工业电视仿真范文

工业电视仿真范文（精选9篇）

工业电视仿真 第1篇

微型导弹具有价格低、重量轻、威力大、精度高的特点,是精确制导武器的一个新的发展方向。作为单兵的便携式武器,或战术无人机的武器装备,微型导弹都将用于关键场合,以摧毁敌方重要人员的武装车辆和轻型飞机,其精确制导能力可以减少附带损伤。微型导弹可采用激光制导或电视制导。电视制导的导弹使用的摄像机可以对目标进行放大,每秒产生30帧图像,并可以实时更新目标轨迹,这在实施“斩首”行动时可以更准确地命中目标。

采用电视制导导弹的制导方案设计是研制工作的一个关键技术。制导方案设计是否合理,特别是弹道形状和弹道高度对微型导弹至关重要。文献[1]分析了弹道设计对目标搜索和捕获的影响,给出了适合采用电视图像制导方式的导弹的典型弹道及相应的弹道参数设计方法,并总结出电视导引头的搜索视场受视场角和探测距离的限制,飞行高度越低,搜索视场越大的结论。文献[2]进行了飞行高度对搜索视场影响的分析,结果计算表明平飞高度越高,电视导引头视场纵深和视场面积越小。

本文针对电视制导微型导弹,为了使导引头能够正常工作且获得更大的搜索视场,设计了一种先程序制导等高飞行,再切换至比例导引飞行的复合制导方案。

由于MATLAB/Simulink无需进行繁琐的代码编程[3,4,5],仿真过程可视化效果好,图形处理也比较容易,因此在Simulink平台下建立了弹道的仿真模型,从而验证所设计的复合制导方案。

1导弹的运动方程

参看文献[6],基于“瞬时平衡”假设,忽略随机干扰影响,可得描述导弹在铅垂平面内运动的质心运动方程组为:

式(1)中,V为飞行速度,θ为弹道倾角,x为导弹射程,y为飞行高度,αb为平衡攻角,δz为等效俯仰舵偏角,εδz为控制反馈误差,P为发动机推力,Xb和Yb分别为αb所对应的平衡阻力和平衡升力,G为重力,m为导弹瞬时质量,m0为导弹满载质量,mT为导弹空载质量,Tp为发动机工作时间。

2目标运动方程

将目标看作质点,目标运动方程组为:

式(2)中,aTx,aTy为目标切向加速度、法向加速度,xT,yT为目标质心在地面坐标系x、y轴上的投影,VT为目标质心的速度,θT为目标的弹道倾角。

3复合制导方案

为了保证导引头能够正常工作且获得更大的搜索视场,采用程序制导+寻的制导的复合制导方案。程序制导采用等高飞行程序,寻的制导采用比例导引法。

3.1程序制导

导弹需要按照程序指令控制其进行等高飞行。控制方程为:

式(3)中kh为比例反馈系数,kdh为微分反馈系数;y*为制定的飞行高度;6)y*=0 m/s。

3.2比例导引

在铅垂平面内导弹和目标的相对位置关系如图1所示。

参考图1的几何关系,可以列出比例导引法的相对运动方程组为:

式(4)中,r表示导弹(M)与目标(T)之间的相对距离;q表示目标线方位角(简称视角),从基准线逆时针转向目标线为正;K为导航比增益。

比例导引段的控制方程为:

$\delta {}_z=k{}_{d\theta }(\dot{\theta }-\dot{\theta }{}^{*})$ (5)

式(5)中kdθ为弹道倾角角速度反馈系数。

综上所述,导弹控制方程为:

$\delta {}_z=\{\begin{array}{cc}k{}_{d\theta }(\dot{\theta }-\dot{\theta }{}^{*})‚& r\le r{}_c\\ k{}_h(y-y{}^{*})+k{}_{dh}(\dot{y}-\dot{y}{}^{*})‚& r>r{}_c\end{array}(6)$

式(6)中,rc为程序制导和比例制导的转换条件。

4 仿真计算

弹道仿真的流程图如图2所示。

导弹地面发射,仿真初始条件如表1所示。等高飞行高度5 m。目标静止,目标质心初始位置坐标为xT0=4 000 m、yT0=1 m。

仿真结果如图3至图7所示:图3是飞行速度曲线,图4是弹道倾角曲线,图5是铅垂平面内的弹道,图6是过载曲线,图7是弹目相对距离。仿真结果主要参数如表2所示。

由图3可以看出,导弹在发动机工作1.8 s后达到速度最大值292.1 m/s;图4可以看出导弹在发射瞬时弹道倾角会先下降,然后迅速提高,这是因为导弹发射瞬间初速过小导弹升力小于重力,在法向上会产生向下的加速度,但导弹随着发动机工作,导弹速度迅速提高,升力也随之增大,进而使得导弹在法向上的加速度迅速加大,从而使得弹道倾角加速上升;待导弹爬升至制定高度后,由图4和图6可看出弹道倾角近似为零,法向过载近似为1,在导弹爬升过程中法向过载出现了急剧下降的拐点,这是由于导弹爬升时超过指定高度后,控制系统控制舵偏使导弹产生向下的气动力引起的;待导弹飞至距目标1 000 m处,程序制导转换为比例制导,由图4可以看出弹道倾角在转换后开始变为负值,导弹下降进入攻击段;由图5和图6可以看出转换瞬间弹道和法向过载并无较大波动;图7可以看出最终导弹命中目标,脱靶量仅为0.04 m。说明所设计的复合制导方案是可行的。

5 结论

以微型电视制导导弹为例,建立了导弹的铅垂平面内的运动方程,设计了复合制导方案,并在Simulink的仿真平台下建立了弹道仿真模型,通过仿真验证了模型建立的正确性以及复合制导方案的可行性。

摘要：适应微型导弹的发展趋势,研究地基电视制导微型导弹的制导方案的设计。以高精度微型导弹为对象,建立了导弹在铅垂平面内的运动方程组。针对电视导引头的工作原理,设计了初制导为程序制导、末制导为比例制导的复合制导方案,并基于MATLAB/Simulink的仿真平台,采用模块化的建模思想建立了仿真模型。通过计算机仿真,验证了所设计的制导方案的可行性和制导精度。

关键词：微型导弹,复合制导,制导律设计,弹道仿真

参考文献

[1] Mitchell A R.Target acquisition system air-to-surface weapon compat-ibility analysis.In:Collection of Technical Papers.New York:Ameri-can Institute of Aeronautics and Astronautics,1982:638—642

[2]朱勇,刘莉,杜大程.图像制导导弹二次爬升方案弹道设计.弹箭与制导学报,2009;29(1):195—201

[3]刘志国,张金生,王仕成,等.基于SIMULINK的激光制导炸弹弹道仿真实现.弹箭与制导学报,2005;25(3):528—531

[4]张建伟,黄树彩,韩朝超.基于MATLAB的比例导引弹道仿真分析.战术导弹技术,2009;(3):60—64

[5]杨磊,李擎.MATLAB在弹道仿真中的引用.计算机仿真,2008;25(1):58—61

工业电视仿真 第2篇

基于数据库和SQL语言在数据查询方面高效的特性,通过对数字电视包月业务的计费规则、数据特性的分析,使用SQL语言实现数字电视包月业务计费处理算法.在对数字电视业务运营中的`计费规则、计费算法和数据特性分析基础上,按照数据分类处理原则进行算法分解;在用SQL语言构造大批量数据计费处理算法时,通过构造临时字段来优化查询效率;通过数据库的自动调度机制,实现定时执行计费结算任务.不同数量级别数据对算法的仿真实验表明,算法在数字电视包月业务的计费处理中具有很高的效率.为数据库系统应用数据处理提供了一种模式.

作 者：李学伟 张思维 王亚男 张乃光 LI Xue-wei ZHANG Si-wei WANG Ya-nan ZHANG Nai-guang  作者单位：李学伟,LI Xue-wei(中国科学院研究生院,北京,100049)

张思维,王亚男,张乃光,ZHANG Si-wei,WANG Ya-nan,ZHANG Nai-guang(广电总局广播科学研究院,北京,100045)

工业电视仿真 第3篇

关键词:电视收视率;仿真理念;NetLogo

电视收视率,是电视传播效果测量的一个客观数据,如今成了电视人头顶上的达摩克利斯之剑。能够在一定程度上表现观众收视意愿,同时为广告时段买卖双方搭起一座对话的平台,但收视率并非百分比所显示的那么简单,它的背后,是一系列复杂的抽样、测量和统计运算。

一、电视收视率的概念

央视-索福瑞媒介研究机构对电视节目收视率的概念做出了比较细致的规定:电视节目收视率是调查总体收看某个节目或在某个时段收看电视的百分比。调查总体是指:某个指定区域内所有拥有电视机家庭用户中4岁及4岁以上的人员,所有基于这个总体进行抽样调查所得出的电视节目收视率代表的是指定区域中4岁及4岁以上电视观众的收视百分比,而不是一个或几个频道覆盖范围内观众的收视百分比。

二、电视收视率评估的现状

长期以来,无论是电视从业者还是数据使用者对电视收视率的信任都持“半信半疑”的态度。但2008年的调查显示,收视率在电视从业者尤其是数据使用者中的信任度有了一定提升,有超过70%的受访者认为收视率数据“基本可信”。[1]收视率作为电视业的“通用货币”,作为一个市场信号和各参与方利益交换的平台,其数据的准确性和科学性如何,不仅悠关各方的生存,而且直接影响收视率调查业的可持续发展。

人们对收视率之所以“信而存疑”,与收视率作为“信任品”的特征也有关系。美国学者P.尼尔森曾经将商品分为信任品、搜寻品和经验品。所谓“信任品”是指即使在消费后,人们也难以把握其品质,而“搜寻品”和“经验品”通常经过一定信息辨识和消费后就能大致判断其质量(尼尔森,1970)。收视率作为一种非实体性的信任品(或称信任类产品),其产生经过一系列复杂的抽样和统计处理,需要保密样本户,加上数据抽象,常常带给人们“很难核实和验证”的虚有感,信任品的问题具有隐蔽性、累积性和难以追溯性,一般人很难把脉其“病因”。另一方面,信任品消费者的典型特征是信息处理能力低,而信息处理动机强,他们对信任品的购买常常受某些信任特性的左右,其中信誉、品牌、口碑等占据相当的价值份量,一旦信任便难以移易,但这些价值的形成离不开“时间+质量”的淬取,收视率也一样,人们对它的认可和接受都是建立在这一基础之上。收视率作为一种信任品对人们的影响如此之深,那么,在实际评估中存在一些什么问题呢?

