo p t i m a l l o a do fe a c hb o i l e r a n dm e c o n s u r n p t i o no ft h ee n e 娼yr e s o u r c ei st h el o w e s ta st h er e s u l t i na d d i t i o n ， w h e ne r r o r sa r eh 印p e n e d ，b o i l e r sc a nr e s p o n s e q u i c k l y k e y w o r d s ：o p t i m i z a t i o n ；s c h e d u l i n g ；n e u r a ln e t w o r k ；p c s 7 ； b o i l e r 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 流程工业生产调度现状和发展。2 1 3 复杂对象控制的现状和发展3 1 4s m p t - 1 0 0 0 工艺流程简介一4 1 4 1 概述一4 1 4 2s m p t - 1o o o 装置及工艺流程介绍5 1 5 本课题的主要内容6 第二章基于p c s 7 的锅炉机组优化调度方案的设计9 2 1 流程工业m e s 的现状及发展9 2 2 锅炉机组优化调度所面临的问题1 0 2 3 锅炉机组优化方案的设计及实现1 0 2 3 1 锅炉机组优化模型1 0 2 3 2 随机数直接搜索法1 2 2 3 3 基于s c l 语言锅炉机组优化模块设计13 2 3 4 参数优化的人机交互界面1 6 2 4 锅炉机组调度方案的设计及实现1 6 2 4 1 锅炉机组调度方案的设计1 6 2 4 2 基于s c l 语言锅炉机组调度模块设计17 2 4 3 锅炉机组调度模块人机交互界面2 0 2 5 小结一2 1 第三章基于p c s 7 的神经网络p i d 控制器的设计。2 3 3 1 人工神经网络2 3 3 1 1 概述2 3 3 1 2 人工神经网络的基础知识2 3 3 1 3 误差反向传播神经网络2 4 v 2 7 2 7 2 8 2 9 3 0 3 3 3 4 3 5 3 5 3 5 3 8 3 9 3 9 4 0 4 2 4 5 4 6 4 8 4 8 4 9 5 0 5 3 5 3 5 6 5 7 5 9 5 9 5 9 研究成果及发表的学术论文。 作者及导师简介 北京化工大学硕士学位论文 v i i ， ， j 麓t ； _ h c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 。1 1 1b a c k 粤o u 】硼m l ds i g n i f i c a n c eo f m er e s e a r c h 1 1 2t h e d e v e l o p m e i l ts t a n l so fo p t i m i z a t i o na i l ds c h e d u l i n go fp r o c e s si n d u s 仃y 1 1 3t h ed e v e l o p m e ms t a t l l so fc o m p l e xo b j e c t 3 1 4t h ei m r o d u c t i o no f s m p t - 1 0 0 0 4 1 4 1s u l 删m a r y 4 1 4 2t h ei n t r o d u c t i o no f d e v i c e sa i l dp r o c e s so f s m p t - l o o o 5 1 5l 订a i nc o n t a l to f t l l i sp a p e r 6 c h a p t e r 2d e s i g no fo p t i n i i z a t i o na n ds c h e d u l i n gp l a no f t h eb o i l e r sb a s e d 0 1 1p i ：5 ；7 9 2 1t h ed e v e l o p m e ms t a t u so f m e si np r o c e s si i l d u s t 巧9 2 2t h e 叩t i m i z a t i o na 1 1 ds c h