Тестирование контроллеров должно показать функциональность реализации. Есть несколько аспектов, которые должны быть проверены, в частности, чтобы доказать, что контроллеры работают в соответствии со спецификациями. В следующем списке подробно описаны основные аспекты, которые должны быть проверены путем тестирования. Изменение измеренного давления пара должно привести к каскадным изменениям в трех контроллерах. Выход контроллера нагрузки должен изменяться в зависимости от изменения давления пара. Изменение сигнала нагрузки должно приводить к компенсации как расхода воздуха, так и динамики подачи топлива. Колебания O2 в дымовых газах должны компенсироваться потоком вторичного воздуха. Если концентрация O2 выходит за пределы диапазона 4–9 %, следует подать сигнал тревоги. Если индикатор уровня топлива обнаруживает низкий уровень топлива, следует подать сигнал тревоги. Если давление в паровом куполе превышает 8 бар, следует подать сигнал тревоги.

Результаты

Поскольку контроллер реализован с использованием языка программирования EXOL, большинство функций, необходимых для контроллера, уже существуют. Эти функции, такие как PID, обработка аварийных сигналов, фильтрация и многое другое, делают саму программу управления очень простой и понятной. После того, как программа скомпилирована и загружена в EXOcompact, выполняется тестирование, чтобы убедиться, что все требования, упомянутые в статье, соблюдены. Используя демонстрационный комплект для изменения входов, отслеживается поведение каждой секции контроллера.

Несколько тестовых итераций показывают, что все требования действительно выполняются. Во время некоторых тестовых итераций время интеграции, указанное для контроллеров, было уменьшено, чтобы ускорить время реакции. В реальной системе эти постоянные времени могут быть значительно длиннее, например, для контроллера нагрузки, где фактическое время интегрирования измеряется в минутах, а не в секундах. Поскольку все требования были выполнены, внедрение считается успешным.

Обсуждение и выводы

Целью данной статьи было исследование различных методов повышения эффективности котельных систем. Улучшения в этих котельных системах принимают различные формы, такие как снижение эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание, снижение расхода топлива или сокращение выбросов загрязняющих газов в окружающую среду. Чтобы приступить к работе над статьей, было проведено обширное исследование технических предпосылок, связанных с котельными системами. За этим последовало эмпирическое исследование с целью установления методов, которые разрабатывались и тестировались на протяжении многих лет для улучшения котельных систем. Чтобы выяснить, какие из этих методов оказались эффективными и экономически целесообразными для практического использования, было проведено тематическое исследование четырех предприятий.

Тематические исследования показали, что экономическая целесообразность различных методов управления на самом деле в некоторой степени зависит от размера котельной системы. Для небольших систем обычно используются только самые простые методы, такие как контроль O2, в то время как в более крупных системах используется широкий спектр методов контроля. Причина этого в том, что инвестиционные затраты на многие системы управления высоки. Даже если экономия от внедрения этих технологий составляет, например, сокращение потребления топлива на несколько процентов, общее потребление топлива в небольших системах настолько мало, что время окупаемости улучшений слишком велико.

С другой стороны, для крупномасштабных систем, где потребление топлива значительно больше, время окупаемости может быть очень коротким. Дополнительной целью диссертации является установление возможности реализации эффективного контроллера котла на платформе контроллера EXOcompact от AB Regin. Поэтому было разработано доказательство концепции с использованием трех секций управления, управления нагрузкой, управления воздухом и управления подачей топлива. Ограничивающим фактором для реализации контроллера является количество входов/выходов на EXOcompact.

Оказалось, что базового блока достаточно для управления малой и средней котельной, в значительной степени в зависимости от конструкции и настройки котла. Система, используемая в проверке концепции, относится к категории систем среднего масштаба, но такие системы иногда имеют значительно большее количество датчиков, требующих большего количества входных данных, или большее количество приводов, управляющих процессом, требующих большего количества выходных данных. Однако EXOcompact можно подключить ко второму модулю, тем самым удвоив количество входов/выходов. Если система управления предназначена для крупномасштабных систем, необходимо использовать платформу с большим количеством входов/выходов. Выбор того, какие методы, описанные в данной статьи, лучше всего подходят для реализации в системе управления котлом, зависит от нескольких параметров, таких как размер котла, тип топлива и стоимость внедрения.

