基于DCS的循环流化床锅炉燃烧控制专家系统设计优秀毕业论文.pdf

工学硕士学位论文 基于 dcs 的循环流化床锅炉燃烧控制 专家系统设计 张智宇 哈尔滨工业大学 2006 年 2 月 国内图书分类号 tp182 国际图书分类号 621 3 工学硕士学位论文 基于 dcs 的循环流化床锅炉燃烧控制 专家系统设计 硕 士 研究生 张智宇 导 师 李 兵 副教授 申 请 学 位 工学硕士 学 科 专 业 飞行器设计 所 在 单 位 深圳研究生院 答 辩 日 期 2005 年 12 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index tp182 u d c 621 3 dissertation for the master degree of engineering study on expert system in circulating fluidized bed boiler burning control base on dcs candidate zhang zhiyu supervisor associate prof li bing academic degree applied for master of engineering specialty spacecraft design affiliation shenzhen graduate school date of defence december 2005 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 循环流化床燃烧技术是近年来得到广泛应用的新型燃烧技术 主要应用 于火力发电领域以代替传统的燃烧方法 循环流化床锅炉是一个大滞后 多 变量耦合的控制对象 控制过程复杂 当前我国对于循环流化床锅炉的应用 和控制还沿用手动控制方法 本文针对循环流化床锅炉控制中的燃烧控制问 题 以 75t h 循环流化床锅炉 dcs 系统项目为背景 开展了基于集散控制系 统 dcs 的专家系统的研究与开发 模拟熟练工程技术人员的控制方法 对提高循环流化床锅炉自动化水平做了有益的尝试 本文中应用 clips 语言开发循环流化床锅炉燃烧控制的专家系统 应用 模糊统计法对目标参数进行处理 用 vc 编写用户界面 通过 dll 混合方 式编程设计 vc 与 clips 的接口 通过 dde 动态数据交换技术实现专家系 统与 dcs 系统之间的数据交换 本文分析了汽包水位在蒸汽扰动和给水扰动下的动态特性 针对于此选 用了三冲量水位控制方法 通过大量的现场调研和实际经验的总结 以山东 沂水热电厂 dcs 项目为背景 设计了一套符合中 小电站锅炉的 dcs 系统 该系统集成了台湾盟立公司的下位控制硬件 fama 系列产品和美国控软公 司的 plc 控制软件 softplc 采用下位机控制网络和上位机以太网相结合 满足了数据通讯的需要 本文详述了 dcs 系统的组态方案 包括下位机的数据采集 数据通讯 plc 控制程序编程 以及上位机的监控画面 报警和历史数据查询 本 dcs 系统经过现场的组态和调试 最终实现了控制设计要求 在系统实际运行中 取得了很好的控制效果 关键词 clips 循环流化床 dcs i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 abstract recently as a new burning technology circulating fluidized bed cfb burning technology is widely applied in fire power based electrical generation industry in stead of the traditional methods cfb boiler has the features of large delay coupling tightly multivariable and complicated control process currently in power plant the main control process is still handled by manual operation focusing on the burning control issue of 75t h cfb project the further researches about expert system based on distributed control system dcs are carried out by simulating the manual control method of skilled engineers the work provides a good trial on enhancing automation level of the cfb boiler the following works are focused expert system is developed in c language integrated production system clips and applied to deal with the parameter with fuzzy statistic visual c is used to develop the interface with the