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對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:6300844閱讀:165來源:國知局
對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),包括:至少兩種不同類型的數據接口,用于與不同分散控制系統(tǒng)DCS進行數據交互;與所述數據接口連接,用于通過所述數據接口接收或發(fā)送DCS數據的控制設備。本實用新型實施例解決了現有技術中對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的方式無法對多種DCS都適用的技術問題,達到了使對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)可以兼容不同類型的DCS的技術效果。
【專利說明】對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及控制領域,特別涉及一種對分散控制系統(tǒng)(Distributed ControlSystems, DCS)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]火力發(fā)電廠協(xié)調控制系統(tǒng)是對火力電廠的鍋爐、汽機、發(fā)電機這三大主機和重要輔機聯合控制的統(tǒng)稱。火力發(fā)電廠協(xié)調控制系統(tǒng)是機組實現高度自動化的核心,該系統(tǒng)控制品質的高低直接決定了機組的自動化水平。現有常規(guī)的協(xié)調控制系統(tǒng)能夠實現機組的自動控制,但是由于機組類型的不同,同一協(xié)調控制系統(tǒng)的控制品質參差不齊,特別是對于大慣性、大時滯的鍋爐控制品質不是很理想。隨著國民經濟和工業(yè)產業(yè)的發(fā)展,對于供電品質的要求日趨嚴格。
[0003]目前常用的對火力發(fā)電廠進行協(xié)調優(yōu)化控制的方式主要有以下兩種:
[0004]I)以PROFI為代表的協(xié)調優(yōu)化控制系統(tǒng),PROFI控制模塊是專門為電廠設計,用來提高發(fā)電機組的穩(wěn)定性和經濟性的一種控制策略,在實時控制層面上,PROFI基于模塊化設計,主要的模塊包括:帶預測的新機組協(xié)調模塊、自學習的溫度控制模塊等模塊。模塊之間既相互獨立,又可靈活搭配,可以根據電廠的實際情況使用其中一個或多個模塊。
[0005]PROFI運算功能通過預先開發(fā)設計的模件來完成,模件通過控制系統(tǒng)接口接收機組運行的一些重要測量信號(例如:溫度、流量、壓力及執(zhí)行器閥位等)和主控制回路的實際整定參數,這種處于模件和過程控制系統(tǒng)之間的接口是通過總線通訊方式來實現的。位于模件中的PROFI控制軟件采集上述信息,用于觀測機組的動態(tài)特性,然后計算出設定值的動態(tài)校正值,然后再將該校正值送回到過程控制系統(tǒng),與原先的設定值進行疊加。
[0006]2)以增強DCS中的軟件功能為代表的協(xié)調優(yōu)化方式。大部分DCS廠家通過開發(fā)自身的DCS的軟件,增強其軟件功能,以實現諸如,模糊控制、預測控制等高級算法。
[0007]然而,上述兩種方式都存在不足的地方:PR0FI方案中其應用對象主要是特定的DCS,對于其他DCS應用存在一定的局限性;以增強DCS中的軟件功能為代表的優(yōu)化方式由于其主要應用在自身的DCS中,無法在其他DCS中得到有效的應用。
實用新型內容
[0008]本實用新型實施例提供了一種對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),以達到兼容多種不同類型的DCS的目的。
[0009]本實用新型實施例提供了一種對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),包括:至少兩種不同類型的數據接口,用于與不同DCS進行數據交互;與所述數據接口連接,用于通過所述數據接口接收或發(fā)送DCS數據的控制設備。
[0010]在一個實施例中,所述數據接口包括如下至少兩種不同類型:應用程序編程接口AP1、用于過程控制的對象連接與嵌入OPC通信接口、Modbus接口、輸入輸出IO卡件硬接線接口。[0011 ] 在一個實施例中,所述IO卡件硬接線接口包括:模擬量輸入卡件Al和模擬量輸出卡件AO ;或者,所述IO卡件硬接線接口包括:開關量輸入卡件DI和開關量輸出卡件D0。