e d u l i n gp r o b l e mo f b o i l e r s 1o 2 3d e s i g n 砒l di m p l e i 】【l e n t a t i o no f o p t i m i z a t i o no f t h eb o i l e r s 1 0 2 3 1o p t i m i z a t i o nm o d e lo f b o i l e r s 1 0 2 3 2d i r e c ts e a r c i hm e n l o do f r a n d o mn u m b e r 1 2 2 3 3d e s i 印o f o p t i m i z a t i o nm o d u l eb a s e do ns c ll a i l g u a g c 1 3 2 3 4h 啪a nm a 出n ei n t e r f a c eo fo p t i z i l i z a t i o n 16 2 4d e s i 盟a i l di m p l e m e n t a t i o no fs c h e d u l i n go ft h eb o i l e r s 16 2 4 1d e s i g no f t h es c h e d u l i n gp l a no f t h eb o i l e r s 1 6 2 4 2d e s i 印o fs c h e d u l i n gm o d u l eb a s e do ns c l1 a n g u a g e l7 2 4 3h u m a i lm a 出n ei n t e m c eo fs c h e d u l i n g 2 0 2 5s u m m a i y 2 1 c h a p t e r 3d e s i g n o fp i dc o n t r o l l e rb a s e do nn e u r a n ln e t w o r ko np c s 7 。2 3 3 1i i l t r o d u c t i o no f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t 、7 l ，o f k 2 3 3 1 1s u m m a r y 2 3 3 1 2b a s i cl ( 1 1 0 w l e d g eo f a n 讯c i a ln e u r a ln e t 、) l ，o r k 2 3 l x 2 4 2 7 2 7 2 8 2 9 3 0 3 3 3 4 t h e 3 5 3 5 3 5 3 8 3 9 3 9 4 0 4 2 4 5 4 6 4 8 4 8 4 9 5 0 5 3 5 3 5 6 4 5s 啪m a r y 5 7 c h a p u t e r 5c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 。5 9 5 1c o n c l u s i o n 5 9 5 2p r o s p e c t 5 9 x 气 ， c t e n t s r e f b r e n c e 。61 t h a n k se x p r e s s 6 3 p r o d u c t i o na n da c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e d 。6 5 i n t r o d u c t i o no fa u t h o r 。6 7 北京化工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是国家社会和经济发展的重要支柱【l 】。 同时，能源的利用又会带来严重的污染，威胁着人类赖以生存的环境。随着世界能源 危机的加重，以及生态环境问题的凸显，能源短缺和环境污染成为世界各国面临的双 重压力【2 】。中国作为能耗大国，在经济迅速发展的过程中，环境和资源的双重约束问 题越来越突出。高能耗工业领域作为我国能源的主要消费部门，在节能减排问题上责 无旁贷【3 1 。 工业锅炉作为向下游工艺或设备提供满足一定压力和温度要求的过热蒸汽的设 备，在石油化工、电力、冶金等领域中被广泛使用，是生产和生活中重要的动力源。 工业锅炉燃烧所消耗的能源，在我国能源消耗总量中占相当大的比重【4 】。