加熱爐監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第一章緒論第一章緒論1.1管式加熱爐概述管式加熱爐是石油煉制、石油化工、煤化工、焦油加工和化學(xué)、化纖工業(yè)中使用的工藝加熱爐。被加熱的物質(zhì)一般為液體或氣體，在加熱爐的爐管中流動進(jìn)行受熱，并且被加熱的物質(zhì)一般都是易燃易爆類物質(zhì)。操作條件極其苛刻，加熱爐必須連續(xù)運(yùn)行不間斷生產(chǎn)。管式加熱爐為直接受火式加熱爐，燃料為氣體燃料如天然氣，或液體燃料如重質(zhì)油。管式加熱爐排放的煙氣通過余熱回收系統(tǒng)溫度可以下降到150c左右,回收排煙中的殘余熱能，熱效率較高。管式加熱爐的一般結(jié)構(gòu)如圖1.1所示12”主要由輻射室、對流室、余熱回收系統(tǒng)、燃燒器以及通風(fēng)系統(tǒng)五部分組成。圖1.1管式加熱爐結(jié)構(gòu)圖1、輻射室輻射室又被稱作爐

2、膛，是燃料燃燒的場所，通常位于加熱爐的中下部。燃料油氣在爐膛中燃燒，火焰溫度最高可以達(dá)到15001800C,因此輻射室應(yīng)采用耐熱性能較好的材料建造。因?yàn)橐乐够鹧嬷苯訜綘t管，所以輻射室主要采用輻射傳熱的方式傳遞熱量2、對流室從輻射室出來的煙氣進(jìn)入對流室后進(jìn)行對流換熱，因此對流室主要采用對流的方式進(jìn)行熱傳遞，但也有一小部分的輻射傳熱。對流室內(nèi)排滿爐管，煙氣通過高速沖刷爐管的方式進(jìn)行對流換熱，將熱量傳遞給爐管內(nèi)被加熱物質(zhì)。對流室吸熱量占全爐的20%30%,為了提高傳熱效果，對流室一般采用釘頭管和翅片管增加熱交換面積。3、余熱回收系統(tǒng)余熱回收系統(tǒng)一般采用空氣預(yù)熱器對離開對流室的煙氣中的殘余熱量進(jìn)行

3、回收?？諝忸A(yù)熱器的作用是將煙氣通過預(yù)熱器內(nèi)熱管系統(tǒng)將進(jìn)入加熱爐前的空氣預(yù)熱到一定溫度，再將預(yù)熱后的煙氣送入加熱爐，以提高加熱爐的熱效率。煙氣通過空氣預(yù)熱器后，溫度一般可以下降到200c以下，再通過排煙系統(tǒng)排出。通過安裝余熱回收系統(tǒng)，加熱爐的總效率可以提高到88%90%。4、燃燒器燃燒器是加熱爐產(chǎn)生熱量的部分，是管式加熱爐的重要組成部分。燃燒器按燃料不同可以分為：燃料氣燃燒器、燃料油燃燒器和油氣聯(lián)合燃燒器。按霧化方式不同可以分為蒸汽霧化燃燒器和機(jī)械霧化燃燒器。燃燒器噴出的火焰猛烈，一般可以達(dá)到幾米高，溫度高達(dá)10001500C,所以要注意燃燒器之間的間隔和火焰與爐管之間的問距，以免損壞燃燒器和爐

4、管。因此需要謹(jǐn)慎安排燃燒器的安裝位置，并挑選對應(yīng)型號的燃燒器，使?fàn)t膛內(nèi)部均勻受熱。5、通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)一般可以分為自然通風(fēng)方式和強(qiáng)制通風(fēng)方式兩種，主要任務(wù)是為燃燒器引入空氣幫助燃燒，并將廢煙氣排出加熱爐。自然通風(fēng)方式一般利用煙囪本身的抽力，煙囪的抽力由煙氣與外界空氣之間的溫度差決定，溫度差越高煙囪抽力越大。在煙囪的煙道內(nèi)安裝煙氣擋板，通過調(diào)節(jié)煙氣擋板的開度控制煙囪抽力大小，保持加熱爐爐膛內(nèi)一定的負(fù)壓。以便在通過爐膛外部看火門觀察加熱爐燃燒狀態(tài)時(shí)，火焰不會從看火門撲出爐體，以確保安全運(yùn)行。強(qiáng)制通風(fēng)方式則采用引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，一般在加裝余熱回收系統(tǒng)的管式加熱爐上使用。1.2 管式加熱爐在線監(jiān)

5、測及控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀國外石化行業(yè)對于管式加熱爐的自動控制，在上世紀(jì)70年代主要還停留在對加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)控制上。主要包括對加熱爐爐膛溫度、爐管溫度、爐膛負(fù)壓、爐內(nèi)氧含量、燃油流量、排煙氧含量及排煙溫度等加熱爐運(yùn)行參數(shù)的控制。由于條件所限，通過早期儀器儀表系統(tǒng)難以達(dá)到預(yù)期效果，現(xiàn)場工作人員必須通過看火孔查看火焰燃燒情況，從而調(diào)節(jié)各系統(tǒng)參數(shù)以保證石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝要求。到70年代后期，隨著科技發(fā)展，儀器儀表和計(jì)算機(jī)水平有了大幅提高，對管式加熱爐的控制重心由對運(yùn)行狀態(tài)的控制轉(zhuǎn)移到對某些性能指標(biāo)的優(yōu)化控制上來。并應(yīng)用工業(yè)計(jì)算機(jī)建立了關(guān)于管式加熱爐工藝生產(chǎn)方面的數(shù)學(xué)模型，對加熱爐生產(chǎn)控制更加精確。近

6、些年，隨著熱第一章緒論值分析儀、氧化結(jié)等先進(jìn)儀器的發(fā)展和加熱爐自動控制理論的完善，對加熱爐的控制設(shè)計(jì)進(jìn)入了以整個系統(tǒng)為主要控制對象、以全方位協(xié)調(diào)優(yōu)化整個生產(chǎn)系統(tǒng)為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)集中調(diào)度管理的新階段4,5。目前，國外石油化工行業(yè)大多采用先進(jìn)控制系統(tǒng)對管式加熱爐進(jìn)行控制，使加熱爐的熱效率穩(wěn)定在85%以上。目前國內(nèi)石化企業(yè)的大量管式加熱爐也已經(jīng)采用了先進(jìn)的智能控制，但大部分還是主要以工藝控制為主，而對能耗控制涉及的較少。并且國內(nèi)大部分加熱爐還是上世紀(jì)八十年代建造的，能耗水平較低，操作不便。以天津某石化公司為例，具煉油廠大部分管式加熱爐都已采用DCS控制系統(tǒng)，但主要還是對其工藝指標(biāo)進(jìn)行控制，而對氧含量、