电视节目收视率的评估是科学统计电视节目收视率的重要手段,而电视节目收视率的评估结果直接影响电视节目在市场上的走向,成为电视节目的价值尺度,所以选择适应当前形式的评估方法至关重要。目前,电视收视率评估方法有电话访问法、日记法和人员测量法。在研究实践中,收视率调查评估都是围绕着这三个方面进行的。[2]在实际操作中,日记法容易与市场脱节;电话访问法成本高,且容易产生抽样误差和操作误差;人员测量法回复效率低,容易产生非抽样误差。

三、仿真理念引入电视收视率评估的可行性

从世界范围来看,收视率调查业基本属于市场垄断性行业。收视率作为“行业货币”其意义在于标准性和统一性,如果同一市场有几家公司并存,标准不一会引起某种混乱,让人无所适从,重复购买也不经济。近年来国内电视界不时出现的所谓收视率排行争议,用户之间、用户与调查公司之间不断发生的数据纠纷,已经引起社会纷扰。目前的电视节目改版时,往往介入一些新鲜因素,当某个因素介入时,受众的收视意愿随着时间的流动会发生什么变化,这是电视人所关心的。电视节目是由不同的版块构成,但版块的组合方式发生变动,受众的收视意愿会沿着那个方向变化,在以往,只能评经验预测,仿真,即利用模型复现实际系统中发生的本质过程,并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统,又称模拟。[3]当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时,仿真是一种特别有效的研究手段,仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象,仿真是一种有效的方法,可以减少风险,缩短设计和制造的周期,并节约投资。计算机仿真就是借助计算机,利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。它随着计算机技术的发展而迅速地发展,在仿真中占有越来越重要的地位。

NetLogo是一个用来对自然和社会现象进行仿真的可编程建模环境,特别适合对随时间演化的复杂系统进行建模。这就使得探究微观层面上的个体行为与宏观模式之间的联系成为可能,这些宏观模式是由许多个体之间的交互涌现出来的。它的此种特性非常适合于电视收视率评估模型的建立和实际系统中的仿真。下面我们尝试把仿真的理念运用到收视率评估中来,基于NetLogo建立收视率仿真模型,用以复现实际收视率发生的本质过程。在实际操作中,日记法容易与市场脱节;电话访问法成本高,且容易产生抽样误差和操作误差;人员测量法回复效率低,容易产生非抽样误差。[4]

在这里,我们尝试把生物学和工程科学中仿真的理念应用到收视率评估中来,通过仿真模型建构和反复的仿真实验,可以模拟一段时间内某档节目的收视人数走向和收视率走向,从而避免了实地进行收视率调查评估的高成本和误差大、时间长的问题,在实验环境中,通过建构的仿真模型,就能随时观测某段时间内收视的走向图和某个时间点上具体的收视率数值。

四、仿真理念对电视收视率评估的影响

引入仿真理念后,通过构建简单的电视收视率仿真实验,可以为电视台推出一档新节目提供收视率参考,传统中电视台推出一档新节目时,会进行先期的市场调查和节目的试运行,以评估该节目可能的收视率情况,为吸引广告和节目评估来服务,模型建构起来后,对推出一档新节目的评估方式会更直观、更科学、更可信,把复杂系统中多因素干扰下的收视率运行状态通过仿真模型呈现出来。引入仿真理念之后,解决了电视节目改版时,单纯依赖对用户偏好(概率)和同类竞争水平的直觉做决策的不确定性;当几档不同类型的电视节目竞争排期时,为了对其进行科学合理的收视率评估,也可引入仿真理念,建构相关的仿真模型,为节目编排提供科学可靠的收视率数据比较,使节目编排决策更加科学合理。

在收视率评估仿真模型建构起来后,经验性的预测将变得更加精确。以往的经验性思考在仿真模型建构成功后,我们的电视人和广告商将会用模型进行思考,可以对收视率系统进行灵活、系统的试验,而这种试验在现实环境中是很困难的。而模型是客观的,可以避免受偏见的影响,同时又可以检查系统内部的动态。综上,仿真理念在电视收视评估中有一定的应用空间和发展前景。

参考文献:

[1]本次调查的相关数据和报告全文参见刘燕南、徐展、陈玲“收视率:现实观照与历史反思”[J].中国电视受众研究,2008,(4).

[2]刘燕南,电视收视率解析:调查、分析与应用[M].北京:中国传媒大学出版社,2006.

[3]王正中.系统仿真技术[M].北京:科学出版社,1986.

工业机器人的系统分析和仿真研究 第4篇

工业机器人是涵盖着机械工程, 控制工程, 电子技术, 传感技术, 计算机以及人工智能等多学科技术于一体的交叉科学的自动化设备。1962年美国制造出世界上第一台示教型工业机器人, 从此以后, 伴随着科学技术的不断发展, 机器人技术发展水平日益剧增, 并且工业也在飞速发展, 工业机器人的出现之后, 普遍应用于装配, 搬运, 切割, 检测以及喷涂等领域。现阶段已成为自动化工厂, 计算机集成制造系统以及柔性制造系统的不可替代的工具。工业机器人在提高产品的质量和产量的同时, 对于减轻劳动强度, 保障人身安全以及提高生产率和节约原材料并且降低生产成本, 都有着不可取代的重要意义。经过简单的落实工作, 结果, 国际机器人联合会数据显示, 2011年, 中国工业机器人装机数量竟然达到了74867台, 任何事情的存在都有着两面性, 不过, 机器人密度仅仅是每1万名产业工人才只有21台, 这个数据远远低于国际成熟市场水平。并且, 国外品牌的机器人占据国内机器人百分之九十以上的市场, 另外国内本土品牌占有的市场份额竟然不到百分之十, 之所以出现这种情况, 究其原因是因为国内工业机器人的性能远远不如国外同类产品的性能, 并且国外工业机器人具有精度高, 速度快, 运行稳定, 以及性价比高, 使用寿命长等诸多优点, 所以科研工作人员加快研发高性能的工业机器人, 这项科研工作, 总的来说, 对于提高我国在机器人领域的技术水平具有难以估量的意义。

2 工业机器人的发展历程

伴随着科学技术的不断进步, 工业机器人学科变得越来越有生命力, 从上个世纪50年代美国发明第一台工业机器人开始, 到如今这个时间, 机器人的发展已经历经了大半个世纪。纵观全局, 这大半个世纪以来机器人的发展历史, 机器人技术在工业需求的带领之下, 已经得到了翻天覆地的变化。众所周知, 在国际上, 工业机器人现如今已经成为一个成熟的产业, 并且工业机器人被广泛地应用在汽车, 电器, 摩托车以及机械等工业生产领域。无人不知, 工业机器人在发达国家中已经存在了很多年。在国内, 工业机器人经过几代科研工作者坚持不懈的努力现在已经取得了很大进展, 而且在某些关键技术上面取得了不少成绩已。不过, 总的来说, 国内机器人行业确实还存在着缺乏整体核心技术的突破, 并且具有中国知识产权的工业机器人的数量微乎极微, 这需要我们科研工作人员在科研工作中要做到沉住心, 仔细的钻研, 从而为了实现国家科技的发展做出贡献。现在国内机器人技术仅仅相当于国外发达国家80年代初期的水平, 尤其是在制造工艺和装备以及机器人控制方面, 我国还不能生产出高精密, 高速度, 高效率的工业机器人。机器人控制技术是机器人实现一系列功能的核心, 同时也是影响机器人性能的关键部分, 控制技术在很大程度上一直制约着机器人技术的发展。伴随着计算机科学, 传感器技术, 以及图像处理技术和其它相关技术的迅速发展, 这时候, 需要对机器人性能提出更高的要求, 从而让工业机器人朝着快速高精度方向不断的发展, 这对于机器人控制技术来说是一个不可攻克的挑战。总而言之, 机器人控制理论的发展过程大致可以分为三个阶段经历传统控制, 现代控制理论和智能控制。

3 工业机器人运动学理论知识

所谓运动学通俗的说也就是关于运动的科学学科。在进行运动学分析研究时, 一般情况下不考虑系统的驱动力, 同时也会直接忽略零部件的变形, 换句话说也就是将零部件看作刚体。对多刚体系统进行运动学分析时, 需要把机构中连接构件和构件的运动副作为起点, 并且构件的位置, 速度以及加速度都是和运动副对应的约束方程来进行解答的。工业机器人的本体结构比较繁琐复杂, 为了能够更加形象的描述机器人构件在空间的姿态, 可以通过在构件上固结坐标系, 然后通过描述坐标系的关系来间接的研究机器人构件的运动学。D-H法是机器人运动学研究的一种重要的方法, D-H法全称DenavitHatenberg, 是Denavit和Hatenberg这两位科学工作者共同提出的一种研究串联机器人运动学的方法。