如何降低工 业锅炉能耗、提高锅炉效率和资源利用率等问题一直是工业控制领域研究热点。因此， 以锅炉系统为对象进行节能减排的研究，具有一定的实际意义。 此外，工业锅炉是具有非线性、大时滞，多回路、强耦合性的典型的复杂被控系 统，包含如过热蒸汽压力和温度等复杂的被控对象，使用传统p i d 控制器对其进行控 制，很难取得满意的效果，从而将进一步影响锅炉的稳定性和经济性。因此，在对锅 炉系统进行研究时，有必要探索先进控制方法对其包含的复杂对象进行控制。 以工业锅炉为对象进行的控制和优化调度的研究一直是学者研究的重点，多年来， 涌现了非常多的理论研究成果【5 制。 但是，值得注意的是，大部分的理论研究成果并没有转化成实用技术，理论研究 与实际应用严重脱节，这是由于缺乏实际背景支持而导致的，很多理论研究一旦应用 到现场，便会遇到各种实际问题，尤其对于具有高危险性的生产过程，很难直接将理 论应用于实际生产，甚至难以进行相关实验。因此，将理论研究快速转化成实用技术 是目前制约控制领域发展的一个重大问题。 根据以上分析，本文根据工业锅炉系统的特点，对锅炉机组优化问题进行了研究， 以节约能耗为目标，设计了锅炉机组的优化调度方案。同时针对锅炉系统中部分对象 体现出的复杂特性，设计了基于b p 神经网络算法的先进控制器，并通过西门子p c s 7 系统软件中的s c l 语言编写了神经网络控制模块，以过热蒸汽压力为对象，进行了验 证和应用。同时，结合现有成熟工艺，设计了水汽热能全流程的控制系统，实现了对 锅炉系统的先进控制和对锅炉机组的优化调度。 化调度方法有数学规划法、模拟型方法和智能优化法等。 由于流程工业具有工艺复杂、流程长、上下游装置耦合紧密、受环境因素影响较 大等特点，导致其约束条件大大增加，使得流程工业的调度问题变得更加复杂，因此， 建立动态调度方案仍较为困难【i 。 目前，经过学者大量研究，虽然在生产调度的模型建立、算法和计算精度等方面 取得了一定的进展，但是，将生产调度的理论成果转化为商业工具，投入实际生产的 比例尚小，能够完全应用于实际并产生效益的更是少之又少。因此，在实际调度中， 2 第一章绪论 为了保证流程企业的安全性和经济性，理论研究成果大部分只作为辅佐参考，主要调 度工作的决策仍依靠人工完成，实际调度问题还远未解决。 1 3 复杂对象控制的现状和发展 在工业控制领域，复杂对象并没有统一的定义，本文认为具有非线性、大时滞、 时变性、不确定性等特点中一项或几项特性的对象是复杂对象。在工业生产中复杂对 象体现的特性主要有： ( 1 ) 非线性。在现实世界中，相对于线性的理想化和近似化，非线性是绝对的， 普遍存在的。具有非线性特性的被控对象的控制规律往往难以总纠1 2 】。 ( 2 ) 大时滞。大时滞是流程工业中普遍存在的现象，它的存在会使系统的稳定 性和控制品质明显下降，从而严重影响控制性能和控制效果【1 3 1 。 ( 3 ) 时变性。随着时间的变迁，对象特性或模型会发生改变。 ( 4 ) 多变量耦合特性。在复杂的工业系统中，往往含有许多相互耦合的变量， 即当一个操作变量改变时，会同时引发多个变量的联动反应，使得系统变得更加复杂 【1 4 1 o ( 5 ) 不确定性特性。在实际的工程中，不确定性分为外部不确定性和内部不确 定性两类。外部不确定性，是指作用在系统上的扰动是随机且不可测量的；内部不确 定性，是指系统本身的结构或参数会随时间或工作环境的改变而改变，且变化规律难 以掌握，参数难以准确测量【l5 1 。 与结构明了、参数固定不变或基本不变的线性对象相比，复杂对象的最大特点在 于，难以建立起精确的数学模型来对其特性进行描述。而常用的传统p i d 控制器是以 数学模型为基础，根据被控系统的静态和动态特性来获得控制参数而建立起来的【l6 1 。 因此，使用传统p i d 控制器对复杂对象进行控制，难以取得良好的效果，不能保证系 统的稳定性。复杂对象控制的研究一直是控制领域中一个重要的课题。 针对复杂对象所表现的各种特性，国内外学者提出了多种控制方法。其中，在上 世纪7 0 年代提出的智能控制方法以其算法简单、鲁棒性强，以及不依靠模型等特性， 展现了较大优势和发展潜力【1 2 】。具有代表性的智能控制方法有：专家控制、模糊控制 和神经网络控制等。 神经网络因其具有较强的鲁棒性、容错性、联想记忆能力、并行处理能力，以及 对任意非线性函数的映射能力等特点，在复杂对象控制的领域得到了广泛应用和长足 发展【1 7 】。