clips through the dynamic link library dll mixed programming with the dynamic data exchange dde expert system fulfills the function of communication with the dcs three parameter control arithmetic is used after analyzing the water level dynamic characteristics under water supply and steam disturbance by many investigation and practice and based on the engineering in yishui city the dcs is designed to integrate fama series control hardware from mirle inc with softplc control software from controlsoft inc combining with the control net and ethernet data communication can conform to the design requirements dcs configuration includes data collecting communication plc programming hmi designing warning and history data querying through testing in running the dcs fulfills the control requirements and the excellent control effect is achieved keywords clips circulating fluidized bed boiler distributed control system ii 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘要 i abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 工业过程控制的发展 1 1 2 dcs系统在工业控制中的应用 1 1 3 循环流化床锅炉的发展概况 2 1 4 人工智能与专家系统 2 1 4 1 人工智能 2 1 4 2 专家系统 3 1 5 课题研究的主要内容 4 第 2 章 循环流化床锅炉工艺特点与控制 5 2 1 循环流化床锅炉简介 5 2 1 1 循环流化床锅炉定义 5 2 1 2 循环流化床锅炉结构 5 2 1 3 循环流化床锅炉工作原理 6 2 2 循环流化床锅炉燃烧与控制 6 2 2 1 循环流化床锅炉的燃烧特点 6 2 2 2 循环流化床锅炉的控制与调节策略 7 2 2 3 燃烧控制与专家系统 9 2 3 本章小结 10 第 3 章 燃烧控制专家系统设计 11 3 1 基于clips的燃烧控制专家系统 11 3 1 1 燃烧控制专家系统概述 11 3 1 2 燃烧控制专家系统结构 11 3 1 3 专家系统开发工具 clips 12 3 1 4 clips基本语法构成 13 3 2 知识获取与表示 17 3 2 1 知识获取 17 i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 2 2 知识表示 17 3 3 推理方法 19 3 3 1 树 格 图 19 3 3 2 燃烧控制专家系统推理方法 20 3 3 3 不精确推理 21 3 4 燃烧控制专家系统设计 25 3 4 1 clips与vc 的接口设计 25 3 4 2 vc 与excel的接口编程设计 28 3 4 3 epcs系统和excel之间的数据通信 30 3 4 4 系统模拟运行界面 32 3 5 本章小结 33 第 4 章 循环流化床锅炉的dcs控制系统 34 4 1 控制系统设计 34 4 1 1 dcs系统概述 34 4 1 2 系统结构设计与设备选型 34 4 1 3 控制系统功能 36 4 2 下位机控制系统组态 38 4 2 1 下位机硬件选型和配置 38 4 2 2 下位机软件配置与编程设计 43 4 3 上位机监控系统组态 46 4 3 1 上位监控流程图设计 47 4 3 2 上位机监控软件编程组态 48 4 3 3 监控网络设计 53 4 4 本章小结 54 第 5 章 循环流化床锅炉汽包水位控制 55 5 1 汽包水位对象的动态特性 55 5 1 1 给水扰动下的动态特性 55 5 1 2 蒸汽扰动下的动态特征 56 5 2 三冲量水位控制方法 57 5 3 本章小节 58 结论 59 参考文献 60 附录 1 63 ii 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 附录 2 65 攻读学位期间发表的学术论文 68 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 69 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 69 致谢 70 iii 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1 