管式加热炉燃烧状态监测系统的开发

论文摘要

管式加热炉是一种直接受热式加热设备,主要用于加热液体或气体化工原料,是石油化工行业必不可少的一种设备。由于其是一个能耗设备,同时排出大量的热量和烟气,对环境造成污染,其加热效率也不高。近年来,很多石油化工企业开始重视节能减排,对其进行在线监测和优化控制也逐渐成为该行业研究的热点。由于管式加热炉的生产过程复杂,采用普通的DCS控制效果不是很好,很难提高其加热效率。本文根据现场条件,采用PLC集中采集数据,通过无线传输模块送到中央控制室进行数据处理,在中控室实现管式加热炉的监测与调炉决策。主要由以下几部分组成:1.采集系统包括温度与烟气采集两个子系统,温度采集系统由热电偶与温度变送器组成,通过烟气分析仪对烟气中的CO, O2SO2三种气体进行分析。主控制器采用S7-200（CPU224）对温度和烟气进行采集,其中温度信号是通过RS-485与PLC的Port0相连,采用MODBUS协议进行读取数据;烟气中的三种气体是通过采集其三路4-20 mA信号,再通过量程转化来实现对烟气采集。无线传输系统是由两个ZIGBEE传输模块,PLC,装有组态王软件的上位机组成。由于PLC的PPI协议是不公开的,本文采用其自由口协议来实现中控室的上位机与现场的控制器通信。2.由于管式加热炉的模型很难由机理分析法建立,本文采用数值建模对其模型进行逼近。以CARMA模型为参考结构,通过现场采集的数据,经过数据处理,利用预测误差法对其模型辨识。现场主要采集数据包括鼓风机压力,燃油流量,影响烟气挡板开度的压力值作为模型的三路输入值,以及预热器前后的温度、预热器后氧含量作为输出值来实现对其建模。最后经过模型验证,得出本文采用的数值分析方法,具有较好的精度。3.为了达到在线优化的目的,本文提出了的冗余决策系统包括基于模型的精确控制的决策系统和基于规则库的决策系统。基于模型的控制是在系统稳定下由广义预测控制（GPC）对辨识出的模型加以控制;基于规则库的控制主要是由平时工人经验和专家知识组成的,应用在系统不稳定的情况。4.本文根据系统的控制目标,运用OPC技术解决了MATLAB与组态软件的通信问题。组态王在前台完成基本的数据采集,和简单的运算,历史报表以及给出良好的组态画面视图,而MATLAB在后台完成对模型的控制算法,二者结合更好的给出了调炉建议,从而大大的提高了加热炉的加热效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 管式加热炉简介
• 1.1.1 管式加热炉一般结构
• 1.1.2 管式加热炉的主要技术指标
• 1.2 加热炉控制现状
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 课题的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 管式加热炉数据采集与无线传输系统
• 2.1 数据采集系统
• 2.1.1 数据采集系统硬件配置
• 2.1.2 采集点的确定
• 2.1.3 数据采集系统中的几个关键参数
• 2.2 无线传输系统
• 2.2.1 现场 S7-200 的设置
• 2.2.2 ZIGBEE模块参数设置
• 2.2.3 ZIGBEE模块与上位机组态软件的设置
• 2.3 本章小结
• 第三章 管式加热炉的数学建模
• 3.1 模型结构的确定
• 3.1.1 模型结构的简化
• 3.1.2 CARMA 模型的改进
• 3.2 模型辨识方法
• 3.2.1 CARMA 模型的辨识机制
• 3.2.2 预测误差法
• 3.2.3 辨识过程
• 3.3 系统数据处理与参数辨识结果
• 3.3.1 数据预处理
• 3.3.2 参数辨识结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 管式加热炉的调炉决策系统
• 4.1 基于模型的控制策略
• 4.1.1 广义预测的解耦设计
• 4.1.2 系统仿真
• 4.2 基于规则库的控制策略
• 4.3 冗余决策系统的评价机制
• 4.4 本章小结
• 第五章 中控室监控系统的实现
• 5.1 基于OPC技术MATLAB与组态王的通讯
• 5.1.1 OPC技术规范简介
• 5.1.2 MATLAB与组态王的通讯
• 5.2 系统重要数据监测与调炉建议
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