4 SJ-01工业机器人的工作原理

SJ-01工业机器人的主要应用领域是码垛搬运行业, 典型的码垛过程是通过托盘库调出托盘之后, 并且摆放到提前安置好的位置, 安放在货物输送机末端的传感器一旦感应到货物时, 码操机器人就会根据预设的轨迹把堆放好的货物抓起, 并井然有序的排列在托盘上, 并且抓手回位, 不断的重复上述过程, 直到托盘装满了货物。装满货物后, 垛盘输送机就会把垛盘运送到另外一个需要码垛搬运的位置, 这样就可以完成了一个完整的码垛动作。SJ-01工业机器人具备可以同时向多个托盘摆放货物的功能, 这样在一定条件下可以提高码操效率, 不过程序的编辑极为繁琐。在向一个托盘摆放货物过程中, 某一层摆满货物后, 托盘在升降机构的作用下可以本能的下降一定的距离, 这个距离我们称之为货物的高度, 这样就可以让货物摆放的位置始终保持在第一层的几个位置, 这样就可以让每一层码垛需要的程序保持不变, 节省了时间的同时还大大减小了抓手的运动空间, 这样不仅仅简化了程序的编辑过程, 同时对于提高码垛效率也起着至关重要的作用。

5 总结

伴随着工业的快速发展, 为了实现工业机器人高速高精度的运动控制, 不但涉及到机器人的各个方面, 同时也要求机器人本身的技术交叉性很强, 例如本体结构优化技术, 高速情况下的轨迹规划技术, 以及多传感器信息融合技术等方面的科学技术。在工业机器人仿真过程中, 机器人的虚拟样机模型的精确程度直接影响着仿真效果, 所以说, 更加精确的虚拟样机模型的建立, 是今后工业机器人科研工作的一个重要方向。

参考文献

[1]武志云, 付利民.机器人操作手惯性参数的有限元算法[J].内蒙古工业大学学报, 1995.

工业电视仿真 第5篇

工业锅炉是一种危险性较大的高耗能特种设备, 由于司炉人员的总体文化水平低, 技术水平参差不齐[1], 每年仅因司炉人员操作不当引起的锅炉事故多达数百起, 而由操作不合理导致的锅炉长期低效率运行的情况则更加普遍, 这对国家财产和人民生命安全构成了很大威胁, 对司炉人员的操作技能进行定期有效培训具有重要的意义。

传统的图片和文字形式的培训方式使学员缺少实际操作的机会[2], 导致技能长进缓慢, 培训效果较差。随着机电和信息技术的发展, 由缩小比例的锅炉实体模型结合后台仿真计算机组成的锅炉模拟机系统[3], 作为一种新型的操作技能培训装置获得了较多的关注。此类系统采用与真实锅炉相似的本体外形结构和操作控制台, 但没有燃料、水、汽等介质, 也不存在真正的燃烧、蒸发等物理化学过程, 而是由后台仿真软件来模拟锅炉的运行。由于有了实物部分, 学员既可以进行类似于实际锅炉的操作, 又能够看到样机上诸如水位计、压力表等元件的数值变化, 因此使用这类锅炉仿真培训装置既确保了安全, 又易取得较好的培训效果。

近几年, 我国也开发了一些锅炉模拟机系统, 开展研究的单位主要以特种设备检验检测机构、石油化工企业、高校研究所为主。如大连锅检所、上海锅检所、杭州特检院、大庆石油管理局、大连理工大学、华东理工大学、浙江大学、大庆石油学院、中国石油大学、三浦锅炉公司等开展了锅炉模拟机的研制[4,5,6,7], 目前涉及的炉型主要为链条炉排燃煤锅炉、立式或卧式燃油/燃气锅炉。虽然锅炉模拟机取得了一些应用, 但是目前的研究还存在一些缺陷。如在功能方面, 仅支持安全操作技术的仿真培训, 对节能操作则无法实现培训考核;在硬件配置方面, 通常以开关量来处理操作机构的状态检测, 外形缺乏真实感, 例如没有煤层高度、分段风门等调节机构, 采用铁皮或木板结构来模仿炉排、外包, 采用比例失真的塑料模型来模拟辅机等;此外在软件配置上, 锅炉数学模型通常较为简单且不够准确, 主要热力学参数如热效率、排烟温度、空气过剩系数等通常缺乏。

针对现有技术的不足, 本文提出一种工业燃煤锅炉安全与节能操作技能仿真培训模拟机系统, 为锅炉模拟机的发展开拓一种新思路, 实现工业燃煤锅炉安全与节能经济运行的各种实际操作技能的培训及考核。

1 系统软硬件需求分析

1.1 燃煤锅炉安全与节能操作培训内容分析

工业燃煤锅炉安全操作技能的仿真培训通常包括准备点火、点火、升压、压火、停炉、安全附件调节、辅机及附属设备调节等基本操作, 以及缺水、满水、超压、爆管、汽水共腾、水击、炉膛爆炸等故障或事故的应急处理操作。在模拟机上实现上述操作技术的培训考核主要涉及对阀门仪表等的开关调节, 此外需要针对每个操作流程编写一套标准的操作步骤, 若关键操作步骤有误则会引起安全问题, 严重时会导致爆炸。

燃煤锅炉的节能操作技能概况起来包括两大步骤[8,9], 首先是对锅炉运行状态进行判断和分析, 然后再根据锅炉的状态采取相应的调节措施, 目的是使锅炉保持高效、稳压、稳水位运行。由于真实的燃煤锅炉缺乏能效监控仪表, 自动化程度低, 司炉工主要依靠观察和一定的经验判断锅炉的燃烧工况[10]。然而这在模拟机系统中是不可行的, 因为模拟机中不存在任何燃烧介质和燃烧反应, 要逼真模拟链条炉的燃烧很难实现, 对于司炉工判断锅炉状态所依赖的火焰颜色、火势大小、烟气颜色、炉渣颜色和颗粒是无法完全模拟的, 因此必须考虑一种新的途径来呈现模拟机系统中锅炉的燃烧状态。考虑到模拟机系统中锅炉的运行是在数学模型支持下由数字仿真程序实现的, 因此锅炉运行的热工测试参数可在线实时获得, 故可将仿真程序计算出的锅炉热力学参数以一定的形式反馈给操作人员, 以供其判断锅炉运行状态。因此燃烧调整是锅炉模拟机节能操作技能培训的重点内容。

1.2 安全与节能操作模拟机软硬件需求分析

基于上述分析提出兼具安全与节能操作仿真培训功能的锅炉模拟机需具备的软硬件条件。在硬件方面, 需要对炉排进煤量、炉膛进风量、锅筒进水量、汽包出汽量进行测量和计算, 即需要连续测量煤层高度、炉排速度、分段送分门开度、鼓风挡板开度、引风挡板开度、给水阀开度、主汽阀开度等关键物理量, 并设计相应的煤量调节、风量调节、给水量及出汽量调节检测装置、以及热力学参数反馈显示装置等。对于其他如安全阀、排污阀、旋塞、拨火门等操作机构, 可用开关量来采集其状态。

在软件方面, 需要一套基于燃煤锅炉全工况运行精确完整数学模型的数字仿真程序, 根据锅炉设置参数, 如煤层高度、炉排速度、风门开度等, 计算出作为反馈信号和评价指标的热效率、排烟温度、过量空气系数、炉体外表温度、炉膛负压、蒸汽压力、水位、煤斗煤余量、炉膛火焰大小等热力学参数, 使学员操作时各物理量之间建立联动关系。

2 整体方案及实现原理

2.1 整体方案

如图1所示, 提出的燃煤锅炉操作仿真培训模拟机由锅炉实体物理模型、操作控制台、传感检测控制器、仿真微机四部分组成, 其中锅炉模型上的各操作机构是在真实的阀门、仪表、辅机内部安装各类传感器、数码显示装置, 经电气化改装而构成;操作控制台上布置有操作按键、仪表指示灯, 在保留真实锅炉控制台布局的基础上配置一台用来显示锅炉运行热力学参数动态曲线的触摸屏显示器;仿真微机上运行着包含燃煤锅炉数字仿真程序及操作记录评分程序的培训考核软件, 本系统每台模拟机配置一台仿真微机, 网络结构采用C/S构架, 仿真微机通过以太网将学员信息、考试信息等存储于服务器数据库, 同时服务器也可随时调用各仿真微机的监控界面;传感检测控制器集成在操作控制台内, 用来处理传感显示元件和仿真微机之间的信息交换。

2.2 安全与节能操作仿真培训实现原理

如图2所示, 在教练员对锅炉设置偏离理想工况的初始状态下, 学员首先通过观察锅炉模型及操作控制台上的各类显示装置, 如水位表、压力表、火焰模拟装置等, 以及触摸屏上呈现的热效率、排烟温度、炉膛负压等热力学参数曲线, 对锅炉的运行工况做出分析和判断, 然后调节锅炉模型上与节能操作相关的操作机构, 如煤闸板手轮、炉排调速器、分段风门调节手柄等, 同时根据锅炉出现的状况, 对与安全操作相关的各操作机构进行调节, 如排气阀、安全阀、排污阀、三通旋塞等。安装在锅炉模型上的各传感器将各操作机构的机械信号转换成电信号;传感检测控制器按一定频率采样各传感器及控制台上各按键的状态, 将各状态信号转换成各类节能与安全操作信号, 并通过以太网输入仿真微机;仿真微机一方面依据操作记录评分程序判断操作的正误, 另一方面依据燃煤锅炉数字仿真程序计算出锅炉仿真运行的各参数信号, 如蒸汽压力、水位、炉膛火焰大小、热效率、排烟温度、炉膛负压等, 并输出给传感检测控制器及控制台触摸屏;控制器将收到的参数信号转换成各类显示装置的驱动信号, 并输出至锅炉模型及控制台;触摸屏将收到的参数信号显示成动态曲线形式, 从而将锅炉的运行工况反馈给学员, 使学员做出进一步的判断和操作调节。当培训完成后, 操作记录评分程序根据操作步骤的正误、规定时间内的平均热效率、平均排烟温度等进行评分, 并将评分信息通过触摸屏显示给学员。依此实现燃煤锅炉安全与节能操作技能的仿真培训。