1 工业过程控制的发展 工业自动化控制技术是一种运用控制理论 计算机以及现场仪器仪表等 技术 对工业生产过程实现检测 控制 优化 调度 管理和决策 实现提 高产品质量 增加产量 降低原材料消耗 确保安全等目的的综合性技术 主要包括工业自动化硬件 软件 系统三大部分 它主要针对所谓六大参数 即温度 压力 流量 液位 或物料位 成分和物性等参数的控制问题 它 能覆盖许多工业部门 诸如石油 化工 电力 冶金 轻工 纺织等等 因 而 工业过程控制在国民经济中占有极其重要的地位 1 目前 我国工业过程控制的发展道路 大多是在引进成套设备的同时进 行消化吸收 然后进行二次开发和应用 我国工业自动化技术随着国产 dcs 产品的诞生正向智能化 网络化和集成化方向发展 1 2 dcs 系统在工业控制中的应用 dcs distributed control system 又称为分散式系统 他是集计算机 技术 控制技术 通讯技术和图形显示等技术于一体的计算机系统 这种系 统在结构上的分散不仅使系统风险分散 消除了全局性的故障节点 增加了 系统的可靠性 而且可以灵活方便地实现各种新型控制规律和算法 便于系 统的分批调试和投运 为生产过程自动化的发展带来深远的影响 2 自从美 国honeywell公司推出第一台dcs系统以来 全球著名的自动化仪表公司纷纷 成功研制并推出了自己的产品 霍尼韦尔 西屋 横河等公司更是其中的佼 佼者 它们都有一个共同的特点 即控制功能分散 操作管理集中 目前 在大中型企业的过程控制领域中 集散控制系统占有统治地位 dcs系统被 广泛应用于冶金 电力 钢铁 石油 化工等过程控制的工业领域 国内的 企业早就开始采用国外的dcs系统来进行控制 摆脱了依靠人力在仪表盘前 监控 操作的落后手段 同时 国内的dcs产品研究也取得了非常显著的结 果 和利时 浙大中控 上海新华都相继推出了自己的dcs系统 并应用于 生产过程当中 对提高国内工业自动化水平有着非常积极的意义 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 循环流化床锅炉的发展概况 火力发电为人类社会进步和发展做出了贡献 同时也给人类的生存环境 造成了严重的灾难 随着各国对环境污染控制要求越来越严格 寻找新型的 燃烧技术已经为人们所广泛关注 从本世纪 70 年代起 循环流化床锅炉技术 得到了飞速的发展 它主要有燃烧污染低 燃料范围广 锅炉效率高 燃烧 效益好等优点 因此 在近二十多年里 为了开发 完善循环流化床燃烧技 术 世界上各工业国家技术 人力财力等各方面都作了大量投入 而走在世 界前列的仍然是几个比较发达的资本主义工业国家 以循环流化床锅炉设计 结构特点来区分 其中有代表性的有三种 芬兰奥斯龙公司的 pyrolow 循 环流化床锅炉 德国鲁奇公司的循环流化床锅炉和美国福斯特 惠勒公司的 循环流化床锅炉 3 4 我国从七十年代开始一些大专院校和企业就研制出小容量的循环流化床 锅炉 迄今已有东方锅炉厂 哈尔滨锅炉厂 武汉锅炉厂 济南锅炉厂等企 业与西安交大 浙大 清华 哈工大 东南大学 中科院热物理所 西安热 工所 上海成套所等合作共同研制的 35t h 240t h 循环流化床锅炉 均投产 运行 1 4 人工智能与专家系统 1 4 1 人工智能 ai artificial intelligence 简记为ai 是在 1956 年的达特茅斯 dartmouth 关于机器模拟智能的学术讨论会上 由麦卡锡 j me carthy 首先提出来的 顾名思义 所谓人工智能是用人工的方法在机器上 或计算机 上实现为智 能 或者说人类智能在机器上的模拟 使机器具有类似人的智能 5 人工智 能体系分为三个层次 人工智能基础 人工智能原理 人工智能技术 ai是 当前科学技术发展中的一门前言学科 同时也是一门新思想 新理论 新技 术不断出现以及迅速发展的学科 传统控制理论在应用中面临的难题主要为 传统控制系统的设计与分析 是建立在精确的系统数学模型基础上的 而实际系统由于存在复杂性 非线 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 性 时变性 不确定性和不完全性等 一般无法获得精确的数学模型 研究 这类系统时 必须提出并遵循一些比较苛刻的假设 而这些假设在应用中往 往与实际不相符合 为了提高性能 传统控制系统可能变得很复杂 从而增 加了设备的初投资和维修费用 降低系统的可靠性等 人工智能的产生和发 展为解决这些难题提供了有利的支持 近十年来 随着人工智能和机器人技术的快速发展 各种智能决策系统 专家控制系统 学习控制系统 模糊控制 神经控制 主动视觉控制 智能 规划和故障诊断系统等已被应用于各类工业过程控制系统 智能机器人系统 和智能化生产 制造 系统中 1 4 2 专家系统 专家系统 expert system 是人工智能的重要领域 它将人类的知识和 经验以知识库的形式存入计算机 并模仿人类专家解决问题的推理方式和思 维过程 运用这些知识和经验对现实中的问题做出正确的判断和决策 6 7 专家系统领域要求高度可靠 并具有快速决策和不同功能 这些功能包括解 释 预测 分析 诊断 调试 设计 规划 控制 监视 教学 检测 咨 询 管理 评估 决策支持等 80 年代初 正当人工智能中的专家系统技术蓬勃发展之时 自动控制领 域的学者和工程师开始把专家系统的思想和方法引入控制系统的研究及其工 程应用 试图解决仅仅依靠传统的自动控制方法难以奏效的种种实际控制问 题 完成一些已有控制技术不能胜任的复杂任务 