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浅析锅炉自动燃烧智能控制系统现状与发展趋势

发表时间：2021/5/10 来源：《基层建设》2021年第1期作者：黄复兴张立升

[导读] 摘要：当前我国的供能系统中，以燃煤锅炉为主，锅炉实际运行效率远低于设计效率，建立一套切实可行的燃烧自动控制系统，对于节省人力、节约资源、保护环境等有着重大的社会经济效益。

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        摘要：当前我国的供能系统中，以燃煤锅炉为主，锅炉实际运行效率远低于设计效率，建立一套切实可行的燃烧自动控制系统，对于节省人力、节约资源、保护环境等有着重大的社会经济效益。
        关键词：锅炉，控制，专家系统，模糊控制，PID控制器
        1 研究的目的和意义[1]
        我国是个能耗大国，锅炉作为能源供给及能源转化设备广泛使用。然而我国工业锅炉的设计效率不低，但实际运行效率低于国际先进水平20个百分点。其形成的主要原因是燃用未经洗选、筛分的原煤，不能符合锅炉燃烧的基本要求，机械不完全燃烧，热损失大，普遍存在低负荷运行，过量空气系数大、排烟热损失大等，这也与运行人员水平低及缺乏最基本的自动控制密切相关。因此采用先进的自动化系统集成技术和计算机技术，开发集中监控系统，实时提供各台锅炉的运行参数和运行状态及相应控制，是锅炉安全、可靠运行，确保工厂安全生产所必需的，并为生产管理和技术改造创造条件。
        燃烧控制系统是锅炉控制的重要环节。它是一个耦合严重、具有严重非线性、时变特性、扰动变化激烈且幅值大的多变量系统，其中送风量、引风量、给煤量、热网负荷、环境温度等参数的变都将对燃烧系统产生直接扰动，当波动较大时，燃烧系统将出现振荡现象，严重影响锅炉的安全运行；同时，燃烧得不好，将直接关系锅炉煤烟的排放质量，对环境造成严重污染，因此，燃烧不仅直接影响锅炉供热工况的稳定，而且对节能降耗，保护环境，提高锅炉的热效率有着重要的意义。
        2 国内外在该方向的研究现状及发展趋势
        2.1 计算机控制技术的研究现状[4]
        计算机控制系统形式与生产过程的复杂程度密切相关，现代计算机控制系统大致可分为以下5种典型的形式。
        1.操作指导系统该系统不仅具有数据采集和处理的功能，而且能够为操作人员提供反映生产过程的各种数据，并相应地给出操作指导信息，供操作人员参考。
        2.直接数字控制系统直接数字控制（DDC）系统的计算机首先通过模拟量输入通道和开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。DDC系统属于计算机闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。
        3.监督控制系统监督控制SCC中，计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型和其它方法，自动改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，使生产过程始终处于最优工况。又称之为定值控制系统。
        4.分散型控制系统DCS 分散型控制系统是采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作控制级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。
        5.现场总线控制系统FCS 现场总线控制系统是新一代分布式控制系统，结构模式为：“工作站——现场总线智能仪表”二层结构，FCS用二层结构完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，实现了真正的开放式互联系统结构。
        2.2 计算机控制系统的发展趋势[3]
        经典的反馈控制、现代控制和大系统理论在应用中遇到不少难题，而人工智能的出现和发展，促进自动控制向更高的层次发展，即智能控制。智能控制主要有以下五种类型：
        1.分级递阶智能控制系统分级递阶智能控制，作为一种认知和控制系统的统一方法论，其控制智能是根据分级管理系统中十分重要的“进度随智能提高而降低”的原理而分级分配的。由组织级、协调级、执行级组成。
        2.模糊控制系统模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法。

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一方面模糊控制提供一种实现基于知识规则的甚至语言描述的控制规律的新机理；另一方面，模糊控制提供了一种改进非线性控制器的替代方法，这种非线性控制器一般用于控制含有不确定性和难以传统非线性控制理论处理的装置。
        3.专家控制系统专家控制系统所研究的问题一般都具有不确定性，是以模仿人类智能为基础的。工程控制论与专家系统的结合，形成了专家控制系统。
        4学习控制系统学习控制系统是一个能在其运行过程中逐步获得被控对象及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的评价标准下进行估值、分类、决策和不断改善系统品质的自动控制系统。
        5.神经控制系统神经控制系统是智能控制的一个崭新研究方向。是一个很有希望的研究方向。这不但是由于神经网络技术和计算机为神经控制提供了基础，而且还由于神经网络具有一些适合于控制的特性和能力。
        3 锅炉自动燃烧控制的发展及研究现状
        近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通讯与网路技术、微电子技术的高速发展，给计算机技术带来了巨大的变革。人们利用计算机控制技术可以完成常规控制技术无法完成的任务，达到常规控制技术无法达到的性能指标。随着计算机技术、高级控制策略、现场总线智能仪表和网络技术的发展，计算机控制技术水平必将大大提高。
        3.1 国内外研究现状[2]
        在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，燃料充分燃烧，降低了烟气中SO2排放量，减少对环境的污染。
        在国内，由于经济技术条件的限制，我国中小企业锅炉设备水平一直比较落后，80年代中后期，随着先进的控制技术的引入，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至90年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉白动控制中得到了尝试和应用。
        3.2 锅炉燃烧自动控制系统的发展
        现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制水平已随着过程计算机系统的发展而发展。
        从当前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。它是在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机系统将工厂全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制领域的一个重要研究方向。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了广泛的研究。
        因此，锅炉的白动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制一体化的趋势发展。
        参考文献：
        【1】胡寿松．自动控制原理[M]．清华大学出版社：2007，6：621-646．
        【2】温丽．中国供热采暖技术发展状况及现状分析[M]．北京机械工业出版：2006，8：9-36．
        【3】施秉仁．微机控制系统在工业锅炉上的应用节能[J]．北京机械工业出版社：2000，13（13）：17-22．
        【4】师黎．智能控制理论及应用[M]．清华大学出版社：2009，41：56-183．