前言
許多采用GE顏巴赫（GE Jenbacher）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的發(fā)電站利用天然氣、沼氣以及其他多種特殊的燃料來進(jìn)行遠(yuǎn)程電力與熱能的供應(yīng)。最先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)控制器在任何運(yùn)行狀況下都能最大限度地確保該系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)。這些內(nèi)燃機(jī)控制系統(tǒng)不僅運(yùn)行在貝加萊的自動(dòng)化硬件上，而且通過在貝加萊軟件產(chǎn)品Automation Studio Target for Simulink® 上進(jìn)行仿真及目標(biāo)系統(tǒng)自動(dòng)代碼生成，大大縮短了開發(fā)周期。
在奧地利，電力來自于墻壁上的插座，但是龐大的電網(wǎng)及數(shù)量眾多的電站卻在背后提供了安全可靠的保障。這樣的情況并非世界各地都如此，在很多地方，人們并不能從區(qū)域電網(wǎng)中獲得足夠多的電力供應(yīng)，而是必須依靠自己來發(fā)電。與此同時(shí)，包括工業(yè)廢氣、垃圾填埋氣、煤礦瓦斯以及牲畜排泄物產(chǎn)生的沼氣在內(nèi)的氣體在未經(jīng)利用的情況下就進(jìn)入了大氣。鑒于全球能源消耗日益增加，應(yīng)對(duì)氣候變化的形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，有效地利用這些氣體能源蘊(yùn)藏著巨大的潛力。
GE顏巴赫的產(chǎn)品就非常符合這一市場(chǎng)的發(fā)展要求。顏巴赫公司總部位于奧地利Jenbach，她是世界一流的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、配套發(fā)電機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組制造商。那么，是什么使他們始終處于行業(yè)前沿呢？顏巴赫的內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)歷史超過50年，可以處理天然氣以及在農(nóng)業(yè)、采礦、工業(yè)和垃圾處理中產(chǎn)生的各種生物質(zhì)氣體及其他特殊氣體。GE顏巴赫在行業(yè)中之所以能夠始終保持領(lǐng)先地位的原因完全要?dú)w功于他們只專注于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的開發(fā)與生產(chǎn)。
GE顏巴赫分布式生物氣發(fā)電系統(tǒng)可以讓用戶從縮短系統(tǒng)制備過程以及更加獨(dú)立于中央電網(wǎng)中獲益。
今天，顏巴赫已遍布世界60多個(gè)國家。一方面，公司燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)為需要電力與熱能的區(qū)域提供遠(yuǎn)程能源供應(yīng)，另一方面，它們可以確保這些具有相對(duì)低熱值的氣體燃料得以合理利用，以減少對(duì)其它燃料（如石油、天然氣和柴油）的依賴，從而避免消耗更多有限的資源并付出高昂的運(yùn)輸成本。
這一擁有1500名雇員的公司隸屬于GE能源集團(tuán)。GE能源集團(tuán)總部位于美國亞特蘭大，她所提供的全方位產(chǎn)品和服務(wù)跨越能源行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，包括煤、石油、天然氣、核能以及可再生能源如水電、風(fēng)能、太陽能與生物氣能。2007年集團(tuán)銷售收入為218億美元。顏巴赫燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)是符合“綠色創(chuàng)想”概念的產(chǎn)品，這一概念體現(xiàn)了GE應(yīng)對(duì)重大環(huán)境挑戰(zhàn)的責(zé)任。
應(yīng)對(duì)用電負(fù)荷變化的挑戰(zhàn)
“贊同使用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的觀點(diǎn)主要集中于環(huán)保方面，”自動(dòng)化開發(fā)工程師Michael Waldhart解釋道?！安裼桶l(fā)電機(jī)組雖然能更好地根據(jù)負(fù)荷量變化發(fā)電，但是它所使用到的燃料成本相對(duì)太高。GE顏巴赫燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)則可以通過燃燒氣體來發(fā)電?！?/div>
發(fā)電機(jī)組尤其針對(duì)發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行來說最大的挑戰(zhàn)往往在于頻繁的負(fù)荷變化。大量電力用戶突然接入電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)阻力增大，從而降低內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速。如果不采取應(yīng)對(duì)措施就會(huì)導(dǎo)致供電電壓頻率不穩(wěn)定。這樣的情況不容出現(xiàn)，因?yàn)殡妷侯l率的變化過大會(huì)致使電廠拉閘限電從而保證供電質(zhì)量。因此，控制技師的工作就是盡量減小并快速彌補(bǔ)這些基于負(fù)荷變化的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，這樣不僅可以保證供電安全，而且能夠最大限度地提高發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性并增加發(fā)電效率。