同时推动了自动控制理论 和技术的发展 专家系统已经从第一代发展到第二代 专家系统中的组成部分有了很大 变化 第一代专家系统以领域经验作为知识库的主要成分 在第二代专家系 统中 领域的原理性知识往往被融合在经验知识中 推理也把它们同等看待 但原理知识 既一个特定领域的基本概念 定义和定理等 与经验性知识的 过程性行为有明显不同 所以 在第二代专家系统中 把两者分离开来 并 引入机理性知识的深层推理和基于经验性知识的浅层推理 从而提高了系统 运行的强壮性 在第二代专家系统中的解释机制不仅具有第一代专家系统的 功能 同时还可按照用户要求提供推理不能取得的信息 学习机制也是第二 代专家系统中不可缺少的部分 学习机制可使专家系统不断在实践中学到新 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的知识 专家系统具有以下优点 8 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响 也不可能遗漏和忘记 专家系统能促进各领域的知识和经验 它使各领域专家的专业知识和经验得 到总结和精炼 能够广泛有力地传播专家的知识 经验和能力 专家系统能汇集多领域专家的知识和经验 以及他们协作重大问题的能 力 它拥有更渊博的知识 更丰富的经验和更强的工作能力 军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一 研究专家系统能够促进整个科学技术的发展 专家系统对人工智能各个 领域的发展起了很大的促进作用 并将对科技 经济 国防 教育 社会和 人民生活产生极其深远的影响 1 5 课题研究的主要内容 本文的研究工作主要是基于我国循环流化床锅炉的现状以及专家系统发 展的基础上 对循环流环床锅炉技术进行初步的探讨 论述专家系统应用于 锅炉燃烧控制策略的可行性 探索领域专家们的知识表述以及专家系统不确 定性推理的方法 专家系统编程语言 clips 的基本语法 推理能力和学习功 能 研究 clips 与可视化的面向对象的程序设计语言 vc 之间的联系机制 本文在分析了循环流化床锅炉的工艺特点 在此基础上制定了相应控制 策略 其次 通过选用合适的软 硬件产品 并对不同厂家的产品进行了整 合 通过编程和组态 构造起安全 高效的控制系统 同时 根据 dcs 系统 的特点和监控网络的结构 设计完成了计算机监控系统数据采集 上位机监 控网络和下位机控制网络的配置和通讯 最后系统调试完成并投入运行 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2章 循环流化床锅炉工艺特点与控制 2 1 循环流化床锅炉简介 2 1 1 循环流化床锅炉定义 循环流化床锅炉也是锅炉的一种 是燃烧化石燃料来产生蒸汽的一种装 置 但是从燃料的成分与类型以及燃烧技术来区分 循环流化床锅炉与传统 的煤粉炉等相比 有了很大的不同 循环流化床锅炉正是从其工艺而得名 对于循环流化床的概念 可以把它的名称分开来解释 循环的意思是当锅炉 燃烧时 物料在燃烧结束后 随着尾部烟气通过烟道进入旋风分离器 没有 得到充分燃烧的物料会通过回料系统回到炉膛继续参加燃烧 这样不断的循 环能够保证投入的物料得到充分的燃烧 流化床的概念为投入的物料在炉膛 中燃烧时 不断地上下流动 类似于液体沸腾时的状态 因此称为流化床 9 2 1 2 循环流化床锅炉结构 循环流化床锅炉的结构如图 2 1 所示 图 2 1 循环流化床锅炉系统结构图 2 fig 2 1 the structure of cfbb 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 3 循环流化床锅炉工作原理 循环流化床锅炉的工作原理 床料成流态化后 通过喷燃器使其燃烧 同时启动给煤机不断投入燃料 使燃料在炉膛内高温燃烧 释放大量的热量 完成热交换 燃烧后烟气通过尾部烟道 首先进入旋风分离器 经过分离器 分离 使得没有完全燃烧的物料从回料装置回到炉膛内继续燃烧 剩余的尾 气就从烟道经过引风机抽取 除尘器除尘后从烟囱排往大气 由于尾部烟气 含有大量的余热 因此在尾部烟道中设置过热器 省煤器 空气预热器 来 利用尾烟中的余热分别加热过热蒸汽 给水 一次风以及二次风 从而达到 进一步降低热损失的功效 10 燃烧过程的目的是为了完成热交换 把热能最终转化为电能 在循环流 化床锅炉中 用来完成能量交换的介质是水 经过化学处理的纯净水由给水 泵打进高压加热器加热 再经过省煤器回收一部分尾烟中的余热后进入汽包 汽包的水在水冷壁中进行自然或强制循环 不断吸收炉膛辐射热量 由此产 生的饱和蒸汽由汽包顶部流出 再经过多级加热器进一步加热成过热蒸汽 这个具有一定压力和温度的过热蒸汽就是锅炉的产品 蒸汽的高温和高压是 为了提高单元机组的热效率 11 2 2 循环流化床锅炉燃烧与控制 2 2 1 循环流化床锅炉的燃烧特点 循环流化床锅炉的燃烧特点是中温燃烧 一般床温控制在 850 950 之 间 悬浮在炉膛内的固体颗粒层被称为床层 床层由于重力的缘故 在炉膛 下部的密度相对大一些 成为密相区 在炉膛上部的密度相对小一些 成为 稀相区 炉膛的主要燃烧区域是在密相区 送入布风板下的一次风是被用来 流化床粒 而二次风是沿着炉墙从不同高度送入 称作分级送风 床内惰性 热物料在任何时候都占全部床内固体物料的 97 98 床内的含碳量只占 1 95 2 18 因此可以将燃烧温度控制在 850 950 的范围内而保证稳定和 高效的燃烧 进入炉膛的煤粒直径不同 