7、二氧化硫和一氧化碳等煙氣成分的檢測還是通過人工應(yīng)用便攜式煙氣分析儀進(jìn)行離線檢測，這樣必然存在滯后不能及時(shí)反映管式加熱爐的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，使其對加熱爐的能耗控制遠(yuǎn)低于國際先進(jìn)水平6-10,并且當(dāng)前國家對于企業(yè)煙氣排放及能耗控制提出了硬性要求，因此對管式加熱爐進(jìn)行在線監(jiān)測并提出調(diào)爐決策十分必要。1.3 課題的研究目的和意義本課題的研究目的是建立管式加熱爐遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)，對加熱爐的煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測并提出相應(yīng)的調(diào)爐策略，從而提高加熱爐的熱效率。管式加熱爐是石化企業(yè)煉油廠的主要生產(chǎn)設(shè)備，在生產(chǎn)過程中燃料消耗又占煉油成本的絕大部分。因此，提高管式加熱爐的加熱效率，對加熱爐進(jìn)行節(jié)能降耗優(yōu)化，是降低生產(chǎn)成

8、本的重要手段。目前常用的手段是根據(jù)離線檢測結(jié)果及時(shí)對加熱爐進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化加熱爐運(yùn)行狀態(tài)。但在實(shí)際操作中，這種調(diào)爐方式必然存在時(shí)滯，并且難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地保持加熱爐運(yùn)行在較好狀態(tài)的要求，不能最大程度地節(jié)能。因此我們提出了開發(fā)管式加熱爐智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加熱爐燃燒控制與優(yōu)化，使加熱爐持續(xù)運(yùn)行在高燃燒效率，對降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有很大的意義。1.4 課題主要研究內(nèi)容本課題針對石化管式加熱爐能耗優(yōu)化控制薄弱，不能對加熱爐的煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測的狀況，開發(fā)設(shè)計(jì)了管式加熱爐遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對管式加熱爐的煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測到的煙氣數(shù)據(jù)對加熱爐的運(yùn)行狀況提出相應(yīng)的調(diào)爐建議，

9、以提高管式加熱爐熱效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)約能源消耗減少有害污染物排放的目的。為此本課題研究的主要內(nèi)容包括管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)，基于支持向量機(jī)的管式加熱爐的建模，管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1、管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的主要功能是對加熱爐的煙氣含量進(jìn)行在線采集，直接抽取管式加熱爐的煙氣應(yīng)用在線煙氣分析儀對煙氣中氧氣、一氧化碳和二氧化硫的含量進(jìn)行連續(xù)在線檢測。在整體的系統(tǒng)中，以可編程序控制器為控制核心，對煙氣采集的切換、煙氣的預(yù)處理、排水及抽氣泵的動作進(jìn)行總體控制。并將通過在線煙氣分析儀分析得到的煙氣數(shù)據(jù)的4-20mA模擬信號通過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由ZigBee無線通信模

10、塊傳輸?shù)街锌厥疫M(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)流程圖如圖1.2所示：管式加熱爐=9圖1.2管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)流程圖2、基于支持向量機(jī)的管式加熱爐的建模管式加熱爐的數(shù)學(xué)模型是建立調(diào)爐決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過管式加熱爐的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用廣義預(yù)測算法對管式加熱爐進(jìn)行控制，以便給出科學(xué)的調(diào)爐建議。本文采用現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，基于支持向量機(jī)的算法，并利用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，應(yīng)用訓(xùn)練樣本集建立加熱爐模型，最后通過預(yù)測樣本集進(jìn)行驗(yàn)證。3、管式加熱爐的冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)爐決策系統(tǒng)通過對采集得到的煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的調(diào)爐建議，輔助現(xiàn)場技術(shù)人員對加熱爐進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文應(yīng)用冗余調(diào)爐的思想來解決管式加熱

11、爐復(fù)雜變化的現(xiàn)場工況，該系統(tǒng)由兩套調(diào)爐策略組成，一套是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略，另一套是以加熱爐數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的基于模型的調(diào)爐策略。基于規(guī)則庫的策略是通過平時(shí)現(xiàn)場技術(shù)人員給出的調(diào)爐經(jīng)驗(yàn)和調(diào)爐專家的知識所制定的調(diào)爐規(guī)則，其實(shí)是對管式加熱爐的一種粗放調(diào)節(jié)。而基于模型的調(diào)爐策略則是定量的對加熱爐的輸入量給出調(diào)節(jié)建議，適用于在平穩(wěn)情況下的調(diào)爐決策，因此在基于支持向量機(jī)方法建立加熱爐整體模型的基礎(chǔ)上引進(jìn)先進(jìn)控制算法，進(jìn)一步提高調(diào)爐策略的準(zhǔn)確度。1.5本章小結(jié)本章首先對管式加熱爐的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要介紹，闡述管式加熱爐在線監(jiān)測及控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，從而引出課題的研究目的和意義，并對本文的研究內(nèi)容

12、進(jìn)行了重點(diǎn)描述。表明了管式加熱爐遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)對石化企業(yè)加熱爐的重要意義。第二章總體方案設(shè)計(jì)第二章總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)的總體框圖系統(tǒng)通過管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)對加熱爐的煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行在線采集，在得到的煙氣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)管式加熱爐冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)，得出提高管式加熱爐熱效率的有效調(diào)爐決策建議。系統(tǒng)的總體框圖如圖2.1所示：圖2.1系統(tǒng)的總體框圖從系統(tǒng)的總體框圖可以看出，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為兩部分：第一部分為管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)，對管式加熱爐進(jìn)行在線煙氣采集；第二部分為管式加熱爐冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)，以采集得到的加熱爐煙氣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，給出對應(yīng)的調(diào)爐建議，為實(shí)現(xiàn)加熱爐遠(yuǎn)程調(diào)爐控制提供技術(shù)依據(jù)。2.2

13、 管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為了實(shí)現(xiàn)對管式加熱爐煙氣數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測，本文應(yīng)用在線煙氣分析儀、可編程序控制器和ZigBee無線傳輸模塊11-13,設(shè)計(jì)開發(fā)了管式加熱爐的煙氣采集系統(tǒng)。管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。此方案以焦化廠兩臺加熱爐為控制對象，采用可編程序控制器作為整個系統(tǒng)的主控單元。應(yīng)用在線煙氣分析儀對采集到的加熱爐煙氣數(shù)據(jù)（氧氣、一氧化碳、二氧化硫）進(jìn)行在線分析，可編程序控制器14,15對電磁閥進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)兩臺加熱爐的采集切換，并對排水閥以及采樣泵進(jìn)行控制，同時(shí)將在線煙氣分析儀分析得到的煙氣數(shù)據(jù)由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于現(xiàn)場條件的限制，應(yīng)用ZigBee無線傳輸