将神经网络的思想用于控制器的设计，是其在控制领域中的一项重要应用。 神经网络控制器的典型设计方法有：常规控制方法、模型参考自适应方法、自校正方 法、内模方法和神经网络优化方法等。 4 1 4 2 ( 1 ) 氧是 气、 锅炉 上汽 ( 2 ) 除氧 调节除氧器压力，除氧器液位为l 1 1 1 0 1 。 锅炉上水流量管线上设有上水大旁路调节阀f v l l o l ，以及前阀x v l l o l 和后阀 x v l l 0 2 ，和冷态上水小旁路阀h v l l o l 。 待加热的软化水分为两路，正常工况时，大部分给水经上水流量调节阀f v l l 0 2 直接流向混合联箱，其余部分上水经阀f v l l 0 3 流向减温器e 1 1 0 1 ，经减温器预热后 1 5 本课题的主要内容 图1 2s m p t - 1 0 0 0 工艺流科图 f i g 1 21 l l ef l o w c h 硼o fs m p t 1 0 0 0 工业锅炉是生产和生活中重要的动力源，在我国能源消耗中占相当大的比重。如 6 第一章绪论 何降低工业锅炉能耗、提高锅炉效率和资源利用率一直是工业领域研究的热点。本课 题在对锅炉机组优化调度和复杂对象控制等问题学习研究的基础上，以降低能耗，节 约资源为目标，提出了基于p c s 7 的锅炉机组调度方案，并利用西门子p c s 7 系统软 件中的s c l 语言编写了锅炉机组优化调度模块。同时，针对工业锅炉系统中部分被控 对象体现出的复杂特性，设计了基于神经网络算法的先进控制器，并通过s c l 语言编 写了神经网络控制模块。 同时，以s m p t - 1 0 0 0 为仿真实验对象，设计了锅炉控制系统，以过热蒸汽压力 为对象，对基于神经网络的p i d 控制器进行了验证。并对本文设计的锅炉机组优化调 度方案进行了实施。实验结果表明，基于神经网络的p i d 控制器对具有大时滞、非线 性和不确定性等特性的复杂对象的控制效果良好。采用优化调度方案后的锅炉机组效 率，较没有进行优化调度的锅炉机组效率有明显提高，达到了降低能耗，节约资源的 目的。 本篇论文的内容安排如下： 第一章绪论。主要介绍了课题的背景和研究意义，介绍了本文采用的s m p t _ 1 0 0 0 的装置及工艺流程，对流程工业生产调度和复杂对象控制的现状和发展进行了阐述。 第二章锅炉机组优化调度方案的设计。通过对锅炉机组调度的研究现状的分析， 说明了对锅炉机组进行优化调度进行研究的现实意义。结合s m p t - 1 0 0 0 仿真实验装 置，以降低能耗为目标，采用n u 优化算法，提出了锅炉机组的优化方案。采用基于 规则的调度方法，设计了锅炉机组的调度方案。最后，使用s c l 语言编译实现了优化 调度模块，在西门子p c s 7 上调试运行j 下常。 第三章基于p c s 7 的神经网络p i d 控制器的设计。系统阐述了人工神经网络现 状及发展，对人工神经网络基础知识和b p 神经网络算法进行了介绍，并阐释了将神 经网络应用于的复杂对象控制的优势。采用b p 神经网络算法思想，设计了基于神经 网络的p d 控制器，并通过s c l 编译实现了神经网络控制模块，在西门子p c s 7 上调 试运行正常。 第四章锅炉机组优化调度和控制方案的实施。控制方案的总体设计与优化调度 方案的实施。根据锅炉系统控制的基本要求，结合现有成熟设计方式，设计了锅炉系 统的整体控制方案，使用西门子p c s 7 实现了对锅炉系统控制工程的实施，完成了工 程的硬件组态、c f c 组态、操作员站组态等，实现了对整个流程的控制和监测。以锅 炉过热蒸汽压力为被控对象，对基于神经网络的p i d 控制器进行了验证。通过基于神 经网络的p i d 控制器与纯p i d 控制器的控制效果对比，证明了基于神经网络的p i d 控 制器的可行性和优越性。同时，将多台s m p t - 1 0 0 0 互联，实施了锅炉机组的优化调 度方案，根据不同需求，实现了对锅炉机组负荷的合理配置。实验结果表明，面对工 况的改变，锅炉机组的生产效率和资源利用率，在采用优化调度方案的前后有较大差 别，采用优化调度方案的锅炉机组在完成生产任务的前提下，节约了能源，验证了本 7 十学位论文 进行了总结，指出了文章中的不足之处， 第二= 二章基于p c s 7 的锅炉机组优化调度方案的设计 第二章基于p c s 7 的锅炉机组优化调度方案的设计 2 1 流程工业m e s 的现状及发展 在流程工业领域，企业为实现总体的最优目标，需要根据市场需求、原料和能源 供应情况和生产能力等因素，利用生产过程全局性和整体性的思想，确定生产目标， 指定生产计划，协调生产过程。