将导致不同直径的煤粒在炉膛内燃尽的时间 6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 不尽相同 例如由于大煤粒仅停留在炉膛内燃烧 因此大煤粒燃煤在炉内的 停留时间将大大超出所需燃尽的时间 如果在运行中一次风调整不当和排渣 间隔时间过短 排渣时间太长 就有可能把未燃尽的炭粒排掉 使炉渣内含 碳量增大 表 2 1 给出不同直径颗粒燃尽所需时间和需要循环次数以及实际 循环次数 12 15 表 2 1 不同直径煤粒燃尽所需的时间及循环次数 table 2 1 time and circulating times of the buring end 煤粒直径 0 1 0 5 1 0 2 0 2 0 最长燃尽时间 0 68 8 9 23 1 50 1 炉内循环 需要的最大循环次数 0 3 6 7 2 16 炉内循环 实际循环次数 0 6 0 12 0 27 注 煤种为煤矸石 石煤 总体循环倍率 k 2 36 从表中数据可以看出 如果锅炉设计和运行调整合理 参与循环的煤粒 燃烧效率是比较高的 2 2 2 2 循环流化床锅炉的控制与调节策略 对锅炉运行总的要求是既要安全又要经济 因此运行中要对锅炉进行控 制与调节 使锅炉的蒸发量 出力 适应外界负荷的需要 均衡进水 维持汽包水位正常 保持正常的汽压和汽温 保证蒸汽品质合格 维持经济燃烧 尽量减少热损失 提高锅炉效率 在本文中研究的主要是锅炉的燃烧控制方法和策略 因此 下面主要介 绍锅炉燃烧过程中的几个调节系统 16 18 2 2 2 1 锅炉负荷调节 流化床锅炉因炉型 燃料种类 性质的不同 负荷变 化范围和变化速度也各不相同 对于循环流化床锅炉 负荷可在 25 110 范围内变化 升负荷速度一般为每分钟 5 7 范围 降负荷速度为每分钟 10 15 变负荷能力与煤粉炉相比要大得多 对于无外置行换热器的循环 7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 流化床锅炉 其变负荷的调节方法一般采用如下方法 采用改变给煤量来调节负荷 改变一二次风配比 以改变炉内物料浓度分布 从而改变传热系数 控 制传热系数 控制对受热面的传热量来调节负荷 炉内物料改变 传热量必 然改变 改变循环灰量来调节负荷 用返料风机来调节通过返料系统进入炉膛内 的灰量 采用烟气再循环 改变炉内物料流化状态和供氧量 从而改变物料 燃烧份额 达到调整负荷的目的 2 2 2 2 蒸汽压力调节 过热蒸汽压力是蒸汽质量的重要指标 过热蒸汽压力 调节可以通过调整燃烧来控制 当外界负荷增加时 必须加强燃烧 增加燃 料量和风量 调节给水量和减温水量 在增加燃料量和风量时 一般情况下 应先增加风量 然后增加燃料量 如果先增加燃料量 后增加风量 则会造 成不完全燃烧或堵塞一次风管 增加风量时 先增大引风机挡板开度或者调 节引风机液力耦合器 保持炉膛适当负压 然后再增加送风机挡板开度 如 果先加大送风 火焰和烟气有可能喷出炉外 发生伤人 损坏炉墙等事故 当外界负荷减少时 使汽压升高 则必须减弱燃烧 减少燃料量和风量 其 调节方法与汽压升高的调节方法相反 2 2 2 3 燃烧工况调节 锅炉燃烧工况的好坏直接影响锅炉机组和整个电厂 的安全 经济运行 所以 燃烧调节是使燃烧工况稳定 保证锅炉安全可靠 运行的重要条件 燃烧调节的目的是 保证锅炉在设计的汽压 汽温和蒸发量下稳定运行 使锅炉机组运行保持较高的经济性 也就是保持合理的风 煤配合 一 二次风配合和送 引风配合 合理的风 煤配合就是要保持最佳的过量空气 系数 合理的一 二次风配合就是要保证着火迅速 燃烧完全 合理的送 吸风配合就是要保持适当的炉膛负压 减少漏风 燃料量的调节是燃烧调节的重要环节 不同的燃烧设备和不同的燃料种 类 燃料量的调节方法也各不相同 在循环流化床锅炉中 调节燃料量主要 是通过调节给煤机的投入以及电机转速来控制的 19 当外界负荷 汽压稳定 而燃烧工况发生变化时 这是由炉膛内部燃烧 不稳定造成的 此时 应参考的重要参数是炉床温度 因为床温的理想范围 是 850 950 在这个范围内的床温变化是可以接受的 当床温变化跳出这 个范围后 就要做适当调节 如果温度降低或者升高的幅度较小 那么只需 8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 要调节返料风机就能够达到目的 如果温度变化幅度很大 则需要及时调节 给煤机转速和一次风机的转速以及挡板开度 锅炉的送风量和吸风量方便调节才能满足燃烧的需要 锅炉的送风量是 通过调节一次风机 二次风机和返料风机的电机转速和挡板开度来改变的 1 一次风量调节 当外界负荷变化引起锅炉出力变化情况下 必然会改 变燃料量 同时需要参考一次风量的实际反馈值 如果床温变化较小 可以 通过改变返料风机的挡板开度 以及微调一次风机的挡板开度来调节床温回 到 850 950 之间的范围内 这时可以不改变燃料量 一旦床温变化幅度很 大 所引起必然要改变燃料量的情况发生 则必须及时改变一次风机的转速 和挡板的开度 同时参考负压等重要参数 2 二次风量调节 在燃烧过程中还有一个重要的参数需要监视 就是氧 含量 锅炉运行都配有专门的氧含量计配合dcs系统监测 必须保持合理的 o2值 并以此作为送风调节的依据 电厂调节o2含量主要是通过二次风来调 节 因为一次风的作用主要是流化物料和大范围的调节炉内空气量 因此 当o2含量变化幅度不大时 常采用调节二次风机的挡板开度的办法来微调 3 引风量调节 调节炉膛负压的方法是增加或者减小引风机的转速和挡 