14、模塊將采集得到的煙氣數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到中控室工控機(jī)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)管式加熱爐煙氣數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測、超限報(bào)警、實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線繪制、在線報(bào)表等多種功能。中控室工控機(jī)圖2.2總體結(jié)構(gòu)圖2.3 管式加熱爐冗余調(diào)爐決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案調(diào)爐決策系統(tǒng)通過對采集得到的煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的調(diào)爐建議，輔助現(xiàn)場技術(shù)人員對加熱爐進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文采用冗余調(diào)爐的思想，建立兩套調(diào)爐策略以實(shí)現(xiàn)冗余調(diào)爐決策，一套是基于規(guī)則庫的調(diào)爐策略，一套是基于模型的調(diào)爐策略，系統(tǒng)通過加熱爐爐況分析系統(tǒng)判斷加熱爐的運(yùn)行狀況，決定采用哪種調(diào)爐策略?；谝?guī)則庫的調(diào)爐策略借鑒了專家系統(tǒng)的思想，以現(xiàn)場技術(shù)人員的知識和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立規(guī)則庫，決

15、策系統(tǒng)應(yīng)用采集到的數(shù)據(jù)對加熱爐的運(yùn)行狀況進(jìn)行推理，得出調(diào)爐建議?；谀Ｐ偷恼{(diào)爐策略則是以管式加熱爐的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)。管式加熱爐是一類復(fù)第二章總體方案設(shè)計(jì)雜的控制對象，本文利用煙氣采集系統(tǒng)得到的管式加熱爐煙氣數(shù)據(jù)，應(yīng)用支持向量機(jī)的方法建立管式加熱爐的數(shù)學(xué)模型，采用廣義預(yù)測控制算法（GPC）獲得控制決策以提高調(diào)爐決策系統(tǒng)的控制精度。由于加熱爐數(shù)學(xué)模型的建立及廣義預(yù)測算法都需要大量的計(jì)算，本文采用Matlab軟件后臺處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算問題，將得出的調(diào)爐決策在組態(tài)界面進(jìn)行顯示。2.4 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，確定了系統(tǒng)的總體框圖。并對管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)和冗余條路決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

16、分別進(jìn)行了簡要介紹。在以后各章節(jié)中,將按照上述方案實(shí)現(xiàn)管式加熱爐遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)。第三章管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)第三章管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)3.1 數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計(jì)系統(tǒng)對加熱爐煙氣的采集是使用直接抽氣的方式對兩臺加熱爐進(jìn)行采樣16,通過可編程序控制器控制電磁閥決定對哪路煙氣進(jìn)行檢測，再經(jīng)由在線煙氣分析儀對煙氣中的氧氣、一氧化碳和二氧化硫的含量進(jìn)行分析，將煙氣含量以420mA模擬量的形式傳送到可編程序控制器的EM231模擬量輸入模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對管式加熱爐的煙氣含量數(shù)據(jù)的獲取。3.1.1 監(jiān)測點(diǎn)及監(jiān)測參數(shù)的確定1、監(jiān)測點(diǎn)的選取系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)選取加熱爐空氣預(yù)熱器前的位置，位于石化工作人員使用便攜式煙氣分

17、析儀檢測加熱爐煙氣含量及溫度的采樣點(diǎn)旁。該點(diǎn)經(jīng)石化現(xiàn)場技術(shù)人員多年驗(yàn)證，抽取的煙氣具有一定的代表性，并且可以在系統(tǒng)完成后將監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測值與利用便攜式煙氣分析儀測量得到的測量值進(jìn)行對比，驗(yàn)證監(jiān)測值的正確性。2、監(jiān)測參數(shù)的確定中控室需要對管式加熱爐的燃燒狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。由于管式加熱爐的熱效率主要由加熱爐的過?？諝庀禂?shù)和一氧化碳含量決定，加熱爐過剩空氣系數(shù)有通過氧含量來計(jì)算，而加熱爐的酸露點(diǎn)溫度又取決于煙氣中二氧化硫含量。所以選取氧含量、一氧化碳含量和二氧化硫含量作為監(jiān)測參數(shù)，可以更加準(zhǔn)確的判斷加熱爐的運(yùn)行情況。下面對過?？諝庀禂?shù)、熱效率及酸露點(diǎn)的計(jì)算方法進(jìn)行介紹：（1）過?？諝庀禂?shù)口過?？諝庀禂?shù)a1

18、7就是實(shí)際供給燃料燃燒的空氣量與理論空氣量的比值。燃料燃燒產(chǎn)生的熱量是管式加熱爐能量的主要來源，因此燃料燃燒的是否充分將直接影響到管式加熱爐的熱效率。目前先進(jìn)技術(shù)研究證明，當(dāng)過?？諝庀禂?shù)為1.15時(shí)為最佳數(shù)值,過?？諝庀禂?shù)偏小表明燃料燃燒不充分，造成燃料的浪費(fèi)，而過?？諝庀禂?shù)偏大則表明進(jìn)入加熱爐內(nèi)的空氣過多，大量熱量將隨著廢煙氣的排出而排入大氣，從而降低了加熱爐的爐膛溫度，造成了熱量的浪費(fèi)。一般過?？諝庀禂?shù)«按式（3-1）進(jìn)行計(jì)算:(3-1)：J1。06270221-O2式中。2為氧含量百分?jǐn)?shù)，（2）加熱爐的綜合熱效率”加熱爐所能接收的熱負(fù)荷與燃料完全燃燒所能夠產(chǎn)生的總熱量的比值叫全

19、爐的綜合熱效率。管式加熱爐綜合熱效率計(jì)算公式如式（3-2）至（3-4）所示：第三章管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)(3-2)_3_42_3(3-3)(3-4)8.3100.031：tg1.3510tg5.654.710tgW-1.1qi=2413.410(tA-15.6)0.0657W_44.043：-0.25210-COQ2=;13.410工215.6)0.0657W式中。為綜合熱效率；Q1為排煙所損失熱量與燃料所能供給總能量的比值；q2為燃料不完全燃燒損失熱量與燃料所能供給總能量的比值；q3為加熱爐表面散熱損失的熱量與燃料所能供給總能量的比值；tg為排煙溫度，單位是C;W為燃燒器的霧化蒸汽用量，通常

