周洪生，王 樊，郭軍建，劉經(jīng)邦，袁鳴浩

基于ICMMS架構的汽輪機發(fā)電機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

（襄陽中車電機技術有限公司，湖北 襄陽 441047）

以汽輪機發(fā)電機組為研究對象，基于ICMMS系統(tǒng)架構，將分布式計算思想和現(xiàn)場總線技術相融合，綜合運用人工智能、計算機技術、智能控制、專家診斷系統(tǒng)、自適應控制等技術，構成分布式智能控制系統(tǒng)．并以河南駐馬店某秸稈發(fā)電項目為例，與傳統(tǒng)的汽輪機發(fā)電機組控制技術進行從智能、環(huán)保、節(jié)能、穩(wěn)定性等進行比較．結果表明：該系統(tǒng)提升了汽輪機發(fā)電機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)實現(xiàn)循環(huán)式的經(jīng)濟發(fā)展．

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

國家工信部對外公布的《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，推進低品質(zhì)熱源的回收利用，形成能源的梯級綜合利用，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重要．汽輪機的控制系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，存在氣壓和熱量不穩(wěn)定，隨生產(chǎn)過程波動比較大，因此對其提出了更高的要求．

分布式智能控制系統(tǒng)是21世紀的新型控制系統(tǒng)．隨著自動化技術的發(fā)展，工業(yè)企業(yè)控制系統(tǒng)從20世紀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—管理集成系統(tǒng)ICMMS（intelligent control maintenance and technical management system）［1］．ICMMS主要針對工業(yè)中的控制、維護、管理3個技術領域，運用FCS現(xiàn)場總線技術將現(xiàn)場智能執(zhí)行設備與智能傳感器連接起來，同時綜合運用自動化技術、信息技術及管理技術，將控制、維護、管理3個領域集成一個系統(tǒng)，形成有機整體，從而優(yōu)化了汽輪機發(fā)電機組系統(tǒng)．因此，ICMMS是比較先進、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、管理三個方面，但這三個方面發(fā)展不平衡，控制方面發(fā)展相對成熟，維護和管理方面發(fā)展相對薄弱．這就導致控制、維護、管理3個方面基本互為獨立，形成自動化信息孤島，沒有有效“互聯(lián)互通”，缺乏信息交換［2］．同時系統(tǒng)的智能性、開放性不強，因而系統(tǒng)不靈活，使用周期不長，不同廠家的系統(tǒng)缺乏兼容性和維護性，使用戶難以更新系統(tǒng)，造成巨大浪費．當前汽輪機發(fā)電機機組普遍采用的這種系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)都是相對獨立控制，只能進行過程控制，對整個系統(tǒng)不具備智能故障診斷、智能管理維護、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)電這種波動性很大的應用工況．

本文研究以汽輪機發(fā)電機組為研究對象，在現(xiàn)場智能執(zhí)行器和智能傳感器基礎上，提出基于ICMMS系統(tǒng)架構的分布式智能控制方法，將分布式計算的思想和現(xiàn)場總線技術相融合，綜合運用計算機技術、智能控制、專家診斷系統(tǒng)、自適應控制等技術，構成分布式智能控制系統(tǒng)．同時兼顧維護和管理，對整個機組的技術性能、效率、經(jīng)濟指標等方面統(tǒng)一處理．以河南駐馬店某秸稈發(fā)電項目與傳統(tǒng)的汽輪機發(fā)電機組控制技術從智能、環(huán)保、節(jié)能、穩(wěn)定性等進行比較．

1 分布式智能控制系統(tǒng)設計

本文研究對象即汽輪機的發(fā)電機類型為無刷同步發(fā)電機，其電氣系統(tǒng)主要包含高低壓配電系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、勵磁系統(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

該系統(tǒng)主要由智能化自動診斷系統(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)，負責機組系統(tǒng)溫度、壓力、流量、振動、電流、電壓等數(shù)據(jù)信號的采集，同時分析數(shù)據(jù)，保證其反饋的數(shù)據(jù)真實、實時、連續(xù)、誤差可控制性，所有數(shù)據(jù)都采用數(shù)字信號．智能化自動診斷系統(tǒng)向數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)，進行診斷分析，對出現(xiàn)的故障，給出解決方案．智能化控制系統(tǒng)負責對機組每個子系統(tǒng)進行控制，反饋實時運行狀態(tài)．智能化管理系統(tǒng)主要任務是進行運營管理，對各種數(shù)據(jù)分析匯總，計算出機組運行最佳經(jīng)濟運行方案，自動下達到控制系統(tǒng)，同時自動生成各種數(shù)據(jù)報表，通過網(wǎng)絡與企業(yè)ERP系統(tǒng)連接，實時反饋到企業(yè)管理人員［3］．系統(tǒng)總架構如圖1所示，其硬件系統(tǒng)架構如圖2．

圖1 汽輪機發(fā)電機機組分布式智能控制軟件系統(tǒng)架構

圖2 汽輪機發(fā)電機機組分布式智能控制硬件系統(tǒng)架構

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)實時數(shù)據(jù)采集與預處理功能，并與上位機管理系統(tǒng)通信，滿足控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理與智能控制要求，保證測量數(shù)據(jù)的真實、實時、連續(xù)、誤差可控［4］．其組成包括大量精密傳感器、信號調(diào)理預處理模塊、數(shù)據(jù)分析與通信系統(tǒng)（如圖3所示）．