3 模拟机硬件系统设计

3.1 机械部分

锅炉模拟机系统的机械部分由DZL锅炉本体、安装在本体上的阀门仪表和安全附件、以及配套的附属设备等组成。

对于锅炉本体结构的设计, 采用全尺寸的燃煤锅炉本体最为真实, 但是真实的锅炉结构, 哪怕是最小规格的产品, 其本体部分的重量和体积都远超过普通培训教室的承载和空间限制, 并给运输和移动带来不便。此外, 真实燃煤锅炉的外包结构是封闭的, 对于培训教学, 清晰地向学员展现炉膛内部结构将有助于提高培训效果。本课题的设计思路是以真实的4t/h蒸发量的单锅筒纵置式链条炉排燃煤锅炉为原型, 在尺寸上按一定比例缩小, 在材料上适当精简和替换, 目的是控制模型的整体重量和体积。所设计的锅炉本体由真实运动的链条炉排、锅筒及外包结构组成。链条炉排包括炉排底座、煤斗、炉排驱动装置, 炉排底座上设置有1个观火窗、4个分段调风门以及4根清灰杆;锅筒的外包上设置有拨火门、炉膛观看窗、锅筒观看窗等剖析结构, 能使学员直观地掌握燃煤锅炉的内部构造。

安装在本体上的阀门仪表和安全附件均采用真实部件, 目的是增强用户的操作感, 其中阀门包括安全阀、主汽阀、排气阀、快开排污阀、慢开排污阀、给水阀、止回阀等, 仪表包括水位表、水位报警器、压力表、给水压力表等。

配套的附属设备采用真实部件外壳, 从成本和重量考虑去掉真实部件的内部元件和材料, 附属设备包括鼓风机、引风机、除尘器、烟气管道、给水泵、除渣机等。

装配完成的燃煤锅炉模拟机的锅炉实体物理模型如图3所示。该锅炉模型具有超高的仿真度, 能清晰地展现内外部结构, 美观大气, 比例协调, 尺寸适中, 便于安装和移动, 有利于培训人员快速掌握工业燃煤锅炉的结构和原理。

3.2 电控部分

(1) 传感检测子系统

模拟机的传感检测子系统由安装在锅炉本体、仪表阀门、辅机内部, 以及控制台上的传感检测和数码显示装置组成, 是系统输入输出装置。除了要求采用合适的传感、显示元件来实现各类机械信号的采集及数码信号的显示外, 还需要以隐蔽的方式将元件安装在内部已达到美观真实、方便维护的要求。

对于安全操作物理量的检测和显示, 采用的方案为:在观火窗、拨火门、三通旋塞、水位表的各旋塞、排气阀、安全阀、快开排污阀、慢开排污阀内均安装非接触式电磁传感器, 用来检测这些操作机构或阀门的开关状态;在水位表内安装双色的LED光柱来指示锅筒水位;在压力表内安装步进电机来指示汽包压力;在控制台上设置对炉排、给水泵、鼓引风机、除渣机等装置操作的启停按键, 以及设置炉排调速器、水位压力报警指示灯、辅机运行指示灯、电压电流表等。

对于节能操作物理量的检测和显示, 采用的方案为:在前拱安装处安装拉杆式直线位移传感器以连续测量煤闸板高度的调节值;在炉排电机的主轴上安装磁电式非接触转速传感器来测量炉排速度;在炉排的4个分段风门上安装角位移传感器以连续测量分段风门的开度;在鼓风机和引风机上均安装角位移传感器以连续测量挡板开度;在给水阀和主汽阀内均安装电位器以连续测量阀门开度;在炉膛内安装电子壁炉来模拟炉膛火焰, 其火焰状态可根据仿真的燃烧情况调节;在煤斗侧面安装一个LED光柱以指示煤斗中剩余煤量;在控制台显示面板上安装触摸屏来显示由燃煤锅炉数字仿真程序计算出的热效率、排烟温度、过量空气系数等热力学参数的动态曲线。

(2) 传感检测主控制器

对于锅炉模拟机系统, 主控制器的作用是对系统内的信号进行采样、转换、处理, 以及简单的运算, 可供选择的形式有工控机、微处理器、PLC三种, 考虑到PLC具有稳定可靠, 简单易用, 模块化, 接口丰富, 开发周期短等特点, 加上本系统涉及大量数字量和模拟量的输入输出, 因此选用PLC作为主控制器。

选择三菱FX系列PLC, 主控制器由1个基本单元FX3U-64MT, 2个数字量扩展单元FX2N-16EX, 3个模拟量输入单元FX2N-4AD, 2个模拟量输出单元FX2N-4DA, 以及1个以太网模块组成, 系统总共可以控制64路数字量输入, 32路数字量输出, 12路模拟量输入, 8路模拟量输出以及实现以太网通信。装配完成的模拟机操作控制台如图4所示。

4 结束语

司炉工的操作水平和节能意识是确保安全生产和影响锅炉效率的决定性因素, 本文提出并设计了一种由带有剖析结构的缩小比例锅炉模型、带有人机交互装置的操作控制台、基于PLC的传感检测电控系统、以及运行燃煤锅炉数字仿真程序及操作记录评分程序的仿真微机组成的工业燃煤锅炉安全与节能操作技能仿真培训模拟机系统。所设计的锅炉模拟机已在浙江省特种设备作业人员考试基地投入试点应用。培训装置的操作感、仿真效果、集成度、可靠性、交互性及智能化程度获得了培训教师及学员的一致肯定。通过试运行大大缩短了培训时间, 促进了司炉工快速消化理论知识, 掌握实际操作技能, 有效地保障了工业锅炉的安全生产, 提高了工业锅炉的运行效率, 带来了一定社会效益和经济效益, 市场化前景良好。

参考文献

[1]丁守宝, 成德芳.中小型锅炉节能环保新技术[M].北京:化学工业出版社, 2009

[2]王洵, 张馨, 宫立良.锅炉仿真培训系统[J].计算机仿真, 2002, 19 (3) :71-73WANG Xun, ZHANG Xin, GONG Li-liang.Boiler simulation training system[J].Computer Simulation, 2002, 19 (3) :71-73

[3]孙志敏, 马舜, 韩树新, 等.工业锅炉仿真培训系统的研究现状与发展趋势[J].机电工程技术, 2013, 42 (3) :1-5SUN Zhi-min, MA Shun, HAN Shu-xin, et al.Research status and development trends of industrial boiler simulation training system[J].Mechanical&Electrical Engineering Technology, 2013, 42 (3) :1-5

[4]杜宁.基于Client/Server构架的工业锅炉培训/考核仿真系统设计与开发[D].大连:大连理工大学, 2008

[5]储昭武, 施得波, 夏春明, 等.燃油/燃气锅炉培训/考核模拟机的研制[J].机械科学与技术, 2000, 19 (1) :117-119CHU Zhao-wu, SHI De-bo, XIA Chun-ming, et al.Development of a simulator of Fuel/Gas boiler for Training/Testing[J].Mechanical Science and Technology, 2000, 19 (1) :117-119

[6]范长丽.锅炉仿真培训系统[D].大庆:大庆石油学院, 2009

[7]张向民.锅炉仿真培训系统的开发[D].杭州:浙江大学, 2002

[8]沈丁洋, 王建敏, 杨欢, 等.链条炉排锅炉系统的节能研究[J].工业锅炉, 2010, (6) :21-24SHEN Ding-yang, WANG Jian-min, YANG Huan, et al.Energy-saving technology on the chain grate boiler system[J].Industrial Boiler, 2010, (6) :21-24

[9]郭玲艳.链条锅炉节能研究[D].成都:西南交通大学, 2002

工业电视仿真 第6篇

锅炉按其用途不同主要有电站锅炉和工业锅炉两大类, 电站锅炉用于发电或电、汽联产, 大多为大容量高参数室燃锅炉。工业锅炉用于生产和采暖, 其类型较多, 按其燃料的不同, 主要有燃煤、燃油、燃气等多种, 在城市所用的工业锅炉大多是燃油、燃气锅炉。大部分工业锅炉为人工手动操作, 只有部分燃油燃气锅炉自动化程度较高。总体来讲, 锅炉的运行、管理水平都比较低, 每年因为锅炉及辅机配件质量问题或操作人员操作不当引起的锅炉事故多达数十起。从近几年国家质检总局公布的特种设备事故情况通报和我省锅炉事故情况统计分析看, 由于锅炉操作人员违章操作或操作不当引起的锅炉严重以上事故占到锅炉事故总数的40%以上, 因此, 为保证锅炉的安全运行, 确保锅炉操作人员能对锅炉进行规范的操作并具有处理锅炉事故和故障的能力, 非常重要。

那么怎样才能提高锅炉操作人员的操作水平, 增强锅炉操作人员的处理锅炉事故和故障的能力呢?最直接、最有效的方法就是对将要从事或正在从事锅炉工作的人员进行培训。目前国内对司炉工的培训手段还比较落后, 还仅仅停留在理论教学和书面考核上, 无法进行现场实际操作、培训和考核。因为按有关规范, 在锅炉生产现场不能让没有取得锅炉上岗证的人员进行操作培训, 只能进行跟班实习。

2. 系统总体设计

系统总体采用了分布式的C/S架构。教练机对应的是服务端, 学员机对应的是客户端。客户端主要是模拟锅炉的运行, 包括各个部件的动态演示、流程图、操作说明等等, 但运行的初始状态是由服务端设定的。学员在客户端上操作的锅炉仿真软件是相互独立的, 相互间没有任何关系。服务器端主要负责每个客户端仿真参数的设置, 考试内容的设置以及成绩的评定等。