20、情況下可以代入燃燒器的生產(chǎn)設(shè)定值；CO為一氧化碳含量，單位是ppm。tA為當(dāng)有空氣預(yù)熱器時(shí)，預(yù)熱后熱空氣的溫度；當(dāng)沒有空氣預(yù)熱器時(shí)，上式中的3.4M10”(tA15.6)這一項(xiàng)為00(3)酸露點(diǎn)含硫量較高的燃料燃燒后，煙氣中將會有大量的二氧化硫產(chǎn)生，二氧化硫被煙氣中的氧氣氧化為三氧化硫，而三氧化硫與煙氣中的水蒸氣化合進(jìn)一步形成硫酸蒸汽，煙氣中硫酸蒸汽的凝結(jié)溫度就被稱為酸露點(diǎn)。當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)溫度時(shí)，硫酸蒸汽將會在加熱爐管壁上凝結(jié)從而對爐壁產(chǎn)生腐蝕，造成巨大損失。本文通過查表法進(jìn)行酸露點(diǎn)的求取，圖3.1為過?？諝庀禂?shù)與三氧化硫轉(zhuǎn)化率的關(guān)系圖，由圖可以計(jì)算出由二氧化硫被氧化為三氧化硫的含量，以

21、便進(jìn)一步計(jì)算酸露點(diǎn)。圖3.2是酸露點(diǎn)與煙氣中水蒸汽含量及煙氣中三氧化硫氣體體積含量關(guān)系，由圖可以計(jì)算出酸露點(diǎn)溫度。211.11.21.31.4過?？諝庀禂?shù)%3§g率化轉(zhuǎn)3OS01.5圖3.1過剩空氣系數(shù)與SO轉(zhuǎn)化率關(guān)系圖1.522.5345789】。1520253035405060墻氣中水蒸氣含荷./%(體職ooooO050865432086432111它那辭r罩圖3.2酸露點(diǎn)與煙氣中水蒸氣含量及三氧化硫含量的關(guān)系首先對圖3.1中的三氧化硫轉(zhuǎn)化率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過數(shù)據(jù)擬合即可得到關(guān)于轉(zhuǎn)化率o的多項(xiàng)式：432切=-0.52口4+5.54口321.53口2+36.59«-19.

22、77(3-5)進(jìn)而可以得到三氧化硫含量的計(jì)算公式:SO3SO2-%一1-%(3-6)式中。為過?？諝庀禂?shù)，。為三氧化硫的轉(zhuǎn)化率，SO2為通過煙氣采集系統(tǒng)得到的二氧化硫含量，單位是ppm。通過式(3-5)和式(3-6)計(jì)算出三氧化硫含量，通過圖3.2即可查出酸露點(diǎn)溫度。為了方便計(jì)算，這里給出在水蒸氣含量分別為7%和10%時(shí)酸露點(diǎn)溫度查詢表，如表3.1所示：表3.1酸露點(diǎn)查詢表煙氣中水蒸氣含量7%煙氣中水蒸氣含量10%SQ的含量(%酸露點(diǎn)范圍(C)SO的含量(%酸露點(diǎn)范圍(C)KSO<1.4114115.6KSO<1.5118.4121.1第三章管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)1.40SO<

23、;1.8115.6118.41.5<SO<2.1121.1123.91.8<118.42.10123.9SO<2.8121.1SO<3.3126.72.8<121.13.3<126.7SO<4.0123.9SO<4.3129.44.00123.94.3&129.4SO<6.1126.7SO<6.5132.26.10126.76.5&132.2SO<8.4129.4SO<8.8135.18.4&129.48.8<135.1SO<12.7132.2SQ<13.9137.812.7

24、0132.213.9<137.8SO<16.2135.1SQ<17.5140.516.2<135.117.50140.5SO<26.9137.8SQ<24.5143.326.9<137.824.5&143.3SO<31.9140.5SQ<36.1146.131.9<140.536.1<146.1SO<44.2143.3SQ<48.2148.944.2&143.348.2&148.9SO<66.6146.1SQ<66.1151.166.6<146.166.1<151.1S

25、O<87.5148.9SQ<93.2154.4其他酸露點(diǎn)<110其他酸露點(diǎn)<118.43.1.2硬件選擇根據(jù)所要監(jiān)測的加熱爐煙氣參數(shù)選用C-600在線煙氣分析儀，分析儀具體參數(shù)見表3.2。表3.2在線分析儀參數(shù)測量組分可以連續(xù)測量SO2、CO、O2多個組分的氣體濃度輸出模擬量輸出4-20mA測量范圍CO:01000PpmSO2：01000Ppm。2：025%線性誤差<±2.0%F.S零點(diǎn)漂移&±1.5%F.S./7d使用環(huán)境環(huán)境溫度：5c40C;相對濕度：<90%大氣壓力：70kPa106kPa電源AC220Vb10%50Hz土0

26、.5Hz因?yàn)榧訜釥t的燃料為瓦斯氣，具有泄露的可能性，而整個在線監(jiān)測系統(tǒng)是非防爆的，因此在控制柜內(nèi)加裝可燃?xì)怏w報(bào)警儀，當(dāng)外界可燃?xì)怏w濃度達(dá)到一定界限時(shí)，切斷整個系統(tǒng)以免發(fā)生爆炸。整個監(jiān)測系統(tǒng)選取西門子公司的S7-200可編程序控制器(CPU224)作為控制核心，再加裝2個EM231模擬量輸入模塊和2個EM222數(shù)字量輸出模塊以滿足控制需求。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)對加熱爐煙氣采集及對在線煙氣分析儀系統(tǒng)控制的要求，需要控制器具備以下控制功能：(1)實(shí)現(xiàn)三種煙氣數(shù)據(jù)的在線采集；(2)實(shí)現(xiàn)兩路煙氣采集的自動切換控制；(3)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場排水閥以及探頭反吹系統(tǒng)的繼電器控制；(4)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試與實(shí)際運(yùn)行時(shí)對每臺加熱爐煙氣

27、采集時(shí)間的切換；(5)接收可燃?xì)怏w報(bào)警儀的報(bào)警信號，切斷整個系統(tǒng)；(6)實(shí)現(xiàn)將可編程序控制器接收到的煙氣數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊進(jìn)行無線發(fā)送。3.2 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于現(xiàn)場的條件限制無法進(jìn)行管式加熱爐至中控室的信號線布線，因此就需要通過無線通信的方式將在線煙氣分析采集到的加熱爐煙氣數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌厥夜た貦C(jī)中進(jìn)行在線監(jiān)測。本文將采用ZigBee無線通信技術(shù)，將現(xiàn)場采集到的煙氣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街锌厥摇?.2.1 ZigBee技術(shù)與Mesh網(wǎng)絡(luò)1、ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee技術(shù)是一種新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它以IEEE802.15.4為技術(shù)基礎(chǔ)，具有低功耗、低延時(shí)、大網(wǎng)絡(luò)容量等諸多優(yōu)點(diǎn)。ZigBee技