板开度 通常都是在负荷变化的情况下会有显著的负压调节 一般的调节方 法是 当增加负荷时 先开大引风机挡板 再开大送风机入口挡板 保持炉 膛负压在允许的范围内变动 减负荷时 先减送风量 然后再减引风量 目 的是为了防止正压运行 2 2 3 燃烧控制与专家系统 通过对循环流化床锅炉燃烧特点以及控制过程的分析 可以看出 循环 流化床的燃烧过程十分复杂 燃烧受到多种因素的影响 不仅系统内部的燃 料量 一 二次风 返料量调节 负压控制耦合性强 而且与其它系统 例 如给水调节系统和减温水调节系统也有很复杂的耦合关系 同时燃烧的非线 性和大滞后也使对象十分复杂 难于建立精确的数学模型 具体耦合关系如 表 2 2 所示 9 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 2 2 控制量和被调量之间的耦合关系 table 2 2 coupling relation between parameters and outputs 主 汽 压 力 炉 床 温 度 炉 膛 负 压 烟 气 含氧量 主 汽 温 度 汽包水 位 料 层 高 度 燃料量 强 强 弱 强 中 强 中 一次风量 强 强 强 强 中 中 弱 二次风量 强 中 强 强 中 中 弱 引风量 弱 中 强 强 弱 弱 弱 返料量 弱 弱 弱 中 弱 弱 中 排渣量 弱 弱 弱 弱 无 无 强 石灰石量 弱 弱 弱 弱 弱 无 弱 给水量 中 无 无 无 无 强 无 减温水量 中 无 无 无 强 弱 无 根据上表可以看出 被调量之间和控制量之间存在着很复杂的耦合关系 当改变任何输入量 其它的输出量也会受到影响 而且 有些参数会向相反 的方向变化 这就给采用常规的控制调节方法带来了难题 因此 在本文中 尝试采用专家系统来解决锅炉燃烧的自动控制难题 把锅炉运行操作人员的 丰富经验以知识的形式固化封装 来代替传统的燃烧自动控制策略 20 22 2 3 本章小结 本章主要从循环流化床锅炉的特性和工作原理上进行分析 并且与传统 锅炉的燃烧特性进行比较 得出 cfbb 燃烧控制的难点所在 即非线性 大 滞后 多变量耦合的原因所在 并针对于此特点为燃烧控制专家系统设计提 供理论依据 10 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3章 燃烧控制专家系统设计 3 1 基于 clips 的燃烧控制专家系统 3 1 1 燃烧控制专家系统概述 在本文中 用来实现专家系统的 dcs 为深圳达实智能股份有限公司的 epcs 过程控制系统 这套系统在过程控制方面性能优越 但推理计算并不 是其长处 因此 专家系统的推理在 epcs 系统外部来实现 在本文中使用 专家系统工具来构造专家系统 而不是传统的程序语言和专家系统外壳 应用 clips 开发循环流化床锅炉燃烧控制的专家系统 用 vc 编写用户界面 通过 dll 混合方式编程设计 vc 与 clips 的接口 由于 vc 很容易实现 与 excel 的数据交换 因此 通过 dde 动态数据交换技术就可以实现专家 系统与 epcs 系统之间的数据交换 3 1 2 燃烧控制专家系统结构 推 理 机 图 3 1 专家系统结构 fig 3 1 expert system structure 从描述知识的方式来划分 专家系统分为基于规则的专家系统和面向对 象的专家系统 面向对象的专家系统知识包括对象的基本结构 功能和行为 这种知识往往较深 而基于规则的专家系统知识指基于经验和启发性知识 用 户 用 户 界 面 问题描述 解释 事 实 库 知 识 库 知识获取专家或实践 11 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 这种知识易于理解 本文采用基于规则的专家系统 如图 3 1 所示 它由下 列几个部分组成 知识库 包括知识库及其管理系统 用于存取和管理所获取的专家知识 和经验 供推理机使用 具有知识存取 检索 编排 增删 修改和扩充等 功能 推理机 包括推理机及其控制系统 利用知识进行推理 求解专门问题 具有启发推理 算法推理 正向 反向或双向推理 串行或并行推理等功能 解释模块 即专家系统与用户之间的 人 机 接口 其功能有两个方 面 1 咨询解释 对用户咨询的提问进行 理解 将用户输入的提问及有 关事实 数据和条件 转换为推理机可接受的信息 2 结论解释 向用户 输出推理的结论或答案 并且根据用户需要对推理过程进行解释 给出结论 的可信度估计 数据库 这是专家系统中用于存放反映系统当前状态的事实数据的 场 所 其数据包括输入的事实 已知的事实以及推理过程中得到的中间结果 等 它们能反映系统要处理问题的主要状态和特征 是系统操作的对象 知识获取机 这是专家系统和专家之间的 界面 目前 专家系统一般 都通过人工方法获取知识 界面 就是知识工程师 采用 专家面谈 等方 式获取知识 经过整理后 再输入知识库 为了提高效率 可采用 知识获 取辅助工具 支援知识工程师的工作 此外 还可以用 限定性 自然语言 的 人 机 交互系统 通过键盘和显示器与专家 对话 以获取知识 3 1 3 专家系统开发工具 clips clips是 c语言集成产生式系统 c language integrated production system 的首字母缩略词 它是美国航空航天局 约翰逊太空中心用c语言设 计的 他的特点是简便 低成本和易于与外部系统集成 clips是一种多范 例编程语言 它支持基于规则的 面向对象的和面向过程的编程 