2.1 系统的数据流程

培训方案与考试方案通过数据采集模拟器进入系统实时数据库中;图形化界面向系统实时数据库申请要显示的数据, 同时也可以把培训用户或教练实时的人工操作数据传入实时数据库;实时数据库中的数据定时或按某种策略存入过程数据库中, 以便生成报表等数据。

2.2 软硬件环境

系统需用的软件环境如表1所示。服务器上安装windows 2000server操作系统及MS SQL Server 2000数据库服务;教练机与培训机安装windows xp操作系统及仿真软件Ifix 4.0。

系统需用的硬件环境如表2所示。包括一台服务器、一台教练机和若干台培训机。培训机的数量可根据培训人员的数量的多少来选取。

服务器用来管理及存贮数据。教练机用来监视培训机 (学员机) 的情况、设置故障、更改系统配置等。培训机提供给培训人员练习与考试。打印机用来输出学生考试成绩及报表等。

3. 模块功能分析

系统功能模块图如图2所示。主要分为培训机模块与教练机管理模块。

正常过程主要包括:点火前的检查、锅炉上水、点火升压、暖管与供汽、并汽 (双锅炉A, B) 、保持汽压和水位的稳定、检查安全附件是否灵敏可靠等。本模块主要完成工业锅炉正常运行过程的仿真, 并根据用户操作的不同显示相应工作状态的画面与参数。本模块根据工业锅炉的正常工作过程, 分别设立相应的子模块。每个子模块均提供相应的仿真界面与现象, 让用户对该过程的操作与控制, 并根据学员操作的正确与否, 自动给学员打分并记录入数据库中, 供随时查询。

故障过程除了包括以典型的工业锅炉故障 (假水位、轻微缺水、严重缺水、轻微满水、严重满水、汽水共腾、单水位表爆破、双位表爆破、锅炉熄火、二次燃烧、水冷壁管爆破、省煤器管爆破、锅炉断火) 命名的子模块外, 还包括人为设置的组合故障子模块。每个故障的仿真均包括三个阶段: (1) 锅炉正常运行阶段。本阶段仿真锅炉正常运行, 各项参数 (如气压、水位等) 均为正常、各部件 (如水位表、排污阀等) 均工作正常。 (2) 故障演示阶段。本阶段仿真从锅炉正常运行状态逐渐过度到故障状态, 如水位、气压急剧上升或下降, 水泵停止工作等, 让用户能够判断锅炉出现的是什么样的故障, 以便处理故障。本阶段时间的长短可以在系统设置功能中进行设定。 (3) 故障排除阶段。用户根据对第二阶段展现的故障进行判断, 制定出处理故障的步骤, 一步一步的排除故障, 系统会根据用户操作步骤的不同, 展现不同的界面、现象, 用户再根据这些现象, 做相应的操作并最终排除故障。系统会跟踪用户的每一步处理过程, 并根据用户操作的正确与否, 自动给学员打分并记录入数据库中。

辅助功能主要包括用户登录、考试/练习开始、提交试卷、操作回放、分数查看、保存与加载工况、冻结与解冻功能、退出系统等功能。

教练机管理模块主要功能有:教练登录、用户管理、系统设置、考试模式设置、考试内容设置、考场管理、加减速功能、远程监控、成绩管理。系统设置功能设定系统的各种仿真参数, 如锅炉的吨位、故障展现时间、压力表量程等。考试模式设置功能设定当前系统是处于考试模式还是练习模式。考试内容设置分为两种模式, 一种是由系统随机设定考试的内容;另一种是由教练根据需要设定考试的内容, 处在此模式时, 教练可以将好几种故障设定为同时出现, 考验学员的处理故障的应变能力。加减速功能。对于本来变化缓慢的过程, 例如升温过程, 实际需要几个小时, 采用加速仿真方式, 以实际1秒钟的时间来仿真10秒钟的过程, 即加速10倍。对于本来变化迅速的过程, 例如锅炉爆炸过程, 几秒钟内锅炉的参数大幅度波动, 可以采用减慢仿真速度的办法, 即用实际1秒钟时间, 仿真0.1秒钟的过程, 即减慢10倍。加速与减速的时间比例, 可以根据需要进行设置, 系统支持的范围为0.01~100。

4. 仿真界面设计

整个锅炉仿真系统包括逻辑层和表现层, 逻辑层前面已经介绍, 表现层负责用户与系统的交互。为了使锅炉仿真系统更真实, 需要考虑锅炉各个对象的表现方式, 如怎样表现蒸汽的喷出, 阀门的开关等。

系统的仿真界面在设计时采用动态多媒体呈现方式, 通过声音、动画、图形、台盘、表计等表现形式来仿真锅炉运行实况, 以多媒体仿真现象驱动学员进行操作, 非常形象直观。

图3是煤炉工业锅炉仿真主界面, 主界面上方为用户可以随时选择的功能按钮, 下部是一种型号的煤炉的仿真剖面图, 图中包含了所有需要仿真的部件, 并显示锅炉的热力参数, 使学员一目了然的了解锅炉在运行中的压力、温度等参数。

当学员需要对某个部件进行操作时, 可以在主界面中选取该部件并双击鼠标左键, 系统就会弹出该部件的详细图, 并允许学员对其进行操作, 如图4是风室风门调节的子画面。

5. 关键技术的开发与实现

1.基于petri网的锅炉仿真动态模型的建立:工业锅炉虽然只是简单的将水加热变成蒸汽, 但是实际的工作模型却是相当复杂的。我们对工业锅炉的进行详细的分析, 对不同的炉型的锅炉建立了不同的仿真模型。对于燃气炉我们抽象出了106个对象, 如烟管、排污快开阀等, 这些对象之间的状态变化又是相互影响并发变化的。比如锅炉燃烧的过程中, 水位值和气压都会发生变化, 如果水位低于进水位则启动水泵进水, 如果这时水泵发生了故障不能启动, 锅炉就不能得到正常的补水, 当水位下降到低水位时则报警, 继续下降到极低水位的时候系统会停炉。由于锅炉系统涉及到的对象比较多, 关系比较复杂, 我们采用了基于petri网的动态模型建立技术。Petri网是对离散并行系统的数学表示, 适合于描述异步的、并发的计算机系统模型。一个Petri网记为一个三元组PN= (P, T.F) , 其中P是有限库所集, T是有限变迁集, F是流关系集, 锅炉每个状态的变化都可以用一个具体的三元组表示。

2.锅炉运行的全工况交互仿真技术:要求能实时实现从锅炉点火、升温、进水等过程的全工况仿真, 而且能模拟锅炉发生故障的情况。整个过程中锅炉各部位的压力、温度、流量等参数及变化趋势与真实锅炉过程一致。

3.系统的分布式架构:锅炉仿真系统主要应用于培训考试, 这就涉及到教练机和学员机的协同关系。教练机对应的是服务器端, 学员机对应的是客户端, 因此系统总体采用了分布式的B/S架构。

4.GUI对象设计及Flash动画与IFIX通讯:整个锅炉仿真系统包括逻辑层和表现层, 表现层负责用户与系统的交互。为了使锅炉仿真系统更真实, 需要考虑锅炉各个对象的表现方式, 即GUI对象的设计, 每个GUI对象包括各自的属性、方法和事件。系统运行时需要表现各个部件的运行的实际效果, 如比阀门的开关、气压的变化等, 这类动画我们用IFIX动画专家实现;而有些动画比较复杂, 如喷汽、冒烟、火燃烧等, 则采用Flash即能表现复杂动画, 又能与IFIX通讯。

5.锅炉操作能力的评价体系:锅炉仿真系统的一个主要功能是培训考试, 当学员在本系统上进行交互操作之后需要对该学员的操作能力进行打分, 因此需要一个评分功能。实际中学员的操作是很随机的, 他可能完全不按正常的操作步骤进行, 比如一开始就点火而不做检查, 或者锅炉报警了也不处理等等, 学员操作路径的组合会是很多的, 简单的处理显然不行。我们对学员可能进行的各种操作进行分类, 主要分为关键项和非关键项, 对关键项操作失误, 立即做出例如停炉等比较强硬的处理, 并立即强制结束考试;对非关键项, 则作扣分、提示等处理。

6. 总结

本系统从我国工业锅炉实际情况出发, 仔细分析了工业锅炉正常燃烧过程中的流程。实现了计算机全场景逼真模拟, 再现工业锅炉燃烧过程和典型锅炉燃烧故障现象, 提供给学员身临其境的感觉, 让学员进行锅炉仿真操作考试, 最终给出学员考试综合评价。

与目前其他锅炉仿真培训系统相比, 本系统主要有以下优点:

(1) 支持锅炉运行全工况, 学员根据显示的运行与故障的现象, 进行判断并进行操作与故障排除, 与锅炉运行的实际工况相符。

(2) 投资费用低, 系统维护方便。提供了一种经济、可靠、高效的培训方法, 使培训规范化、程序化

(3) 系统升级后可以为实际锅炉控制现代化、自动化奠定基础。

本系统目前已经投入试运行, 从运行的结果来看:系统运行可靠、稳定;提高了培训的效率, 节省了培训的成本;学员可以在本系统中处理到从未实际遇到过的一些锅炉典型事故、故障, 总体培训效果好。

参考文献

[1]程芳真, 索沂生, 文黔军等.通用型工业锅炉仿真培训系统[J], 劳动保护, 2001.7:31-33.

[2]铁治欣, 王鹏英等.多组态全工况工业锅炉操作仿真培训系统研究, 计算机时代, 2010.6:73

[3]王晓春.工业锅炉微机控制仿真系统研究[J], 自动化与仪表, 1996, 11 (5) :30-31.