28、術(shù)采用了IEEE802.15.4物理層功能：射頻收發(fā)器的激活與休眠、信道的能量檢測、空閑信道評估和數(shù)據(jù)的收發(fā)，并且增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件，更加適合于產(chǎn)品技術(shù)的一致化，利于產(chǎn)品的互連互通。ZigBee技術(shù)具有如下特點(diǎn)18,19：(1)低傳輸速率：基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸速率一般為10KB/S250第三章管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)KB/S,適用于數(shù)據(jù)監(jiān)控等對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的場所；(2)低功耗：低功耗設(shè)計(jì)，支持多種休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗；(3)低成本：ZigBee的協(xié)議較簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率低，因此成本較低；(4)網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)最大可以容納65000個設(shè)備；(5)節(jié)

29、點(diǎn)間的通信時(shí)延短：兩個ZigBee設(shè)備模塊間的搜索時(shí)延僅有30ms,而休眠的設(shè)備喚醒僅需15ms,大大降低了節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)延；(6)數(shù)據(jù)安全；采用AES-128文本加密算法對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，對傳輸數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行檢查并對數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒權(quán)查詢，以保證數(shù)據(jù)的安全性；(7)工作頻段靈活：工作頻段分別為2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個；(8)通信機(jī)制可靠；采用CSMA/CA(載波偵聽多路訪問/沖突避免)的碰撞避免機(jī)制，采用隨機(jī)時(shí)延的方式避免數(shù)據(jù)沖突，同時(shí)預(yù)留了時(shí)隙以供需要固定頻段進(jìn)行通信的設(shè)備使用，避免數(shù)據(jù)通訊時(shí)

30、發(fā)生干擾和沖突。2、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的星型、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)相比，是一種全新的組網(wǎng)方式。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何兩個設(shè)備節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系都是對等的，可以相互收發(fā)數(shù)據(jù)，并不需要專門的路由節(jié)點(diǎn)作為中繼，任意一個設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以作為路由節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。而在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，則需要專門的設(shè)備作為路由節(jié)點(diǎn)，因此與傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式相比無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量更高。當(dāng)某一個路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，相鄰的的設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以承擔(dān)起路由節(jié)點(diǎn)的功能，保證了Mesh網(wǎng)絡(luò)的故障自恢復(fù)性，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備節(jié)點(diǎn)問數(shù)據(jù)通信的最優(yōu)鏈路通道選擇。綜上所述，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，具有更好的動態(tài)擴(kuò)展與自修復(fù)的能力，

31、可以方便、快捷地構(gòu)建具有一定規(guī)模的復(fù)雜的無線傳感網(wǎng)絡(luò)20,21。將無線Mesh網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)展了ZigBee技術(shù)的應(yīng)用空間。本文選用上海順舟公司生產(chǎn)的SZ-02型ZigBee模塊，模塊集成了射頻天線、ZigBee協(xié)議芯片和微處理器，并預(yù)留RS232串行接口，便于用戶直接應(yīng)用。模塊采用的ZigBee無線技術(shù)完全符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并具有組網(wǎng)能力強(qiáng)、發(fā)送模式靈活、節(jié)點(diǎn)類型靈活等優(yōu)點(diǎn)。最高波特率為115200bps,發(fā)射頻段為2.4GHz,最大視距傳輸距離2000米，可以搭建Mesh型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完全可以滿足多節(jié)點(diǎn)加熱爐煙氣數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰Ｈ鐖D3.3所示，如果將煉油廠的多臺管式

32、加熱爐的煙氣數(shù)據(jù)都通過本煙氣采集系統(tǒng)傳送到中控室工控機(jī)，整個監(jiān)測系統(tǒng)將通過各個節(jié)點(diǎn)組建為一個典型的Mesh網(wǎng)絡(luò)。將終端節(jié)點(diǎn)和中繼路由節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊都設(shè)置為路由模式，使任意一個節(jié)點(diǎn)都可以中轉(zhuǎn)臨近節(jié)點(diǎn)的信號而成為中繼器。圖3.3某石化煉油廠無線Mesh網(wǎng)基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)某個ZigBee路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而無法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，臨近的某個ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)將自動承擔(dān)起中繼路由的功能，使整個網(wǎng)絡(luò)不會因?yàn)閭€別節(jié)點(diǎn)的故障而癱瘓，從而保證網(wǎng)絡(luò)的通暢。3.2.2 ZigBee模塊與可編程序控制器的通信設(shè)置西門子S7-200系列的可編程序控制器擁有3個標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議和一個自由口協(xié)議用于工業(yè)控制中主站與從站

33、之間的通信。3個標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議分別為：PPI協(xié)議、MPI協(xié)議和PROF舊US協(xié)議。利用這些通信協(xié)議可實(shí)現(xiàn)可編程序控制器與可編程序控制器、可編程序控制器與計(jì)算機(jī)、可編程序控制器與人機(jī)界面以及可編程序控制器與其它智能裝置之間的聯(lián)網(wǎng)通信23,24。自由口通信協(xié)議是S7-200可編程序控制器特有的一種通信協(xié)議。它通過編寫程序來控制串口的數(shù)據(jù)發(fā)送，從而使S7-200可編程序控制器與其他設(shè)備進(jìn)行通信。自由口通信的波特率為1.2Kbps115.2KbpSoS7-200自由口通信范圍內(nèi)任何具有串行通信接口的設(shè)備都可以用PC/PPI電纜連接進(jìn)行自由口通信。由于ZigBee模塊一般采用的是RS232接口，而S7-20

34、0可編程序控制器只配有RS485接口，所以可編程序控制器與ZigBee模塊可以通過PC/PPI電纜連接，而工控機(jī)與ZigBee模塊直接則可以采用用口線進(jìn)行直接連接。自由口通訊程序設(shè)計(jì)上，SM0.7設(shè)置為1將CPU的工作模式設(shè)置為自由口模式，利用SM0.1初始化通信參數(shù)，設(shè)置SMB30為自由端口通訊模式，波特率為9600bps,無校驗(yàn)，利用SMB34設(shè)定定時(shí)中斷時(shí)間，開啟中斷后首先接受可編程序控制器地址判斷是否正確，如果正確則接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行異或校驗(yàn)，然后對將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并發(fā)送到中控室上位機(jī)。3.2.3 ZigBee模塊與上位機(jī)組態(tài)軟件的通信設(shè)置為滿足系統(tǒng)的功能要求，選用北京亞控公司的組

35、態(tài)王6.55作為上位機(jī)組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)界面。組態(tài)王6.55具有強(qiáng)大的界面顯示組態(tài)功能，良好的開放性，豐富的功能模塊，支持各種主流工控設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。第三章管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)ZigBee模塊與組態(tài)軟件的通信設(shè)置步驟如下所示：(1)首先在組態(tài)王中定義串口設(shè)備，將其通信參數(shù)設(shè)置為：通信方式：RS232;波特率：9600;數(shù)據(jù)位：8;奇偶校驗(yàn)：無校驗(yàn)；停止位：1;設(shè)備地址：2;通信超時(shí)：3000ms。(2)對設(shè)置好的的串口設(shè)備進(jìn)行通信測試，如果能夠正常讀取到相應(yīng)寄存器中的數(shù)據(jù)，證明組態(tài)王與可編程控制器之間的通信正常，通信測試結(jié)果如圖3.4所示：圖3.4通信測試結(jié)果(3)在數(shù)據(jù)