[0012]在一個實施例中,所述控制設備包括:與所述數據接口連接,用于對通過所述數據接口接收或發(fā)送的DCS數據進行分發(fā)的交換機;與所述交換機連接,用于對所述交換機分發(fā)的DCS數據進行運算處理的控制芯片。
[0013]在一個實施例中,所述交換機包括:主交換機,用于對通過所述數據接口接收或發(fā)送的DCS數據進行分發(fā);冗余交換機,用于在主交換機故障時,對通過所述數據接口接收或發(fā)送的DCS數據進行分發(fā)。
[0014]在一個實施例中,所述控制芯片包括:主控制芯片,用于對所述交換機分發(fā)的DCS數據進行運算處理;冗余控制芯片,用于在主控制芯片故障時,對所述交換機分發(fā)的DCS數據進行運算處理。
[0015]在上述實施例中,提供了一種對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),在該設備系統(tǒng)中設置有至少兩種不同類型的數據接口,用于與不同DCS進行數據交互,以及與所述數據接口連接,用于通過所述數據接口接收或發(fā)送DCS數據的控制設備。由于在該對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)中設置了至少兩種類型的數據接口,從而使得該設備系統(tǒng)可以兼容不同類型的DCS,從而解決了現有技術中對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的方式無法對多種DCS都適用的技術問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解,構成本申請的一部分,并不構成對本實用新型的限定。在附圖中:
[0017]圖1是本實用新型實施例的對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)的結構示意圖;
[0018]圖2是本實用新型實施例的對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)的具體結構示意圖;
[0019]圖3是本實用新型實施例的對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)的具體結構示意圖;
[0020]圖4是本實用新型實施例的對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)的具體實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白,下面結合實施方式和附圖,對本實用新型做進一步詳細說明。在此,本實用新型的示意性實施方式及其說明用于解釋本實用新型,但并不作為對本實用新型的限定。
[0022]本實用新型實施例提供了一種對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),如圖1所示,設置有至少兩種不同類型的數據接口 101,用于與不同DCS102進行數據交互;以及與數據接口 101連接,用于通過數據接口 101接收或發(fā)送DCS數據的控制設備103。
[0023]在上述實施例中,提供了一種對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),在該設備系統(tǒng)中設置有至少兩種不同類型的數據接口,用于與不同DCS進行數據交互,以及與所述數據接口連接,用于通過所述數據接口接收或發(fā)送DCS數據的控制設備。由于在該對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)中設置了至少兩種類型的數據接口,從而使得該設備系統(tǒng)可以兼容不同類型的DCS,從而解決了現有技術中對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的方式無法對多種DCS都適用的技術問題。
[0024]考慮到DCS接口的多樣化,上述的與DCS進行數據交互的接口可以包括如下至少兩種不同類型:應用程序編程接口(Application Programming Interface,API)、用于過程控制的對象連接與嵌入(OLE for Process Control,0PC)通信接口、Modbus接口、輸入輸出(Input Output, 10)卡件硬接線接P。
[0025]對于上述的10卡件硬接線接口主要就是通過模擬量(例如高低電平)的方式或者是開關量(例如O和I的方式)的方式來實現數據傳輸的接口方式,這種方式主要是硬接線方式,在一個實施例中,上述10卡件硬接線接口包括:模擬量輸入卡件Al和模擬量輸出卡件A0;或者,10卡件硬接線接口包括:開關量輸入卡件DI和開關量輸出卡件D0。