工业电视仿真 第7篇

锅炉是我国重要的热能动力设备, 为了与发电用的大型锅炉相区别, 我国把容量在65 t/h以下为工业生产供热、为建筑物供暖的锅炉称之为工业锅炉[1]。目前我国在用的工业锅炉数量众多, 约60多万台[2]。工业锅炉是一种危险性较大的特种设备, 根据国务院颁布的《特种设备安全监察条例》及国家质检总局颁布的《锅炉司炉人员考核管理规定》, 我国在用的锅炉必须由经过培训考核并取得操作证的司炉人员来操作。因此司炉人员所具有的专业理论知识和操作技术水平对于锅炉的安全和经济运行至关重要, 对司炉工进行定期的技能培训具有重要的意义。

然而目前我国工业锅炉的运行管理能力比较低, 尤其是中小型锅炉, 不仅分布广泛, 而且自动化程度较低, 多数以人工操作为主, 而司炉人员的总体文化水平又比较低, 其技术水平参差不齐[3], 每年仅因司炉人员操作不当引起的锅炉事故多达数百起, 而由操作不合理导致的锅炉长期低效率运行的情况则更加普遍, 这直接对国家财产和人民生命安全构成了很大威胁。由于在真实的锅炉上开展操作技能培训不仅要耗费大量燃料和水电, 而且还存在很大的危险性, 难以实现, 因此研究合理的培训考核方式并开发智能的培训装置来提高司炉工的实际操作技能、事故应急处理能力及安全节能意识显得十分必要。本文针对工业锅炉的操作培训方式及其装置的研究现状和发展趋势进行综述。

1 工业锅炉操作培训方式

目前我国的工业锅炉操作培训考核方式主要有三种:传统方式、微机仿真操作培训考核方式、半物理仿真操作培训考核方式。三种方式的特点如表1所示。

1.1 传统方式

传统的锅炉操作培训方式是通过一定量的理论学习以及一段时间的实际参观和操作实习后, 经过专业部门的考核确认后颁发上岗证[4]。这种培训方式以理论知识教学为主, 培训枯燥且周期长, 由于考虑锅炉生产和人员安全等问题, 学员缺少实际练习的经验, 培训时多数通过图片和文字形式来讲解, 学员动手的机会很少, 独立操作的机会则更少, 因此学员技能长进缓慢, 培训效果较差。此外, 考核形式主要采用书面笔试和口头面试, 在评价学员成绩时存在一定的人为因素, 难以准确量化。

1.2 微机仿真操作培训考核方式

近年来, 随着计算机仿真技术的发展, 通过计算机仿真系统进行培训成为了锅炉培训的新型方式。其中一种称为微机仿真操作方式, 采用纯计算机软件来仿真模拟真实锅炉, 学员通过操作鼠标键盘和观察电脑显示屏来锻炼锅炉操作技能。相比传统方式, 采用计算机仿真操作方式大大提高了培训效率, 但对于司炉人员的实际动手能力却没有明显的提升作用。尽管计算机仿真系统可以生动地模拟出锅炉真实运行情况并激发学员判断控制实际情况的潜力, 但是采用纯粹的计算机软件来模拟锅炉, 学员观看计算机屏幕上的数据变化, 通过鼠标操作代替实际阀门操作, 和实际相差甚远[5]。再加之司炉工自身文化水平有限, 对计算机不熟悉, 因此培训效果一般。

1.3 半物理仿真操作培训考核方式

随着多媒体、传感检测、微处理器等技术的发展和应用, 由计算机和实物模型组成的半物理仿真模拟装置逐渐在操作人员的技能培训考核中发挥作用。半物理仿真操作式的工业锅炉培训装置由缩小比例的锅炉实体或模型结合后台仿真计算机组成, 通常又称为锅炉模拟机、锅炉混合仿真系统、半实物锅炉模拟器等。这类系统采用与真实锅炉相似的操作控制台和本体外形结构, 但没有燃料水汽, 锅炉的运行由后台仿真软件模拟。相比纯软件的仿真培训方式, 在模拟机上操作各类阀门仪表, 感受多媒体设备模拟出的锅炉运行的各种声音视觉效果, 有利于学员快速获得现场操作手感和空间感, 有效提升实际操作技能, 利用培训装置模拟工业锅炉的常见事故, 还可以锻炼学员正确处理事故的能力, 具有较好的培训效果。但是, 这种培训方式也存在一些缺点, 如培训装置开发费用较高, 占地面积大, 扩展性差, 需要专业人员维护, 使用时一台设备只允许一人操作, 培训效率不高。

2 工业锅炉仿真培训系统研究现状

西方发达国家的大型企业很早就利用计算机仿真技术开发了锅炉仿真培训系统, 在工人培训方面取得了十分显著的效果[6]。而针对我国司炉工及工业锅炉使用的现状, 引进国外的技术和装备未必适用。最近十年, 我国也开发了不少工业锅炉仿真培训系统, 开展研究的单位主要以特种设备检验检测机构、石油化工企业、高校研究所、锅炉生产商为主。

2.1 微机仿真培训系统

纯软件式的锅炉仿真培训系统具有开发费用低、周期短、扩展灵活、维护简单等特点, 不少单位开展了研究。浙江理工大学开发了一套多组态全工况工业锅炉操作仿真培训系统[7,8]。该系统采用C/S构架, 硬件上由一台服务器, 一台教练PC机, 若干台培训PC机等组成, 软件上采用MS SQL Server 2000数据库, GE公司的iFIX 4.0组态软件。系统功能包含了点火、上水、升压等锅炉正常操作模块, 以及假水位、缺水、汽水共腾等故障操作模块。该系统采用Petri网建模技术和Flash技术建立了锅炉仿真模型, 采用鼠标点击形式进行操作, 可支持300人同时进行培训考试。

北京恒和大风软件技术有限公司采用组态技术和图形化建模方式开发了一套工业锅炉仿真教学培训软件, 如图1所示, 使用时通过鼠标来切换各个子系统的流程画面及热力参数曲线, 支持燃油炉、燃气炉、QXW、DZL等多种炉型。

北京华康达计算机应用技术有限公司利用虚拟现实技术开发了一套司炉人员3D仿真培训考试系统, 如图2所示。该系统采用三维界面, 专用的仿真键盘, 可使操作人员在3D场景中漫游巡视。

此外, 齐齐哈尔质监局联合哈尔滨理工大学以130 t/h循环流化床锅炉机组为对象, 采用Advan Trol-Pro组态软件研究锅炉培训模拟操作方法[9]。华中科技大学针对船用燃油锅炉开发了一套基于虚拟台盘的锅炉仿真培训系统[10], 由操作员台和教练员台组成, 采用了集总参数法分块建立了锅炉系统模型, 通过屏幕上的虚拟仪表开关进行模拟操作。江苏石油化工学院开发了BG410t/h型和HG220t/h型燃煤锅炉仿真培训软件, 并对快速仿真算法开展了研究[11]。

2.2 半物理仿真培训系统

半物理式锅炉培训系统的研究热度要高于微机仿真式。大连锅检所联合大连理工大学和三浦锅炉等单位研制了工业锅炉实际操作考核培训模拟机[5,12], 如图3所示。系统的硬件部分由锅炉本体模型及其控制台、PLC数据采集系统、PC上位机、交换机等组成;软件部分采用三维力控组态软件作为开发平台, 基于C/S构架, 采用Modbus通讯协议, 用VB进行第三方程序开发, 集成多媒体、数据库等技术, 采用模块化设计, 包括演示模块、练习考核模块、评分模块等。该系统包括三种炉型, 其中立式燃油锅炉外观更为真实。

华东理工大学联合上海锅检所、杭州特检院等单位研发了燃油/燃煤锅炉仿真培训考核系统[13,14], 如图4所示。该系统硬件上由锅炉实物模型和计算机系统组成, 采用单片机配合I/O板作为下位机数据采集系统, 由锅炉实体产生的各种操作信号, 经信号调理、数模转换送入下位机进行预处理, 然后以通讯方式输入上位计算机, 上位机控制整个系统的运行。软件部分同样采用C/S构架, 用组态软件结合VB作开发平台, 包括通讯程序、锅炉仿真程序、监控程序、考核程序、智能评分程序等几部分。

上面两款锅炉模拟机是目前在特种设备作业人员培训机构中推广较好的培训装置。此外, 在石油化工领域, 大庆石油管理局联合浙江大学等单位也研发了类似的锅炉培训装置[4,6,15], 硬件由工程师站、实物仿真系统、数字仿真系统三部分构成, 三台锅炉模型通过数据采集卡连接一台教练工控机, 软件采用VC++开发, 运行在若干台学员计算机及一台教师指令计算机中。大庆石油学院等单位基于DCS思想, 采用DOS、Borland C及FIX组态软件为开发工具开发了由十台仿真锅炉和仿真附属间组成的锅炉仿真培训系统[16]。中国石油大学针对胜利油田的工业锅炉使用同样也研制了由4台油炉组成的混合仿真培训系统, 取得了较好的培训效果[17,18]。

目前所开发的这些半物理式锅炉仿真培训系统具有如下特点:首先在硬件构架上通常采取图5所示的方案, 锅炉实体按真实工业锅炉的缩小比例进行设计, 其中阀门仪表等操作显示单元在实物基础上进行数字化改装, 如在阀门内部安装霍尔传感器, 在水位表中安装LED光柱等, 操作控制台保留真实锅炉的布局, 下位机部分主要起到数据采集和处理的作用, 对各类传感器和数码元件进行信号调理和转换, 实现方案有采用PLC、单片机, 也有采用工控机。系统的软件部分通常采用C/S构架, 以组态软件结合VB、VC等为开发工具, 系统软件通常运行于上位机和服务器中, 其中上位机 (PC客服端) 上运行锅炉仿真程序、监控考核评分等程序, 服务器上运行数据库程序, 进行各类信息的管理。整套锅炉培训系统涉及建模仿真、传感器应用、机电控制、组态、数据库、面向对象编程、虚拟现实、人工智能等专业技术, 是一个复杂的机电系统。