“傳統(tǒng)的閉環(huán)控制方法如PID控制已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前的應(yīng)用要求，”Waldhart說道。“我們現(xiàn)在使用最先進(jìn)的控制器如模糊控制器或H∞控制器，GE顏巴赫的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)都基于這些模型?！边@些控制系統(tǒng)架構(gòu)不僅可以處理更為復(fù)雜的輸入輸出，而且能夠保證更廣泛的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。這是非常有必要的，因?yàn)樵诟哓?fù)荷下，內(nèi)燃機(jī)的最佳工作范圍是非常小的。例如，模糊控制器可以把“模糊量”和邏輯法則結(jié)合并且將它們轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)置命令，然后控制器就會(huì)將命令發(fā)給各種傳動(dòng)裝置，如節(jié)流閥、燃料進(jìn)氣單元或渦輪增壓器進(jìn)氣泄壓閥。
按照慣例需快速建模
GE顏巴赫燃?xì)獍l(fā)電站中的控制系統(tǒng)均來自貝加萊。典型的控制與顯示單元是定制化PP450 Power Panel，它通過POWERLINK總線與兩個(gè)X20系統(tǒng)相連，X20系統(tǒng)擁有大約110路數(shù)字量和模擬量輸入和輸出。此外，運(yùn)行WinServer操作系統(tǒng)的APC620用于處理分布式IO點(diǎn)上采集的數(shù)據(jù)。
新開發(fā)的控制器可以預(yù)先在目標(biāo)硬件上運(yùn)行，并在內(nèi)燃機(jī)的仿真模型上進(jìn)行測(cè)試?！岸嗄陙?，我們一直都在利用高級(jí)和低級(jí)內(nèi)燃機(jī)模型，這些模型是通過美國廠商The Mathworks出品的仿真工具M(jìn)ATLAB® 和Simulink® 創(chuàng)建的，”Waldhart說道?！斑@樣，在開始建立真正的模型前我們就可以選擇并預(yù)先確定最出色的控制器和相關(guān)機(jī)械組件了。”
開閉環(huán)控制器在真實(shí)模型上進(jìn)行測(cè)試前需先后通過仿真測(cè)試以及在實(shí)際控制硬件上進(jìn)行測(cè)試。
快速建模的好處顯而易見：因?yàn)闇y(cè)試臺(tái)只需要驗(yàn)證一次成功仿真的結(jié)
果，所以花費(fèi)在測(cè)試臺(tái)上的時(shí)間和燃料消耗可以最大限度地得以減少，而且無需破壞價(jià)格昂貴的模型，加速了產(chǎn)品“Time to Market”。由于GE顏巴赫的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不愿意投入一次性成本來創(chuàng)建仿真模型，而是仍然保留傳統(tǒng)的開發(fā)方法，因此確保了顏巴赫擁有這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)?！搬槍?duì)控制器設(shè)計(jì)，Simulink支持使用眾多工具箱進(jìn)行快速建模，”Waldhart繼續(xù)說?！斑@節(jié)省了我們從頭開始為模型編程的時(shí)間，從而節(jié)約了大量開發(fā)時(shí)間。”
GE顏巴赫公司開發(fā)工程師 Michael Waldhart
通過在MATLAB® 和Simulink® 中仿真并在貝加萊Automation Studio中自動(dòng)完成代碼生成，復(fù)雜控制器的開發(fā)時(shí)間從幾個(gè)月縮短至僅僅幾天。
采用快速建模的目標(biāo)系統(tǒng)通常與設(shè)備上實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)是不一樣的，這意味著還需要另外采取代碼移植的步驟?？焖俳５哪繕?biāo)系統(tǒng)通過貝加萊自動(dòng)代碼生成后就和客戶真實(shí)系統(tǒng)中的目標(biāo)硬件完全相同，這就令建模測(cè)試變得更有意義。“最重要的是，系統(tǒng)模型也可以采用半物理仿真；即控制器硬件在運(yùn)行條件下的實(shí)時(shí)系統(tǒng)仿真，”負(fù)責(zé)自動(dòng)代碼生成的貝加萊工程師Philipp Wallner解釋道。“這進(jìn)一步提高了仿真結(jié)果的可靠性?！?/div>
自動(dòng)代碼生成提高效率
利用自動(dòng)代碼生成器可以將Simulink® 仿真模型自動(dòng)轉(zhuǎn)化為C代碼。在過去，這種代碼需手動(dòng)納入目標(biāo)系統(tǒng)軟件，不僅每次要花費(fèi)一個(gè)半小時(shí)的工作時(shí)間，而且會(huì)引入生成錯(cuò)誤代碼的風(fēng)險(xiǎn)。
貝加萊不僅致力于提供自動(dòng)化控制技術(shù)，而且也在努力使開發(fā)過程更自動(dòng)化，他們開發(fā)了一套能夠自動(dòng)將Simulink生成的代碼集成到軟件平臺(tái)Automation Studio中的程序。這款軟件產(chǎn)品被稱為B&R Automation Studio Target for Simulink® ，自從2008年10月開始推出使用，GE顏巴赫成為了第一批熱情的用戶。一個(gè)復(fù)雜的、基于模型的模糊控制器以GE顏巴赫與維也納技術(shù)大學(xué)合作論文的形式開發(fā)出來，并于同年12月第一次投入使用。
GE顏巴赫公司的創(chuàng)新工程師還看到了仿真技術(shù)在維護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)，基于仿真的觀察系統(tǒng)并行運(yùn)行于貝加萊目標(biāo)系統(tǒng)上，并且提供與真實(shí)參數(shù)相比較的設(shè)定參數(shù)，為基于狀態(tài)的設(shè)備維護(hù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。GE顏巴赫在需要的時(shí)候也可以利用這一方式來確保發(fā)電站正常運(yùn)行。
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