[0026]對于上述的控制設備103,如圖2所示,包括:與上述數據接口 101連接,用于對通過所述數據接口接收或發(fā)送的DCS數據的交換機201 ;和與所述交換機201連接,用于對所述交換機分發(fā)的DCS數據進行運算處理的控制芯片202。
[0027]為了保證對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)中一段網絡或交換機出現問題時,不會導致整個設備系統(tǒng)的崩潰,以保證設備系統(tǒng)的安全運行,可以采用冗余策略在設備系統(tǒng)中設置冗余的交換機和控制芯片,在一個實施例中,如圖3所示,交換機201包括:主交換機301,用于對通過所述數據接口接收或發(fā)送的DCS數據進行分發(fā);冗余交換機302,用于在主交換機故障時,對通過所述數據接口接收或發(fā)送的DCS數據進行分發(fā);控制器202包括:主控制芯片303,用于對所述交換機分發(fā)的DCS數據進行運算處理;冗余控制芯片304,用于在主控制芯片故障時,對所述交換機分發(fā)的DCS數據進行運算處理。
[0028]在上述各個實施例中,上述對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)用于對燃煤火力發(fā)電廠協(xié)調控制系統(tǒng)進行控制品質優(yōu)化。
[0029]下面結合一個具體的實施例對本實用新型上述的對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)進行具體描述。
[0030]在本例中,對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)中提供了多種接口方式與DCS進行數據交互,從而使得本例中的設備系統(tǒng)可以根據DCS類型的不同采用不同的數據傳輸方式,將數據傳輸至對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)的設備系統(tǒng)。在實施過程中,對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)接收的DCS的數據主要有:主汽壓力、主汽溫度、風量、煤量、給水流量、功率等,對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)在接收到這些參數數據后可以通過預測等高級算法,計算得到控制信號的增量,然后再通過上述數據接口將增量數據回傳至DCS中,與原有的控制變量融合后得到最終的控制信號,最終實現對火力發(fā)電廠的主輔機設備的控制。
[0031]為了使得上面的硬件結構的作用更為清楚,下面將從硬件和以硬件中的功能實現兩個方面進行具體說明:
[0032]為廣泛適應不同DCS接口的要求,在本實施例中采用了不同的硬件接口方式。如圖4所示,為了簡化說明,在本例中將對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)簡稱為優(yōu)化系統(tǒng),在如圖4所示的優(yōu)化系統(tǒng)中,通過OPC方式(主要是與DCS中的OPC服務器進行數據交互)、原有DCS開放的API接口方式(通過原有的DCS開放通信協(xié)議與DCS中的通信服務器進行數據交互)、ModbuS方式以及IO硬接線方式中的一種或多種與原DCS進行數據交互。
[0033]對于如圖4所示的優(yōu)化系統(tǒng),主要包括以下硬件物理結構:
[0034]I)控制設備,為了提高優(yōu)化系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,控制設備中的所有硬件結構中都可以采用冗余設計,為了提高優(yōu)化系統(tǒng)的適應性和開放性,如圖4所示,控制設備中包含一對冗余的數據交換機和一對冗余的控制器,其中,該控制器所實現的功能可以是通過控制芯片實現的。對于由監(jiān)控設備下發(fā)的數據和指令通過冗余的數據交換機與控制器進行交互,因為采用了雙重網絡冗余,如果其中一段網絡或交換機出現故障,并不會導致系統(tǒng)的崩潰,保證了系統(tǒng)的安全運行。冗余的控制器對通過數據接口傳輸過來的數據,按照一定算法進行處理后得到控制數據,最后通過數據接口將處理后的數據輸出,發(fā)送給DCS。對于上述一對冗余的控制器在某一時刻只有一個控制器作為“主控制器”工作,以完成數據的計算和輸出,另一個作為“備控制器”工作,實時備份“主控制器”的數據并監(jiān)視其工作狀態(tài),當檢測到“主控制器”出現問題時,即可立刻切換到由“備控制器”進行工作負責數據的計算和輸出,從而保證系統(tǒng)的安全運行。