36、詞典中對相應(yīng)的I/O變量進(jìn)行定義，氧氣、一氧化碳和二氧化硫的變量定義結(jié)果如表3.3所示。表3.3變量定義變量名變量類型連接設(shè)備寄存器氧氣ShortPLCV300一氧化碳ShortPLCV302二氧化硫ShortPLCV3043.3 系統(tǒng)監(jiān)控界面3.3.1 監(jiān)控界面的功能與要求管式加熱爐煙氣數(shù)據(jù)通過ZigBee無線技術(shù)傳送到中控室工控機(jī)，同時(shí)應(yīng)用組態(tài)王SQL訪問功能將石化DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)(爐膛溫度、爐管溫度、爐內(nèi)氧含量和負(fù)壓等)讀取到信息中心服務(wù)器中，再通過局域網(wǎng)傳輸?shù)街锌厥夜た貦C(jī)。應(yīng)用組態(tài)軟件在中控室工控機(jī)中建立系統(tǒng)監(jiān)控界面，在信息中心服務(wù)器中建立Web發(fā)布界面。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3.5

37、所示：結(jié)合管式加熱爐在線監(jiān)測的實(shí)際情況和功能要求，系統(tǒng)的監(jiān)控界面功能要求有：(1)實(shí)現(xiàn)對管式加熱爐煙氣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且可以查看相應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。(2)按照要求生成實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表，并且具有將報(bào)表保存為EXCEL及進(jìn)行打印的功能。(3)操作人員可以根據(jù)所授予的權(quán)限，設(shè)置每臺設(shè)備的各個煙氣數(shù)據(jù)的報(bào)警值上下限，當(dāng)監(jiān)測值超過設(shè)定值的上下限時(shí)，系統(tǒng)會自動報(bào)警并將報(bào)警值保存在歷史報(bào)警數(shù)據(jù)庫中。(4)系統(tǒng)還可以通過監(jiān)控界面對在線煙氣分析儀的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。(5)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，使工作人員可以通過OA網(wǎng)對監(jiān)控畫面進(jìn)行瀏覽。3.3.2 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1、主界面主界面如圖3.6所

38、示，具體功能有25-29:(1)實(shí)時(shí)顯示管式加熱爐煙氣數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)應(yīng)用上文介紹的計(jì)算公式后臺計(jì)算加熱爐的熱效率和酸露點(diǎn)并進(jìn)行顯示；(2)通過指示燈對系統(tǒng)在線煙氣分析儀工作狀態(tài)進(jìn)行顯示；(3)工作人員可以根據(jù)權(quán)限登錄監(jiān)控界面，遠(yuǎn)距離對加熱爐煙氣采集時(shí)間切換功能進(jìn)行操作；(4)對分析柜內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)控顯示；(5)對分析柜內(nèi)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超出警戒值時(shí)，報(bào)警燈閃爍提示工作人員，并自動切斷分析柜內(nèi)電源防止發(fā)生危險(xiǎn)。第三章管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)TIMS1T2T.7TI6IE1no.9TIE3RSHW.lTIC1BEBKBS.9TIMHbUi6C2.5TBE3H5P603.5TE5

39、»5J的，q筌反吹了聚坤1反吹/用年工用氣也通融114電內(nèi)溫度丁】61曬心鎰囑&川4J16ISSF$93.2T1619SI：.：|.1T161SL,T27.TTlhl>TX由TI&1XHT曲5TC6IE2Dl7Z7.Tn«l：82ETLO.9rr6IR2F3.R一瓶背破1HTIE1H6.1.11nni/z.I_('TI6I8211:T【固騎飛fit明23二時(shí)SKzsS9T.T'TI6189CTIG!USE9.H,TlElR&TTESlRGn.雙，9TC6IHGDriftlHGF603.5rcsjRfir爐MMMLRQ煙MUftk

40、l*lfrT=4父色苗彳吊FT：mMHS-UlHi*BIRaT-WaWi*WMHLqE產(chǎn)wae，«virn«P-liMEE2gKWWTW遍兄.圖3.6加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)主界面2、實(shí)時(shí)曲線實(shí)時(shí)曲線界面如圖3.7所示，此功能界面具有顯示煙氣組分、爐膛溫度、爐管溫度、負(fù)壓和酸露點(diǎn)的實(shí)時(shí)曲線的功能，并且可以將當(dāng)前顯示的實(shí)時(shí)曲線保存和打印。圖3.7實(shí)時(shí)曲線3、歷史曲線歷史曲線界面如圖3.8所示，此功能界面具有顯示煙氣組分、爐膛溫度、爐管溫度、負(fù)壓和酸露點(diǎn)的歷史曲線的功能，并可以將所顯示的歷史曲線保存與打印。圖3.8歷史曲線4、歷史報(bào)警窗歷史報(bào)警窗口如圖3.9所示，對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)報(bào)警值加以

41、顯示，當(dāng)煙氣數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時(shí)在報(bào)警窗口以紅色顯示，當(dāng)煙氣數(shù)據(jù)恢復(fù)正常時(shí)在報(bào)警窗以綠色進(jìn)行顯示，以供工作人員查詢。圖3.9報(bào)警窗口5、報(bào)表報(bào)表窗口如圖3.10圖3.11所示。其中圖3.10為實(shí)時(shí)報(bào)表，實(shí)時(shí)報(bào)表將一周中每天早8點(diǎn)至晚8點(diǎn)和晚8點(diǎn)至次日早8點(diǎn)兩個時(shí)間段內(nèi)各個煙氣數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行顯示。圖3.11為歷史報(bào)表，工作人員可以對各個煙氣數(shù)據(jù)的歷史值進(jìn)行查詢并顯示在歷史報(bào)表窗口中。實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表都具有保存為EXCEL文檔，打印的功能。第三章管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)20LZ-E-620U-fl-7時(shí)1謔(1)一班1七里吉1twnj二化況d護(hù)砒度早£以一眼X且上12OlOD39LQD13

42、L3Q91.1：5.16HOO3級岫13艮削勺L早點(diǎn).一費(fèi)a*工16aoo330013艮和曼W點(diǎn)一店日且3E.1EOlDD3SEuOD13E-3091.1：早EaT景亂口OlQD39L0D13L9J0?1.|我口注一覆日5.16aoo3S5.0013比刎亂早陪.一襄觸工18dg3亂好13-利的J晚£咻一送日且昌EL1BOlOD3B0D13E-3Q«.：早百包一囊M旦L1SOl00寤M13LS0包我取堂一次日甲W工18aao3S5.00138.44我J20L2-B-5電時(shí)可2DL2-E-Z20L2-B-32DLE.-E-4E玉質(zhì)(iFaj-OLon早日克一帙哂410r聃爆QQ