3 发展趋势

工业锅炉仿真培训系统从90年代后期开始研制, 其作用在司炉人员的操作培训中得到了肯定, 但是当前这些系统仍存在一些不足, 其发展方向和需要完善的内容有以下几个方面。

(1) 近年来工业锅炉的节能工作已成为我国节能减排国家战略的主要内容之一, 而目前我国工业锅炉的实际热效率较低, 其中燃煤锅炉平均仅为65%左右。实践证明, 司炉工的操作水平和安全节能意识是影响锅炉效率的决定性因素, 提高司炉人员操作水平而取得的节能效果可占节能总量的1/3左右[19], 因此开展司炉工节能操作技能培训是非常紧迫的。目前的锅炉培训系统不具备节能操作方面的技能培训功能, 仅停留在安全操作技能培训方面, 如正常运行操作和事故应急操作。开发支持节能操作技能培训的系统需要在软硬件上具备一定条件, 在硬件上多数操作信号要由开关信号改成模拟信号, 如风门开度、阀门开度、煤层厚度、转速等操作信号需要连续可调及采样, 这增加了系统的复杂度, 而在软件上需要支持锅炉全工况动态仿真运行的精确数学模型, 使得学员操作时系统各物理量之间建立联动关系, 因此开发节能型锅炉培训系统具有一定难度, 但这是一个很好发展方向。

(2) 锅炉培训系统的可靠性、可维护性有待提高。虽然许多培训机构都配置了半物理式的锅炉仿真培训系统, 但能够在司炉工培训中长期使用的并不多。由于硬件上涉及多类传感器、数码管等电子元件, 软件上的编写不够严谨, 系统出现故障之后需要专业人员修理才能恢复。较差的可靠性和维护性使得很多培训装置成为了一个摆设。如何在硬件选型和设计上把关, 在软件开发上减少程序漏洞, 提高锅炉培训装置的可靠性和易维护性是重要的发展方向。

(3) 在仿真效果方面, 除了软件上对锅炉仿真模型进行改进之外, 在实物模型的外形和模拟效果上, 可借鉴军工、电力、化工等领域的仿真模拟器技术, 应用各类先进的多媒体、光学、虚拟现实、人工智能等技术, 提高系统的逼真度和操作真实感。

(4) 在系统功能方面, 除了节能操作培训之外, 智能培训和远程培训也是发展方向之一, 如在练习时主动诊断和记录操作错误, 根据学员的水平和学习情况自动选择和调整学习内容及进度, 对学员的学习行为自动评价等。

4 结束语

司炉工的操作技能水平是决定工业锅炉安全经济运行的重要因素。合理的培训方法配合先进的培训装置能有效提高司炉工的操作水平。随着虚拟仿真、计算机、传感检测、机电控制等技术的发展, 工业锅炉仿真培训系统在有效提高司炉工的实际操作技能方面起到了重要作用, 带来了客观的经济效益和社会效益, 对于安全生产、节能减排、以及国民经济的健康可持续发展具有重要意义。

摘要：工业锅炉仿真培训系统能有效提高司炉工的实际操作技能。归纳了当前工业锅炉操作培训的主要方式及特点, 综述了工业锅炉仿真培训系统的研究现状, 分析了不同培训装置的技术水平及开发手段, 并从软硬件构架、系统功能、涉及的技术等方面总结了半物理式锅炉仿真培训系统的技术特点, 最后从节能操作培训、可靠性、仿真效果和系统功能四个方面提出了锅炉培训系统的发展方向, 对工业锅炉仿真培训系统的设计和开发具有一定的指导意义。

工业电视仿真 第8篇

应用于水泥工业节能减排的在线仿真技术于2011年12月23日通过工信部科技鉴定, 这个技术在有效解决流程工业系统节能的理论、方法、工具等方面属国际首创, 技术水平达到国际领先, 如逐步推广到其他重要工业领域, 可带动企业精细化管理。

据介绍, 在线仿真技术可以根据运行设备、系统的设计参数和特性参数建立全物理过程的精细数学模型, 再通过真实运行分配控制系统及数据库进入模型, 从而使仿真系统直接取得现场运行状态和操作动作, 对当前状态进行实时仿真计算并跟踪生产线实际运行, 在保证质量的前提下实现节能减排。

工业电视仿真 第9篇

目前基于线性规划(LP)的炼厂生产计划研究已趋于成熟,且产生了PIMS等多种成熟商业软件;而炼厂调度问题则由于存在复杂性、不确定性、非线性、多目标及多约束等特点,导致其优化建模一直是研究的难点[2]。关于流程工业调度优化问题的方法研究主要有基于经验规则的方法、随机搜索方法、基于仿真的优化方法及优化模型建模方法等[3]。其中基于优化模型建模的调度研究主要是围绕混合整数线性规划(MILP)[4]方法展开的,随着炼厂实例规模的扩大以及对模型精度要求的提高,使得整型变量剧增,最终往往导致真实调度问题因规模庞大而难以求解。因此,对于炼厂调度问题这样一个NP完全问题以及随机不确定性优化问题,无法像生产计划问题一样建立严格意义的优化模型,需要借助模拟仿真系统结合基于仿真的优化方法来辅助炼厂的调度决策优化。(1)

目前仿真方法在调度问题的应用研究中已经获得了学术及工程应用界的普遍关注,如Atria等人基于专家系统、仿真优化算法和启发式相结合的方法为批处理化工生产建立计划与调度系统[5];Abraham等人采用优化与仿真集成建模的方法为一个润滑油型炼厂做调度优化,并通过仿真模型采用离散事件仿真的方法对炼厂调度执行进行评估及解释[6]。此外,商业调度软件如Aspen Orion、HYSIS Refinery等也都集成了调度仿真、线性规划等技术来进行调度优化。但现有的这些方法通常针对特定生产流程定制,没有考虑到调度优化与计划、控制的集成以及模型一致性等一般性问题,难以满足工业级的推广应用,且商业软件的应用常存在高成本及知识产权等问题。因此,随着仿真及建模技术的快速发展,基于仿真的调度优化问题仍然是一个充满挑战的研究命题,需要综合考虑调度优化模型与计划、操作层集成,仿真模型精度及建模成本等多项因素。

针对以上研究现状,笔者提出了一种基于智能工厂多层次仿真系统[7]的生产调度闭环优化方法,通过在调度层建立生产调度的MILP优化模型,并在PCS层建立全流程稳态仿真及重点装置动态流程模拟相结合的集成仿真系统,从而将调度优化与仿真模块有机地结合起来,共同支持炼厂调度优化决策。此外,在基于仿真的分层优化建模框架中还引入了闭环优化机制,通过集成仿真系统对初始调度优化结果进行试运行以及“What-If”分析,提取生产目标偏差值,返回给调度优化进行多周期的闭环重调度,以解决传统调度优化基于静态优化模型开环执行而导致的调度执行滞后、装置的不完全利用以及生产资源浪费等问题,从而提高调度优化模型的鲁棒性。

1 分层闭环调度优化框架

根据流程工业ERP-MES-PCS 3层架构以及多分辨率建模理论[8],炼厂生产管理通常分为生产计划、生产调度和操作控制3个层次。通过在PCS层建立详细完备的基础信息模型(包括完备的基础设备、设备属性、设备物理连接关系及物流及能耗信息等),再利用时空聚集-解聚的方法并结合逻辑罐及装置侧线归并规则得到调度层以及计划层的基础信息模型,从而建立起石化企业多层次工厂基础信息模型。各个层次时空粒度保持差异,且层次间通过时空映射方法来保持模型间的一致性。

在炼厂多层次基础信息模型的基础上,采用基于仿真的优化方法和闭环优化机制,结合炼厂的生产经营业务流程,建立如图1所示的石化企业分层闭环调度优化框架。

在该分层闭环调度优化框架中,计划优化的结果及计划目标短周期分解(通常是1周的生产目标)由上游计划给定,调度优化以计划分解目标为边界约束,通过最小化操作成本,确定7天的每日调度作业安排,形成每天的生产调度指令并下达给PCS层。PCS层调用动稳态结合的集成仿真系统(其模型精度已通过现场比对验证),并以生产调度指令作为仿真输入驱动仿真运行。由仿真结果统计出相关生产指标,分析初始调度优化结果的执行情况,并将其与计划目标之间的偏差情况重新返回给调度优化模块,调整下一周期调度优化的目标边界约束,最终保证7日计划的目标完成以及整体操作成本最低。

2 调度优化模型的建立

炼厂生产调度是连接生产计划和生产活动的纽带,同时也是一个复杂多目标、多约束优化问题,其主要功能是以生产作业计划为依据,在兼顾上级计划指标、原油供应、产品需求和装置约束的条件下,对炼厂进行优化排产,确定生产流程、各个装置的日加工量、各装置的生产方案以及产品产量等。根据混合整数线性规划[9]对炼厂调度优化问题进行建模,具体如下。

2.1 目标函数

目标函数最小化定义为:

目标函数中最小化成本定义主要包括加工装置加工负荷变化成本、装置加工方案切换成本、罐存变化成本,P1、P2、P3为相应的成本系数。

2.2 约束条件

2.2.1 计划分解目标约束

式中o——原油类别;

p——产品类别;

tp——调度时间周期;

Q——相应的物流量。

式(1)表示各调度周期内原油加工量满足计划分解给定的原油供应量上下限,式(2)则表示计划目标下的各类产品产量需求上下限约束。

2.2.2 物料平衡约束

式中unit——加工装置;

sr——加工装置侧线;

Unit Capu,tp——tp周期下装置u的加工量;

yieldu,m,sr——装置u在加工方案m下的各侧线

收率;

ltk——逻辑罐;