这就需要企业建立完善的生产调度方案来执行。生产 调度是连接计划和生产的关键活动，起着承上启下的重要作用。但由于流程工业生产 工艺过程复杂，并具有多目标、上下游装置耦合紧密和不确定性等特点，使得其调度 模型难以建立。目前，实际生产中的调度仍主要借助人工完成，但这种方式，显然不 能满足现代化生产和市场竞争的需要。因此，找到一个既能完成生产调度任务，又能 保证生产过程的安全、稳定和经济运行的办法，是每个企业都迫切需要解决的问题。 制造执行系统m e s 平台的建立，填补了这一空白，为企业在线优化模型的建立 提供了基础。制造执行系统，简称m e s ( m a l l u f a c t u r e re x e c u t i o ns v s t e m ) 是由美国 a r m ( a d v a n c e dm a n u f a c t 嘶n gr e s e a r c h ) 组织在1 9 9 0 年提出。国际制造执行协会对 m e s 的定义为：通过信息的传递，对从订单下达开始到产品完成的整个生产过程进行 优化的管理，对工厂发生的实时事件及时作出反应，并用当前准确的数据进行指导和 处理【2 0 】。 对于复杂的流程工业企业，从底层的p c s ( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，基础自动化) 到过程控制、从生产调度到节能减排，再到企业的资源管理，m e s 均能够起了非常关 键的作用。 m e s 能够帮助企业优化生产调度、降低生产成本、实时优化产能、提高产品质量、 加快生产对市场的响应速度、提高管理水平和企业竞争力，为企业带来经济效益和社 会效益的双丰收，是工业化与信息融合的关键。 目前，m e s 在国外应用较为普遍，美国h o n e y w e n 公司、a s p e i lt e c h 公司和德国 西门子公司均提出了m e s 解决方案。在我国，m e s 最早应用于钢铁和石化行业。“十 五 期问国家8 6 3 计划将流程工业企业m e s 作为重点研究课题，国家科技部“十一 五 制造业信息化工程也将m e s 作为重点发展领域。中国最大的氯碱产品生产商供 应商之一，上海氯碱化工股份有限公司已于2 0 0 3 年启动运行了自主研发的石化企业 m e s 解决方案s m e s 。但是，从我国m e s 整体应用情况来看，虽然有一些成功 案例，大多数企业仍处于观望和理解消化阶段【2 1 1 。本章基于m e s 的思想，设计了锅 炉机组的优化调度方案。 9 北京化工大学硕士学位论文 锅炉机组优化调度所面临的问题 锅炉系统作为流程工业过程的重要组成部分，在炼油、化工、电力等领域有广泛 。一般的，在使用到锅炉系统的大型企业中，往往有多台锅炉同时或交替运行【2 2 1 。 ，为满足不用生产需求，每台锅炉的型号规格并非完全相同。锅炉系统的任务是 游设备或工艺提供不同等级的蒸汽，锅炉的产汽量取决于下游设备或工艺的实际 安排和实时生产情况，在不同的状况下，用汽量也不尽不同，有时甚至差别很大。 台锅炉并行，且向同一负荷或工艺供汽时，机组内每台锅炉所带负荷的分配值就 着最佳组合的问题。此外，当工况改变或发生故障时，蒸汽负荷需要跟着做出相 化，锅炉机组的总负荷和单台锅炉的负荷值也可能需要进行调整，这就涉及到锅 统内部各设备、锅炉机组之间，以及锅炉机组和下游设备之间的协调调度问题。 问题正是对锅炉机组进行优化调度问题研究的意义之所在。 简言之，锅炉机组的优化调度是指，在保证锅炉机组和下游生产设备稳定运行的 下，以整个生产系统的经济效益和社会效益最大化为目标，按照生产对蒸汽量的 需求，对机组内每台锅炉的负荷进行分配和调整的过程。研究锅炉机组的优化调 对节约能源，减少排放，提高设备使用率和生产效率具有重要意义。 目前，国内外学者对锅炉机组的优化调度问题的研究，已经取得了一定研究成果， 比控制领域的著作和研究要少得多，而且，大多数研究集中在对电厂锅炉机组的 调度【2 弛8 1 ，在其他领域中对锅炉机组优化调度问题的研究较为少见。本文将借鉴 优化调度的相关理论成果，从单台锅炉效率研究出发，对锅炉机组的优化调度问 行深入研究。 