43、135-50*1,同£n-iKBBEE.1BOlDD395.QD13EL3091.單短Tg.電LieolOO3SL0013LS0瓠.61隊(duì)XG1S.5141即酊610.59川乩醇E1S.51同比59國樂科1:1'。|:|T1。|:|，口-Q-Q-CL-G-a-Q,-CL-a-Q.ElW.a-OLO41fi.54-Q.0石O:.II:.H:Oi01|:"nl川.川|3川川.W群融22融融物總沁3&泣沁里如巴空懸|單斷I斷|打印吧圖3.10實(shí)時(shí)報(bào)表歷史報(bào)表32/10/1才月存32/LO/32/LO/-327L0.'-32/LOi',WW由W32/

44、LO/留IW】"W32/LOX西周UDL!GE.M<iOl.AI5LOLLCLO0,5.=O'iPa5L2iL3：£l3S3.MU：1*倒3.M-O.OSL3:3Zi：23XW-0.05L3.2L!-33.(®-0.05L3:22:33IOC-4.®13:21:33XQO-fliers13.24:33XQO4i.05歷制3LW-O.Of.L3:2=：23XOOTL酷L況JF；舞工g丸皓L3-M-M3LM-fl.Of.巧寶花我W0.1DQ.5.1MV3G13UE-'JLTG削.W的艮Efl£-0LEJE-3T.ELrat.s

45、E.Dt闋的2耀E9E-.W15/10/2/Lb/32710/rmof2/l0/32/10/JJ/IOZ12打0,I卷30:33fl弟克留克淵正小眥正-s-a-aE.我M利生bl的LME4EuH的氏HL9LNE1區(qū)M的反ME皈14SMts區(qū)上U裾氐調(diào)保存印印曼國圖3.11歷史報(bào)表6、Web發(fā)布隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不斷普及，工業(yè)自動化已經(jīng)向網(wǎng)絡(luò)時(shí)代邁進(jìn)。單純的現(xiàn)場組態(tài)監(jiān)控界面已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化工業(yè)的需求，而需要將監(jiān)控界面通過因特網(wǎng)發(fā)布到企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以供研究院等部門查看。組態(tài)王6.55基于ActiveX技術(shù)提供了Web發(fā)布功能，采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，用戶可以通過因特網(wǎng)隨時(shí)隨地對現(xiàn)場工業(yè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程

46、監(jiān)測。組態(tài)界面進(jìn)行Web發(fā)布后，客戶可以通過因特網(wǎng)在任何一臺PC機(jī)的IE瀏覽器上瀏覽工業(yè)組態(tài)界面，對各種工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。應(yīng)用組態(tài)王工控軟件自帶的Web發(fā)布工具對相應(yīng)的組態(tài)界面進(jìn)行Web發(fā)布。在待發(fā)布的工程路徑中選擇相應(yīng)組態(tài)界面的目錄，單擊發(fā)布按鈕完成組態(tài)界面的Web發(fā)布。發(fā)布的網(wǎng)站地址為Web發(fā)布工具中網(wǎng)站URL框內(nèi)地址，如圖3.12所示：圖3.12Web發(fā)布工具在石化的局域網(wǎng)內(nèi)對組態(tài)監(jiān)控界面進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽需要安裝了IE6.0以上的瀏覽器。在瀏覽器地址欄里輸入Web發(fā)布工具中的網(wǎng)站URL地址，即可瀏覽到服務(wù)器上運(yùn)行的監(jiān)控界面，并與服務(wù)器中的監(jiān)控界面保持高效的數(shù)據(jù)同步。如圖3.13所示，顯示

47、的是在石化局域網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)上瀏覽到的監(jiān)控界面的主界面。見汗gM>iItOLl«K»>1JI*iHd"管"kikbmckuiEM1"R'nre*git工a管母，器hEipi/fliH.Id-KLM/kunEffi-mAkmE口HwrTlGLCT1SG.2期I點(diǎn)iOQD晦鬣比i<0Do附施fi?fij鼻“u口口e0E?<E>EE-IE6L艮Cdk£-I51e-LLr-IILILFL-r!-ET.kMTGT.hTk.T26L32E隔露GES.5圖3.13Web發(fā)布界面第三章管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)3.4 本

48、章小結(jié)本章主要介紹了管式加熱爐煙氣采集系統(tǒng)。確定了煙氣采集點(diǎn)和監(jiān)測參數(shù)并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件的選型，煙氣采集的方式，無線傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。還介紹了系統(tǒng)監(jiān)控界面的開發(fā)設(shè)計(jì)。從而解決了中控室對加熱爐燃燒狀況在線監(jiān)測的難題。第四章基于支持向量機(jī)的管式加熱爐數(shù)學(xué)建模第四章基于支持向量機(jī)的管式加熱爐數(shù)學(xué)建模石化企業(yè)中的管式加熱爐是一種非線性大遲滯的復(fù)雜控制對象，并且是一種多輸入多輸出系統(tǒng)，通常的建模方法很難建立起管式加熱爐的模型，本文應(yīng)用支持向量機(jī)的方法建立管式加熱爐的數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)表明精度較高。4.1支持向量機(jī)簡介支持向量機(jī)(SVM,SupportVectorMachine9是于1995年由Vap

49、nik首先提出的，通常用于解決分類問題與回歸問題。SVM以統(tǒng)計(jì)學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則與VC維理論為基礎(chǔ)，在有限的樣本中尋求最佳的學(xué)習(xí)精度和學(xué)習(xí)能力從而獲得較好的泛化能力，善于解決非線性與小樣本問題。SVM的主要思想是建立一個分類超平面作為決策曲面，使得正例和反例的隔離邊緣最大化。同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模容易陷入局部最小，泛化能力差等缺點(diǎn)30o支持向量機(jī)具有以下特點(diǎn)：(1)基于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則和VC維理論，具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；(2)將最大分類間隔作為核心思想；(3)通過核函數(shù)將樣本集映射到高維空間以解決非線性問題；(4)以少數(shù)的支持向量為基礎(chǔ)建立決策函數(shù)，大大簡化了計(jì)算；(5)具有