[0035]2)數據接口,包括:10卡件、Modbus通信模件、OPC通信模件以及原DCS開發(fā)的API接口,數據接口主要與原DCS進行數據交互,滿足不同DCS的數據傳輸要求。其中,10卡件可以包括Al (模擬量輸入卡件)、A0 (模擬量輸出卡件)、DI (開關量輸入卡件)以及DO (開關量輸出卡件)。
[0036]為了對上述控制設備進行,圖4中還設置有監(jiān)控設備,在監(jiān)控設備中可以包含有工程師所用的計算機設備、操作員所用的計算機設備和用于存儲歷史數據的存儲器,其中,工程師所用的計算機設備可以完成邏輯控制回路的設計和實現,用于控制設備的工作方式進行控制和管理;操作員所用的計算機設備可以完成對工藝過程的操作和監(jiān)控;存儲歷史數據的存儲器主要用于保存監(jiān)控數據和控制數據。
[0037]在圖4所示的優(yōu)化系統(tǒng)中的控制芯片可以實現以下功能:
[0038]在試驗方法和機理分析可以得到火力發(fā)電廠的主汽壓力、功率和溫度的理論模型,將得到的理論模型作為優(yōu)化系統(tǒng)中控制芯片的初始化參數。在上述優(yōu)化系統(tǒng)與DCS相連進行數據交互后,優(yōu)化系統(tǒng)根據DCS通過接口傳來的實時數據(例如實際工況的主汽壓力、實時功率以及與設定值之間的偏差)修正理論模型,從而保證構建的模型的精確性和可靠性,以便為后端動態(tài)參數的分配提供較為精確的數據。具體的,優(yōu)化系統(tǒng)中的控制芯片可以實現以下功能:
[0039]I)動態(tài)參數分配功能,接收根據實際工況修正后的模型,通過評估和預測算法,實時修正后端的壓力預測模型和功率預測模型。根據實際負荷的不同,一般可以劃分為50%Pe-66.7%Pe、66.7%Pe_83.3%Pe、83.3%Pe-100%Pe三個負荷段,分別對這三個負荷段進行參數修正。
[0040]2)主汽壓力預測功能,用于根據負荷段的不同接收來壓力模型的修正數據,同時通過比較主汽壓力設定Ps與實際主汽壓力Pt之間的偏差計算得到控制數據,將得到的控制數據輸出到原DCS中作為燃料控制器的修正數據。同時,經過變換形成對鍋爐風煙控制系統(tǒng)的修正數據,并將變換后的數據分別送至總風量控制系統(tǒng)和一次風壓控制系統(tǒng)。[0041]3)直接功率控制(Direct Power Control, DPC)功率預測功能,通過計算給定功率NO和實際功率N之間的偏差,計算得到控制數據,同時接收動態(tài)參數分配在不同負荷段對其控制器的參數修正,并設計了針對電網考核和管理規(guī)定設計的自動發(fā)電量控制(Automatic Generation Control, AGC)動態(tài)補償功能,在變負荷期間對其進行必要的修正,提高了機組變負荷的適應性和有效性。
[0042]4) 一次調頻控制功能,該一次調頻控制功能是基于智能預測的,根據電網頻率的變化智能地調節(jié)DPC控制器的設定和輸出給定,從而適應不同頻率變化對于機組控制的要求。
[0043]5)動態(tài)煤量燃值修正功能,該動態(tài)煤量燃值修正功能是基于能量守恒的,在主要參數變動之前,用于實時動態(tài)比較燃料的變化,在負荷變動過程中實時修正燃料變化量,同時修正總風量和一次風壓控制系統(tǒng)的變化量,從而提高鍋爐燃燒過程對于煤種變化的適應性。
[0044]在圖4所示的優(yōu)化系統(tǒng)中,利用預測控制理論解決了火力發(fā)電廠協(xié)調控制系統(tǒng)難以解決的針對大慣性、大滯后鍋爐特性難以適應電網調頻調峰要求的問題,提高了機組的變負荷能力和適應性,提高了機組各項指標的調節(jié)性能,同時滿足了火電機組對于不同煤種的適應性。具有對不同DCS的接口設計,使得任何DCS都能有效接入。硬件設計采用冗余設計的方式,保證了系統(tǒng)的安全運行,同時優(yōu)化系統(tǒng)與DCS接入數據的類型為增量型,當優(yōu)化系統(tǒng)切除時不會對原系統(tǒng)帶來安全隱患。
[0045]該優(yōu)化系統(tǒng)在保證機組安全運行的基礎上,利用預測控制理論設計出針對現有工況的功能,使機組在負荷快速跟隨的情況下,壓力盡量保持穩(wěn)定,保證全程AGC時負荷響應快速穩(wěn)定,提高了機組對于AGC指令的相應能力,滿足了電網調峰調頻的要求,同時滿足了機組的經濟性要求。
[0046]在使用圖4所示的優(yōu)化系統(tǒng)對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化時,主要包括以下幾