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

系統(tǒng)要采集的電氣設備包括高壓進線柜、汽輪機、發(fā)電機、變頻器、勵磁系統(tǒng)柜、綜保柜、自動同期柜，采集數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡上傳至數(shù)據(jù)服務器，可以直接顯示或按要求進行分析計算后顯示，如總系統(tǒng)功率、負荷浮動范圍、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，通過智能計算、反饋、再調(diào)節(jié)實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行．是具有控制問題求解機理的綜合管理系統(tǒng)，集合模糊自適應調(diào)節(jié)算法、功率復合控制方法、自動化遠程遙控等先進控制手段，實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的自發(fā)性、自治性和快速反應，具有敏捷、靈活與實時的優(yōu)點［5］．智能控制系統(tǒng)主要構架如圖4．

圖4 智能控制系統(tǒng)主要構架

首先，系統(tǒng)不間斷監(jiān)控汽輪機發(fā)電機組運行狀態(tài)，當出現(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、智能化自動診斷系統(tǒng)反饋的信息感知被控對象的變化，自發(fā)地啟動調(diào)節(jié)功能．并且在沒有人工發(fā)起和結束調(diào)控的情況下，智能控制系統(tǒng)擁有對自己行為和內(nèi)部狀態(tài)的控制權，自動地調(diào)節(jié)異常參數(shù)回歸到正常范圍．系統(tǒng)同時根據(jù)測量系統(tǒng)反饋的信號實時改變控制動作，提升調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應速度和精準度．

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備信息，對能耗設備基礎數(shù)據(jù)行進統(tǒng)計，實現(xiàn)車間、能源參數(shù)、設備等統(tǒng)計對象在任意時間段內(nèi)（如年、季、月、日）的能耗統(tǒng)計，并進行圖表輸出．

系統(tǒng)需要搭建一個龐大的數(shù)據(jù)庫，建立站點、設備、計量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)表，并創(chuàng)建表與表之間的關系，然后按照內(nèi)置邏輯設定分類標準進行設備、計量數(shù)據(jù)的查詢、增刪改等操作，進行能耗統(tǒng)計［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)行查詢計算、增刪改等操作，并在界面上顯示．該系統(tǒng)主要實現(xiàn)系統(tǒng)基本設置、系統(tǒng)設備管理、計量設備管理、能耗臺帳、報表圖表生成等功能．智能化管理系統(tǒng)整體結構如圖5所示．

圖5 智能化管理系統(tǒng)整體結構

圖6 智能化自動診斷系統(tǒng)架構

1．5 智能化自動診斷系統(tǒng)

智能化自動診斷系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，記錄系統(tǒng)的運行參數(shù)和歷史故障，對新的可能故障進行預判，提前作出反應，同時尋找故障源給予報警指示，協(xié)助修復系統(tǒng)．是分布式智能控制系統(tǒng)的智慧核心［7］．

智能化自動診斷系統(tǒng)的架構如圖6，主要包括6個部分：數(shù)據(jù)接口、專家知識模塊、專家分析模塊、解釋處理、歷史數(shù)據(jù)、對外接口．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、實時向其它智能模塊傳遞數(shù)據(jù)；并根據(jù)專家知識模塊儲存的設備結構、性能參數(shù)，相關行業(yè)、國家技術標準規(guī)范，對系統(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，分析每個故障出現(xiàn)的原因、頻率，可能性大小的經(jīng)驗判據(jù)及是否發(fā)生的充分或必要條件等與設備相關的知識．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、專家知識模塊的基礎上，綜合運用模糊性控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、功率復合控制等控制算法，盡可能尋找系統(tǒng)產(chǎn)生的故障源，對故障源產(chǎn)生的原因及未來設備狀態(tài)進行預測，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)行動作．

2 系統(tǒng)運行效果

運用現(xiàn)場智能傳感器及智能監(jiān)測儀表，將汽輪機、發(fā)電機的各種參數(shù)，通過現(xiàn)場總線技術將數(shù)據(jù)集中上傳到共享信息化平臺，運用智能診斷、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，形成一個有機整體，提高了機組的運行效率、發(fā)電效率，達到節(jié)能降耗、降本增效的目的．

該系統(tǒng)應用在河南駐馬店某秸稈發(fā)電項目，項目汽輪機主要技術參數(shù)如表1．

表1 項目汽輪機主要技術參數(shù)

圖7 汽輪機及發(fā)電機機組現(xiàn)場實物圖片

圖8 汽輪機發(fā)電機組系統(tǒng)組態(tài)界面

本項目中汽輪機發(fā)電機組主要技術運行指標（見表2）中，部分指標達到或超過生物質(zhì)發(fā)電技術標準［8］要求．

表2 主要技術指標

3 結語

本文基于ICMMS思想的分布式智能控制汽輪機發(fā)電機機組系統(tǒng)技術，將機組內(nèi)各個相對獨立的系統(tǒng)，集中又分散，相互協(xié)作，共同完成一個或者多個控制任務的技術．通過項目的現(xiàn)場實際應用驗證，達到了行業(yè)的技術標準要求．

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

［2］ 楊勝儀，李業(yè)全．機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)在池潭水電廠的應用［J］．電工技術，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的設計［J］．電力自動化設備，2011（8）：131－134．

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

［5］ 韓金麗．以太網(wǎng)技術在工廠自動化控制系統(tǒng)中的應用［J］．科技促進發(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)中的實現(xiàn)［J］．儀器儀表標準化與計量，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，2006（5）：409－414．

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

（責任編輯：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，襄陽中車電機技術有限公司電氣工程師．