50、較好的魯棒性。4.1.1分類超平面如圖4.1所示，能夠?qū)1和C2兩類樣本正確分開的直線H叫做分類函數(shù)。在二維空間中分類函數(shù)是一條直線，而在三維平面中分類函數(shù)則是一個平面，推廣到高維空間中則將分類函數(shù)叫做分類超平面。在每個樣本集中至少會擁有一個以上的分類超平面，而其中距離支持向量最遠(yuǎn)的分類超平面被稱之為最優(yōu)分類超平面。圖中在二維空間中直線H即為最優(yōu)分類超平面，而Hi和H2是兩條平行于H并且通過距離分類超平面H最近的向量的直線，Hi和H2之間的距離稱之為分類間隔。位于Hi和H2上的向量對構(gòu)造分類超平面具有重要作用，被稱為支持向量。第四章基于支持向量機(jī)的管式加熱爐數(shù)學(xué)建模根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小原理，支持

51、向量機(jī)的回歸估計(jì)問題就是尋找圖中的最大分類問推廣到高維空間就求取下面回歸函數(shù)的最小值:12f(x)=min(2網(wǎng)+CRemp)(4-1)12式中：1版|反映回歸函數(shù)f(x)的泛化能力；C為懲罰因子；Remp為經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。4.1.2核函數(shù)在解決具體問題的過程中常遇到非線性問題，而支持向量機(jī)通過核函數(shù)的引入，將輸入空間中的不可分問題映射到高維空間，轉(zhuǎn)化為線性問題，從而提高了支持向量機(jī)處理非線性問題的能力。常用的核函數(shù)如下所示：線性核函數(shù)：K(x,x)=xTXi；多項(xiàng)式核函數(shù)：K(x,xJ=(xTxir)p,0；徑向基核函數(shù)：K(x,x)=exp(-3|x-x),7a0;Sigmoid核函數(shù)：K(x,

52、x)=tanh(?xTx+r)。4.2基于-SVR算法的預(yù)測數(shù)學(xué)模型在這里我們引入不敏感損失函數(shù)名的概念：不敏感損失函數(shù)的含義是：當(dāng)樣本x點(diǎn)的真值y與該點(diǎn)的預(yù)測值f(x)之間的誤差不超過的給定值8時(shí)，則認(rèn)為在該樣本點(diǎn)的預(yù)測值f(x)是沒有損失的31。如圖4.2所示，當(dāng)樣本點(diǎn)的預(yù)測值f(x)位于兩條虛線之間的區(qū)域內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為該點(diǎn)的預(yù)測值是正確的。支持向量超曲面回歸超平面圖4.2支持向量樣本和不敏感通道引入不敏感損失函數(shù)名的支持向量機(jī)回歸算法就被稱作名-SVR。通過引入不敏感損失函數(shù)8和允許擬合誤差松弛因子。與£,求取式標(biāo)函數(shù)為：(4-1)的目12k*min卜6ii2Is.tyi-b&l

53、t;-i*”+by1<s+i.-0ii*-0i=1,2,m,k(4-2)式（4-2）可以應(yīng)用凸二次優(yōu)化的算法進(jìn)行求解，通過引入拉格朗日乘子可得到相應(yīng)的對偶形式：*、maxQ(,)1kk2i=1j=1*、，、-)(x.*x.)jij*、-i)yi_*s.t、(：i-：i)=0,0<：i,：i<C,i=1,2,|l|,ki=1對式（4-3）進(jìn)行化簡，可以得到加熱爐的估值函數(shù)為:kL*f(x)='(二i一二i)(x”)bi1(4-3)(4-4)其中第四章基于支持向量機(jī)的管式加熱爐數(shù)學(xué)建模kk*yiZ(ai_ai)(xi*X)-%=(0,C)-1，、b=(4-5)yiJ(:i

54、-：i)(xi*x)；,:(o,c)對于非線性問題，則可以通過核函數(shù)將樣本空間映射到高維空間，從而將非線性不可分問題轉(zhuǎn)化為線性可分問題，再應(yīng)用支持向量機(jī)進(jìn)行建模。假設(shè)6(x)為非線性函數(shù)，首先將樣本空間映射到高維空間，則估值函數(shù)變?yōu)椋簁(4-6)(4-7)不，懲罰因子Cf(x)一(：i-二i)("為)j(yj)bi4k*、=£(«i-cti)K(x,y)+bi=4再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用徑向基和函數(shù)替換K(xi，yj,即：k*2.f(x)三.(二i-1i)exp(-xi-yi)b,0i4由式(4-7)可以看出求取f(x)主要是對三個參數(shù)：核函數(shù)參數(shù)和不敏感損失函數(shù)參數(shù)8的求

55、取。核函數(shù)參數(shù)丫是核函數(shù)中的唯一變量，對丫進(jìn)行調(diào)整會影響樣本集從原始空間映射到高維空間的過程，從而改變了樣本空間中樣本點(diǎn)的分布，影響了支持向量機(jī)回歸擬合的準(zhǔn)確率32,33。當(dāng)丫過小時(shí)會產(chǎn)生“過學(xué)習(xí)”現(xiàn)象，對訓(xùn)練樣本集的回歸擬合影響不大，但泛化能力較差，使預(yù)測樣本集的預(yù)測誤差變得過大；當(dāng)丫過大時(shí)則會產(chǎn)生“欠學(xué)習(xí)”現(xiàn)象，使支持向量機(jī)的回歸擬合能力變?nèi)?。懲罰因子C主要決定了對離群點(diǎn)的懲罰力度，即對置信空間和經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的比進(jìn)行調(diào)節(jié)，使支持向量機(jī)獲得較好的泛化能力340在一個固定的樣本空間中，較大的懲罰因子C表示對離群點(diǎn)的懲罰較大，不愿放棄該點(diǎn)，但這樣會使支持向量機(jī)估值函數(shù)的復(fù)雜程度大大增強(qiáng)，反之亦然。懲罰因子C過小會產(chǎn)生“欠學(xué)習(xí)”現(xiàn)象，過大則會產(chǎn)生“過學(xué)習(xí)”現(xiàn)象。在一個固定的樣本空間中總會存在一個合適的懲罰因子C使得支持向量機(jī)的泛化能力最好。不敏感損失函數(shù)參數(shù)e決定了不敏感通道的寬度，不敏感通道寬度的變化則大大影響了支持向量機(jī)估值函數(shù)中支持向量的個數(shù)，而支持向量的個數(shù)則與對偶變量的稀疏性密切相關(guān)350如果選取參數(shù)£的值較合適，則可以得到全局最優(yōu)解，而當(dāng)e數(shù)值偏大時(shí)支持向量將會急劇減少，從而使估計(jì)函數(shù)的泛化能力下降。對支持向量機(jī)參數(shù)的優(yōu)化選取，現(xiàn)有的算法計(jì)算量都較大。一般都是采用讓三個參數(shù)在一定范圍內(nèi)取值再加上交叉驗(yàn)證的方法對參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，但是在大范圍內(nèi)尋找最佳參數(shù)C八名會花費(fèi)大量