I K
少:
[0047]I)完成對于優(yōu)化系統(tǒng)的安裝和調試,以及軟件設計和組態(tài)、下裝。
[0048]2 )機組正常運行,在原有的DCS協(xié)調控制切除的條件下,對鍋爐、汽機進行對象特性試驗,運用機理建模和試驗分析建立對象模型。
[0049]3)根據對象模型初步整定各個控制器參數。
[0050]4)系統(tǒng)試投入試驗。
[0051]5)機組正常運行,在50%額定負荷、66.7%額定負荷、83.3%額定負荷、90%額定負荷、100%額定負荷分別進行系統(tǒng)參數的整定試驗。
[0052]6)機組正常運行,進行連續(xù)變負荷試驗。
[0053]從以上的描述中,可以看出,本實用新型實施例實現了如下技術效果:提供了一種對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),在該系統(tǒng)中設置有至少兩種與DCS進行數據交互的接口,和與所述至少兩種與DCS進行數據交互的接口連接,用于通過所述至少兩種與DCS進行數據交互的接口中的接口接收或者發(fā)送DCS數據的控制層設備。由于在該對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng)中設置了至少兩種與DCS進行數據交互的接口,從而使得該系統(tǒng)可以兼容不同類型的DCS,從而解決了現有技術中對DCS的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的方式無法對多種DCS都適用的技術問題。[0054]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已,并不用于限制本實用新型,對于本領域的技術人員來說,本實用新型實施例可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),其特征在于,包括: 至少兩種不同類型的數據接口,用于與不同分散控制系統(tǒng)DCS進行數據交互; 與所述數據接口連接,用于通過所述數據接口接收或發(fā)送DCS數據的控制設備。
2.如權利要求1所述的對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),其特征在于,所述數據接口包括如下至少兩種不同類型:應用程序編程接口 AP1、用于過程控制的對象連接與嵌入OPC通信接口、Modbus接口、輸入輸出IO卡件硬接線接口。
3.如權利要求2所述的對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),其特征在于: 所述IO卡件硬接線接口包括:模擬量輸入卡件Al和模擬量輸出卡件AO ; 或者,所述IO卡件硬接線接口包括:開關量輸入卡件DI和開關量輸出卡件D0。
4.如權利要求1所述的對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),其特征在于,所述控制設備包括: 與所述數據接口連接,用于對通過所述數據接口接收或發(fā)送的DCS數據進行分發(fā)的交換機; 與所述交換機連接,用于對所述交換機分發(fā)的DCS數據進行運算處理的控制芯片。
5.如權利要求4所述的對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),其特征在于,所述交換機包括: 主交換機,用于對通過所述數據接口接收或發(fā)送的DCS數據進行分發(fā); 冗余交換機,用于在主交換機故障時,對通過所述數據接口接收或發(fā)送的DCS數據進行分發(fā)。
6.如權利要求4所述的對分散控制系統(tǒng)的協(xié)調控制品質進行優(yōu)化的設備系統(tǒng),其特征在于,所述控制芯片包括: 主控制芯片,用于對所述交換機分發(fā)的DCS數據進行運算處理; 冗余控制芯片,用于在主控制芯片故障時,對所述交換機分發(fā)的DCS數據進行運算處理。
【文檔編號】G05B19/418GK203720605SQ201320620399
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權日:2013年10月9日
【發(fā)明者】李衛(wèi)華, 劉磊, 楊振勇, 康靜秋, 駱意, 高愛國, 劉愛民, 王勝, 杜建忠 申請人:國家電網公司, 華北電力科學研究院有限責任公司, 河北大唐國際王灘發(fā)電有限責任公司
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