INV——逻辑罐库存量。

式(3)表示所有装置进出料总和相等,式(4)表示装置侧线流量等于装置总负荷与方案下的侧线收率之积,式(5)表示罐存量的上周期罐存量与当前周期罐存变化量之和。

2.2.3 装置负荷及罐存上下限约束

式(6)与式(7)分别表示装置加工负荷的上下限约束以及罐容上下限约束。

2.2.4 装置加工方案切换

式(8)表示调度周期tp下任意装置都只能运行某一种加工方案,Mu,tp为0/1变量。

3 集成仿真系统的建立

分层闭环调度优化框架中的集成仿真系统主要包括PCS层全流程稳态仿真和重点装置(CDU、FCC)动态流程模拟两部分。PCS层全流程稳态仿真是建立在完备的PCS层工厂基础信息模型基础上,利用序贯模块法实现的仿真套件,该仿真套件能够对装置生产方案和操作条件选定下的全流程投入产出物流过程进行稳态模拟。另外,通过常减压、FCC两套重点装置的动态流程模拟对装置进行详细机理建模,能够对全流程稳态仿真进行很好的补充,从而形成多周期、多生产方案切换、动稳态结合的集成仿真系统。

3.1 全流程稳态仿真

3.1.1 引入物性计算

在流程工业中,完备的物性计算往往因混流及物性计算模型复杂等特性而导致一系列的非线性问题。因此,在该分层优化框架中,调度优化只考虑物流量的混合整数线性规划,而复杂的物性计算则被分解到下层仿真系统中。在PCS层通过采用混流物性计算方法,建立硫含量传递模型、汽油辛烷值计算、柴油凝点计算模型,从而将物性计算集成到全流程稳态仿真模块中来。

3.1.2 加工装置精确描述

调度层优化模型建模中对装置采用的是线性产率模型建模方法,在PCS层全流程仿真模块中引入加工装置的精确描述,包括原油蒸馏装置Swing-cut建模和二次装置delta-base模型[10]。Swing-cut模型依据原油TBP曲线,利用一组温度切割范围来描述CDU的装置侧线收率范围;delta-base模型则将装置侧线收率描述为一个基准收率和delta收率之和,并通过delta收率建立装置进料物性之间的联系。调度层每个加工装置的每套线性产率方案均在PCS层一一对应地建立温度切割方案或者delta-base方案模型。

3.1.3 逻辑罐-物理罐映射

炼油企业中的实际物理罐通常有几百个,且其中存在一批多用途罐,它们可以根据生产的需要,用来存储不同的物料。根据炼厂多层次物流建模方法,调度层生产流程通过物理罐按物料相同进行逻辑归并得到[10],这样既可以大大简化调度层优化的复杂度,同时又将PCS层分离出来,为建立完备详细、复杂机理的仿真模块以及分层闭环调度优化框架提供条件。调度层逻辑罐与PCS层物理罐之间保持动态映射关系,在全流程仿真系统中可通过一套启发式规则[11],根据调度优化结果自动搜寻逻辑罐到物理罐之间的动态分解策略。

3.2 重点装置动态流程模拟

重点装置动态流程模拟是基于严格的化学、化工和控制原理建立起来的设备工艺及控制模型,能模拟正常工况下的操作。通过重点装置动态流程模拟可以分析装置在操作条件变化和进料流量及进料成分干扰变化时,整个装置的动态响应变化,以检验上层静稳态模型通过调度指令给定装置生产方案和操作条件情况下,能否通过常规PID及常用的先进控制方案实现装置的动态平稳,并达到预期的侧线收率[12]。

笔者以常减压装置(CDU)为例,该装置的动态模拟程序可配置的输入包括原油组分、原油加工量以及侧线预期产率[12];考虑改变侧线预期产率对装置生产的影响,根据给定预期产率,通过提高常减压塔轻组分和重组分的采出比例,对常压塔、减压塔侧线的流量控制器(FIC1113,FIC1109等)的设置值进行相应的调整,并最终得到常减压塔各侧线馏出量的动态趋势。

3.3 生产不确定性描述

在炼厂实际生产过程中,经常会发生各种各样的生产不确定性,包括环境动态变化,输入信息中的噪声、生产频繁切换、产量和质量的波动、设备故障、加工时间及成本变化等。笔者在稳态流程仿真系统中引入相应的随机扰动模块,随机模型参数由现场数据回归得到。与此同时,原油蒸馏装置的Swing-cut模型和其它二次装置的deltabase模型也在一定程度上对装置的投入产出不确定性进行了客观描述,调度层逻辑罐到PCS层物理罐的动态分解,以及3.2节中所阐述的重点装置动态运行能否达到稳态也存在不确定性,这些不确定性都是调度优化指令在实际运行过程中经常遇到的,集成仿真系统对它们均进行了很好的刻画。

4 基于仿真的分层闭环调度优化实施流程

根据分层调度优化框架以及所建立的调度优化模型和集成仿真系统,并结合闭环优化实现策略[11],可以确定基于仿真方法实现的分层闭环调度优化实施流程,如图2所示。

通过集成仿真系统对调度优化结果进行仿真实验设计,利用仿真结果对调度优化效果进行评估;集成仿真平台能够真实反应工厂实际运行,并模拟生产过程中的各种不确定性及扰动,对调度优化模型的鲁棒性进行检验;同时仿真平台的仿真运行结果返回的运行偏差可提取为反馈信息,反传给调度优化,以支持分层闭环调度优化框架的实现。

5 应用实例

5.1 模型对象

以国内某炼厂为工厂实例原型,该厂年加工量为4~5Mt,生产环节包括常减压、催化裂化、催化重整、芳烃抽提、加氢精制、延迟焦化等16套装置。出厂成品油包括汽油类、柴油类、燃料油类、化工原料类等二十多种细分产品。首先根据炼厂物流模型建模方法建立该炼厂PCS层静态基础信息模型,包括16套生产加工装置,225个分汇流点,138个动态物理罐,1 745条装置、分汇流点及物理罐的进出料侧线,839条侧线间移动。其次通过多层次建模理论中的时空聚集方法以及物理罐的逻辑归并,得到工厂模型在调度层的流程描述(图3),该静态基础模型对生产加工装置以外的其它设备进行了一定的简化,包括77个分汇流点、73个逻辑罐、640条进出料侧线以及312条侧线间移动连接。

5.2 模型基础数据配置

笔者建立的多层次工厂基础信息模型的数据,包括装置加工量上下限、装置加工方案及侧线收率标定数据、罐容上下限、原油及原油分析数据、组份及物料物性、含硫量及辛烷值等质量数据等,均来源于对炼厂实际数据以及炼厂MES、LIMS等信息系统收集整理。另外,相关的加工装置精确描述模型以及物性传递模型也是通过对大量的现场数据进行回归分析而确立的。

5.3 对照实验和结果分析

在优化及仿真实验过程中,调度层混合整数规划模型采用ILOG Cplex优化工具进行求解;集成仿真系统中的稳态流程模拟采用序贯模块法进行仿真计算并采用C#.net及Oracle编程实现,重点装置动态流程模拟则采用复杂机理建模及VC++编程实现。

根据炼厂生产调度优化问题的宗旨,即在尽可能地满足计划目标的情况下,同时使得调度指令在操作执行过程中成本最小,其调度优化目标主要分为两类:经济类目标和操作类目标[13]。因此,本文通过建立计划目标产品完成率、生产成本两个经济类指标和装置负荷波动操作类指标,结合传统开环调度优化的仿真运行,对基于仿真的分层闭环调度优化结果进行对比验证及优化结果分析。

5.3.1 计划目标产品完成率

以汽油、柴油、煤油、溶剂油、苯类及石油焦等几个主要产品类为例,各类产品的计划分解目标来自炼厂月度计划周分解。按照计划目标产品完成率=优化运行结果/计划分解目标的定义,分别得到传统开环优化达标率及基于仿真的闭环优化达标率,对比见表1。

对比传统开环优化运行达标率与基于仿真的闭环优化达标率的整体情况如图4所示。

由上面的计划目标实现对比可以发现,基于仿真的闭环调度优化方法能够及时反馈生产目标不达标的日调度生产信息,进而通过及时调整装置加工量或切换装置生产方案来修正生产目标偏差,最终保证得到较好的产品计划完成率及需求满意度,且整体的目标完成情况也相对平稳。

5.3.2 装置负荷波动

在炼厂实际加工过程中,装置负荷不变是最理想的工况,对于生产来说,装置波动越小则操作越容易,生产运行也越稳定安全。笔者定义,装置负荷波动=∑装置负荷n+1-装置负荷n(n=0,1,…,6),得到对比验证结果见表2(根据工厂实际,II常、II聚丙烯以及偏三装置处于停工状态)。

t

从表2可以看出,在分层闭环机制下,基于仿真的调度优化在执行过程中的装置负荷波动明显比传统优化的开环执行波动要小,装置能够保证尽可能地平稳运行,并避免过多加工量扰动。

5.3.3 生产成本比较

根据调度优化模型中的目标函数定义,炼厂实际生产过程中的生产操作成本,包括装置在方案切换时调整装置的操作温度、压力以及装置之间的侧线连接切换时带来的操作成本和物料罐的罐存变化,及生产装置的加工量变化引起公用工程的消耗增加成本等。因此,笔者定义生产成本函数=∑100×方案切换+10×罐存变化+50×装置加工量变化,其中成本参数及其之间的权重比例按照炼厂实际合理假定。通过成本函数计算,传统调度优化成本约为19.685万元,基于仿真的分层闭环优化成本约为18.392万元,可以看出基于仿真的分层闭环调度优化在保证计划目标完成率良好的情况下,操作成本也得到了一定程度的降低。

6 结束语