其推理和 表示能力与ops5相似 但功能更强 在语法方面 clips规则与art art im eclipse和cognate语言的规则极为相似 它仅支持正向链规则 clips与一般 的产生式系统的不同在于其推理中独特的rete模式匹配算法 极大地提高了 系统的反应速度 23 clips 语言的优点包括 12 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 逻辑推理方面具有强大功能 使用 clips 开发专家系统 推理机的设计 可以大大简化 只需要将相关领域的知识按照给定的知识模型表示并按一定 结构顺序组织起来即可 可移植性好 clips 由 c 语言写成 因此可移植性和速度都很好 并且 可以不必改变代码就安装到很多不同的计算机上 可扩展性好 clips 免费提供全部源代码 我们可以根据自己的需要方 便的修改和裁减 有利于和其它语言联合使用 clips很容易实现和其它语言的接口 而 且clps写成的专家系统可以和vc 共同编译 极大地提高了系统运行速度 和可移植性 24 clips 语言也有其自身的局限性 主要包括以下几点 clips 语言也有数值计算功能 但是相比于 matlab 等 其数值计算 功能比较简单 对于复杂计算 通常要与其它工具配合使用 另外 clips 在数据采集和与外设的数据交换等方面也并不擅长 由 clips 开发的专家系统和数据库之间的接口不易实现 clips 只提供文本环境和用户进行交互 缺少开发图形用户界面的能力 这使得 clips 开发出来的专家系统与用户的交流很不方便 3 1 4 clips 基本语法构成 clips 包含自定义模板结构 自定义事实结构和自定义规则结构三个主 要的组成部分 3 1 4 1 自定义模板结构 事实被创建之前 必须告知clips一个给定关系名 的合法槽的列表 共享共同的关系名和包含共同的信息的几组事实可以利用 自定义模板 deftemplate 来描述 通过加入程序员的知识到clips环境中 结构 construct 形成了clips程序的核心 它与函数和命令不同 自定义 模板结构类似于pascal语言中的记录结构 7 自定义模板结构的一般格式是 clips deftemplate 的语法描述定义为 slot multislot 13 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 其中 clips 为 clips 系统提示符 deftemplate 为定义模板的关键字 relation name 为自定义模板的关系名 slot deftemplate 为槽定义语法 multislot 为多字段槽定义 一个槽用 slot 定义后 就只能包含一个值 如果 我们希望槽值包含多个字段的话 就要用 multislot 关键字来对槽进行定义 在本系统程序中使用到的自定义模板有 18 个 deftemplate main neg press slot class deftemplate main exhaust fan multislot action deftemplate main current slot class slot type 自定义模板 neg press 用于储存关于炉膛负压的信息 在此模板中定义了 一个槽 为炉膛负压的值模糊后的参数 表明炉膛负压参数的事实被采集到 后 与知识库中的规则进行匹配 匹配结束后输出结果 通过数据库回送给 dcs 系统 自定义模板 exhaust fan 用来存储关于引风机动作的信息 槽 action 的值为根据炉膛负压控制规则得出的结论 每个结论对应一个确定的引风机 挡板开度的值 这个值通过数据库输出给 dcs 系统去调节引风机挡板的开 度 这样就可以达到对现场设备的实时控制 燃烧调节规则是比较复杂的 因为每个参数都有比较多的状态 在系统运行的时候 状态之间变化比较快 因此对系统的反应的速度要求较高 每个自定义模板都来存储对应的事实信 息 这里就不一一介绍了 3 1 4 2 规则结构 规则就是为了完成特定的工作 所定义的知识表示方式 多条规则就构成了系统的知识库 规则的一般结构如下 clips defrule left hand side lhs of the rule right hand side rhs of the rule 整条规则必须用括弧括起 规则中的每一个模式 pattern 和行为 action 也必须用括弧括起 一条规则可能有多个模式和行为 如果模式 和行为被嵌套 则将它们括住的括弧必须适当地配对 所有的模式与事实匹 14 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 配 规则才会被激活并被放入议程中 按clips自动生成的优先级执行 25 规则的开头包括三个部分 它必须以关键词 defrule 开头 接着是规则名 然后是规则的左部和右部 分别对应条件和结论部分 本文中的规则主要有 clips derule neg press adj1 neg press class h assert exhaust fan action enhance baffle 3 printout t enhance exhaust fan baffle opening 3 crlf 自定义规则 neg press adj1 用来表示炉膛负压调节规则 1 规则的左部为 对炉膛负压参数的匹配 当采集的负压数据经过处理后的参数等级为高的时 候 clips 将执行操作 激活这条规则 