Важнейшим фактором является размер управляемой системы, поскольку он влияет и на другие параметры. Выше было упомянуто, что срок окупаемости различных методов также является важным фактором, и он напрямую зависит от размера системы. Таким образом, методы, наиболее подходящие для реализации, во многом зависят от того, в какой части рынка компания AB Regin намеревается выпустить на рынок возможную систему. Для малого и среднего рынка лучшим решением является внедрение надежной и точной системы контроля O2 в сочетании с гибким топливным контроллером, чтобы контроллер мог работать с наиболее распространенными типами топлива.

Если система управления нацелена на крупномасштабные котельные установки, другие методы становятся приемлемыми с финансовой точки зрения. Это включает, например, использование большего количества параметров для управления воздухом, контроль качества топлива и положения пламени в твердотопливных системах или другие способы дополнения базовых контроллеров за счет использования дополнительных данных измерений. Поскольку общая цель этой статьи состоит в том, чтобы собрать информацию о доступных методах и о том, как они работают, трудно сделать определенный выбор относительно того, какие методы следует включить в контроллер. Чтобы иметь возможность сделать такой выбор, необходимо провести подробный анализ стоимости каждого из методов. Этот анализ также должен учитывать, является ли целью методов снижение, например, стоимости топлива или других эксплуатационных расходов системы котлов, или же они направлены на то, чтобы сделать рассматриваемую систему более экологически чистой за счет сокращения выбросов.

Дальнейшее развитие

Несмотря на то, что была реализована проверка концепции, существует большое количество вопросов, которые необходимо решить, чтобы разработать пригодную для использования систему управления котлом. Основные проблемы перечислены в следующем тексте.

Во-первых, контроллер, разработанный для проверки концепции, был всего лишь параллельным контроллером. Чтобы обеспечить безопасную работу, его следует расширить, чтобы он стал пересекающимся, как обсуждалось в статье. Это было отклонено в концептуальном решении из-за ограниченных временных рамок и несколько нечетко определенной системы. Для повышения эффективности системы управления необходима модель процесса горения. Чтобы сделать контроллер гибким в отношении типов котлов и настройки, общие модели для наиболее распространенных конфигураций котельных систем могут снизить стоимость установки.

После определения нескольких общих моделей их параметры могут быть настроены для представления системы, которой необходимо управлять, что снижает или даже устраняет необходимость в пользовательских конструкциях контроллеров. В концептуальном решении используются ПИД-регуляторы, но после приобретения моделей процессов, задействованных в котловых системах, их следует заменить более эффективными алгоритмами управления. Если алгоритм ПИД-регулирования используется в дальнейшей разработке, необходимо внести некоторые улучшения.

Из-за очень медленных процессов в котловой системе, ПИД-регуляторы должны быть дополнены антизапуском, чтобы предотвратить нестабильную работу. Кроме того, следует учитывать планирование усиления. Это, вероятно, улучшит работу, поскольку процессы часто ведут себя по-разному, например, во время запуска и при полной нагрузке. При планировании усиления ПИД-регулятор может адаптироваться к этим изменениям.

Альтернативой постоянному использованию ПИД-регуляторов является внедрение прогнозирующего или адаптивного контроллера. Хотя ПИД-регулятор может быть до некоторой степени адаптивным за счет реализации так называемого ПИД-регулятора с автоматической настройкой, другие алгоритмы могут еще больше улучшить работу. Существует большое количество эффективных предиктивных методов управления, многие из которых могут быть очень подходящими для управления котловой системой. На данном этапе выбор алгоритма прогнозирования невозможен, так как фактическая модель процесса недоступна. Преимущество использования адаптивного или прогнозирующего алгоритма управления является наибольшим в крупномасштабных системах и системах, в которых качество топлива варьируется. В более крупных системах постоянные времени системы могут стать очень большими, и для оптимизации процесса полезно использовать прогнозирующий контроллер для устранения временных задержек.

Аналогичным образом, если в системе используется топливо разного качества, например, древесная щепа или отходы, процесс можно значительно оптимизировать за счет реализации адаптивных алгоритмов, которые регулируют параметры управления в соответствии с качеством топлива. Даже после внедрения контроллера есть другие проблемы, которые также необходимо решить. Одним из таких вопросов является разработка компьютерного интерфейса, который можно использовать для этих систем. Это функция, которая может не иметь значения для небольших котельных систем, но для средних систем она может оказаться полезной. Если контроллер предназначен для управления крупномасштабными системами, такой интерфейс, вероятно, будет необходим. Обсуждаемые выше улучшения — это лишь некоторые из проблем, которые следует решить в будущем развитии. Это далеко не исчерпывающий список, он просто предназначен для того, чтобы дать некоторое представление о том, куда двигаться дальше.