2 3 锅炉机组优化方案的设计及实现 2 3 1 锅炉机组优化模型 ( 1 ) 单台锅炉模型 单台锅炉的模型是通过锅炉效率与蒸发量关系的变工况特性曲线来表征的，也就 是锅炉的热效率曲线。锅炉的热效率是指，当锅炉在额定负荷运行时，每小时送进锅 炉的燃料全部、完全燃烧后，有效利用的热量占锅炉总产热量的百分比【2 9 1 。热效率是 评价单台锅炉产汽能力的重要参数。设计单位和制造厂一般只给出设计工况下锅炉在 额定蒸发量时的效率。但是，在实际运行过程中，锅炉的情况十分复杂，同一台锅炉 的实际运行效率往往和设计值相差较大，而且，受燃料种类、排烟温度、风量和环境 1 0 第二章基于p c s 7 的锅炉机组优化调度方案的设计 温度的影响很大【3 0 1 ，因此锅炉的热效率曲线需要针对具体锅炉通过实验的方法得出。 锅炉热效率可以通过正平衡和反平衡两种实验方法确定。正平衡法是直接测定输 入锅炉的热量和从锅炉输出热量，通过公式计算得出锅炉热效率。反平衡法是通过测 得各项热损失，再用扣除各项热损失的方法计算出锅炉的热效率。鉴于本课题采用仿 真实验装置进行研究，反平衡法中各项要素难以测得，因此将采用正平衡法测量锅炉 热效率。 一般的，锅炉的热效率并非是线性关系，而是上凸的曲线，可用二次多项式对其 进行拟合【3 1 1 。单台锅炉的热效率曲线如图2 1 所示，其物理含义为单台锅炉在不同负 荷时，锅炉效率与蒸发量的关系。 图2 1 单台锅炉的热效率曲线 f i g 2 1e f f i c i e n c yo fb o i l e r 锅炉正平衡热效率公式为： 1 1 = 剖1 0 0 ( 2 1 ) 其中，1 为正平衡锅炉热效率；d 。c 为输出蒸汽量，k 加；b 为燃料消耗量，k g l l ； q n e t a r 为燃料油的收到基低位发热量，k j 蚝；h 鹊为过热蒸汽热焓值，k 胜g ；h g 。为 给水蒸汽热焓值，k j l ( g 。 ( 2 ) 锅炉机组的优化模型 在流程工业调度问题研究中，目标函数的选择与分解、约束条件的简化与不确定 性、时间尺度的表示是调度系统能否得到实际应用并获得良好效果的关键。 根据锅炉模型可知，每台锅炉都有一个相对最好的燃烧状态，当锅炉达到其效率 的最高点时，对应着锅炉的最佳产汽负荷值，此时，锅炉的产汽效率最高，燃料消耗 量最少。但当多台锅炉同时给同一下游设备或工艺供汽时，每台锅炉运行负荷的分配 值却并不一定等于各炉的最佳负荷值，单台锅炉的效率最高并不代表锅炉机组的效率 是最高【3 2 】。而优化调度的目标就是要对锅炉机组进行优化，因此，这里要以锅炉机组 根据要 和经济 优化调 小为目 下优化 ( 2 _ 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 锅炉输 口物料 k 加； 从数学规划的角度来讲，生产调度问题可以描述为：在等式或不等式约束下，对 目标函数进行优化求解的过程【8 】。锅炉机组优化的目标为：根据下游设备或工艺用汽 负荷的整体需求，结合锅炉效率曲线，对机组内每台锅炉的运行负荷进行优化求解， 使得锅炉机组燃料消耗总量最少。本文采用随机数直接搜索法对锅炉机组负荷分配进 行优化1 3 3 j 。 随机数直接搜索法又称u 算法，是由l u u s 与j a a c k o l a 于1 9 7 3 年提出的一种单 纯形最优化方法，算法简单方便，能有效地解决较为复杂的约束性问题。 u 算法的基本步骤为： 第一步：给待优化的参数赋初值，为a o ( i ) ，i = ( 1 ，2 ，3 l ( ) 。a o ( i ) 的初值可为任意 猜测值，只要在数量级上基本合适即可。如具有先验知识，a o ( i ) 可选为接近最优解的 数值。设定循环次数n ，n = 1 ，2 ，3 n 。 第二步：给搜索范围r 1 ( i ) ，i = ( 1 ，2 ，3 ) 赋初值。根据公式2 7 可得。c o n s t 可为 1 2 第二章基于p c s 7 的锅炉机组优化调度方案的设计 常数。 r 1 ( i ) = c o n s t a o ( i ) ( 2 7 ) 第三步：选择p q 组在( 一o 5 ，o 5 ) 范围内的随机数，以矩阵的形式表示为y 面。 第四步：进行参数寻优的迭代计算。从第1 组中选择k 个随机数y 1 k ，根据公式 2 8 计算得到a 1 ( i ) 。 a 1 ( i ) = a o ( i ) + y 1 k r l ( i ) ( 2 - 8 ) 根据上式计算所得参数a 1 ( i ) 。