并声明一条事实来开大引风机挡板 的开度 并且在屏幕上显示进行的操作 clips 的开发编程界面如图 3 2 所示 图 3 2 clips 编程界面 fig 3 2 clips programme hmi 3 1 4 3 议程与执行 可以用运行命令使 clips 程序运行 run 命令的语法结 构是 run 其中 可选的参数是要被触发的规则的最大数目 如果没 15 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 有输入或等于 1 则规则会被触发 直到议程中无规则剩下为止 否 则 触发规定的规则个数后 就会停止执行规则 26 规则需要事实匹配条件才能激活执行 在 clips 中 reset 命令是启动或 重新启动专家系统的主要方法 一般地 用 reset 命令声明的事实与一条或多 条规则的模式相匹配 并把这些规则的激活状态置于议程当中 再次执行 run 命令则开始执行该程序 clips 程序执行如图 3 3 所示 图 3 3 clips 程序执行 fig 3 3 clips programme running 在图 3 3 中可以看到 initial fact 是由 reset 命令所生成的初始事实 燃 烧调节规则 burning adj23 被事实 steam press class jl bed temp class hl bed temp class kd 和 out smoke temp class hl 所激活 因此 此 规则的激活状态先被放入议程之中 当再次运行 run 命令时 这些规则的激 活状态被执行 burning adj23 规则结论中的事实被声明并被放入议程当中 可以作为匹配其它规则的事实 如果没有其它规则需要匹配 则作为结果通 过 vc 与 clips 的接口在人机界面上输出 同时在数据库中根据规则改变参 数如 引风机挡板开度 二次风机挡板开度以及给煤机转速等的数值 并通过 dcs 系统送给执行机构 16 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 2 知识获取与表示 3 2 1 知识获取 对于专家系统而言 所谓知识获取是指通过人工方法从一个领域专家处 或潜在的知识源 提炼知识 并把它转化为计算机程序的过程 它包括问 题的定义 实现 完善以及表达从专家处获取的事实和关系 这里潜在的知 识源包括专家 书本 数据库以及人们的经验等 本文中的燃烧控制专家系统由负压调节子系统 氧量调节子系统 主汽 温度调节子系统 料床压力调节子系统 燃烧调节子系统 设备停机子系统 组成 每个子系统有相对应的规则 这些规则是通过在现场与熟练工程技术 人员交流 探讨以及观摩其进行现场调节后总结得到的 3 2 2 知识表示 知识有很多表示技术 包括产生式系统 语义网 框架 脚本 对象 属性 值三元组以及知识表示语言 本文中采用的知识表示方法为产生式表示 方法 产生式系统通常包括事实库 规则库 和控制模块 27 事实库 事实库中是用 deffact 命令事先声明的事实 事先声明的事实一 般都是已知正确的和常识性的事实 在规则推理中要用到事实库中的事实来 推理 在本文中推理所用到的事实都是从 dcs 系统实时采集来的数据并且模 糊化后的参数 得到事实即开始推理 并得出结论 没有用到事先声明的事 实来进行比较和计算 规则库 规则库存放的是专家系统的知识表示形式 产生式规则表示了 问题领域中的一般知识 每个规则包括一个条件部分 c 和一个动作部分 a 其 形式如下 如果 if 条件 c 则 then 结论 a 本文的规则库中也是以这种形式存放的就是锅炉燃烧控制的专家知识 例如 规则 1 if 炉膛负压高 then 开大引风机挡板 2 17 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 以 clips 语言编程实现如下 clips defrule main oxy adj1 oxy in smoke class l assert sec pump fan action enhance baffle 2 printout t enhance sec pump fan baffle opening 2 此条规则描述的是氧含量调节的方法 1 当氧含量参数被采集并处理为 等级低的时候 那么二次风机的挡板开度要增加 2 这样可以增加空气进 气量 提高氧含量至正常水平 规则 32 if 主汽压力高 and 床温较高 and 炉膛出口温度较高 and 床 温变化率慢升 then 减煤 2 减一次风 2 返料风减 7 以 clips 语言编程实现为 clips defrule main burning adj steam press class h bed temp class jh bed temp rate class mr out smoke temp class jh assert pump fan action reduce baffle opening 2 assert fuel supply mac action reduce speed 2 assert recycle ash fan action reduce baffle opening 7 printout t reduce pump fan baffle opening 2 printout t reduce fuel supply mac speed 2 printout t reduce recycle ash fan baffle openi