基于嵌入式系統(tǒng)的生物質(zhì)鍋爐優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

黃 春， 袁恒淑， 姚莉娜， 孫君曼， 崔光照

(1．鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 河南鄭州450002;2．河南中煙工業(yè)公司許昌卷煙廠 河南許昌461000)

0 引言

生物質(zhì)能顆粒燃料是利用植物秸稈、樹皮等農(nóng)林廢棄物，通過粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝，制成顆粒狀燃料．它的原材料分布廣泛，加工工藝先進(jìn)，若作為鍋爐的燃料，與常規(guī)型煤相比，它的燃燒時間長，強(qiáng)化燃燒爐膛溫度高，而且經(jīng)濟(jì)實惠，同時對環(huán)境無任何污染，屬再生能源，可循環(huán)利用．我國大面積的農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的原料給生物質(zhì)鍋爐的推廣提供了堅強(qiáng)的物質(zhì)保障，若能研制推廣，不僅能夠解決農(nóng)民焚燒秸稈的問題，同時將燃燒過的灰渣還田，又是很好的肥料，實是一舉多得．

生物質(zhì)燃料本身的濕度、密度及鍋爐負(fù)荷變化等干擾因素的不確定性，增加了控制系統(tǒng)的難度，具體包括:溫度回路的大滯后、壓力回路的非線性、汽包液位的大負(fù)荷變化和假液位問題．特別是低等級燃料的BTU值不一致，使得空燃比控制變得更加困難，進(jìn)而影響鍋爐的效率．針對生物質(zhì)鍋爐的控制難題，為實現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐持續(xù)穩(wěn)定、高效潔凈燃燒的目標(biāo)，提出生物質(zhì)燃料鍋爐液位和燃燒的優(yōu)化策略;構(gòu)建基于嵌入式操作系統(tǒng)的硬件平臺，使生物質(zhì)鍋爐的給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、引風(fēng)除塵系統(tǒng)等達(dá)到完全自動控制;利用MCGS組態(tài)軟件和Matlab simulink的優(yōu)勢，搭建中央監(jiān)控中心，實時監(jiān)控鍋爐的運(yùn)行狀態(tài);基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用CDMA數(shù)據(jù)終端實現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐的遠(yuǎn)程監(jiān)控．本文所研制的新型系統(tǒng)，為生物質(zhì)燃料鍋爐的推廣應(yīng)用提供探索和借鑒．

1 新型生物質(zhì)鍋結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點

為提高生物質(zhì)鍋爐的熱效率，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用氣化燃燒復(fù)合原理，將鍋爐內(nèi)部設(shè)計成獨特的3室結(jié)構(gòu)，包括:固相燃燒室、氣相燃燒室和燃燼除塵室，其工藝流程如圖1所示．在固相燃燒室內(nèi)，生物質(zhì)成型燃料被加熱、分解，產(chǎn)生生物質(zhì)燃?xì)?底部設(shè)計為負(fù)壓抽吸式結(jié)構(gòu)，將固相燃燒室內(nèi)的燃?xì)庾詣游M(jìn)來，經(jīng)爐柵過濾、凈化，流入氣相燃燒室，完成均相動力燃燒;在氣相燃燒室內(nèi)，為了使燃?xì)饣鹧嫱耆浞秩紵?，將其尾部設(shè)計成獨特的旋流結(jié)構(gòu)，以使氣室內(nèi)部氣體得到充分的擾流;燃燼除塵室采用高速燃燼、清潔降塵、凝渣管束和輻射傳熱的聯(lián)合結(jié)構(gòu)，此效果顯著，實現(xiàn)了潔凈燃燒和輻射換熱［1－2］．與傳統(tǒng)鍋爐相比，新型生物質(zhì)鍋爐結(jié)構(gòu)新穎，更適用于生物質(zhì)燃料的綠色環(huán)保，并具有燃燒、氣化、換熱一體化的特點，大大提高了鍋爐的熱效率．另外，此結(jié)構(gòu)簡單易造，體積和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鍋爐，為生物質(zhì)燃料鍋爐在農(nóng)村的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)．

圖1 生物質(zhì)鍋爐氣化燃燒工藝流程圖Fig．1 Process flow chart of gasified burning

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計總方案

生物質(zhì)燃料鍋爐是一個多輸入多輸出的復(fù)雜被控對象，主要包括汽包水位子系統(tǒng)和燃燒子系統(tǒng)，圖2是監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖．控制系統(tǒng)采用大量傳感器實時檢測生物質(zhì)鍋爐的各項信息，輸送給嵌入式操作系統(tǒng)硬件平臺，進(jìn)行基本處理，顯示、存儲;然后，利用Modbus協(xié)議，通過RS485總線將這些實時數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)監(jiān)控軟件．上位機(jī)監(jiān)控軟件由嵌入式MCGS組態(tài)軟件編制而成，主要用于實時動態(tài)顯示鍋爐狀態(tài)參數(shù)，操作人員通過觸摸屏操作，可方便快捷完成對整個鍋爐系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、調(diào)度和管理功能．另外，依據(jù)生物質(zhì)燃料本身的特性，提出生物質(zhì)燃料鍋爐液位和燃燒子系統(tǒng)的控制優(yōu)化策略．Matlab工程計算能力強(qiáng)大，豐富的工具箱可以方便快捷地實現(xiàn)復(fù)雜先進(jìn)控制算法，而嵌入版MCGS組態(tài)軟件具有強(qiáng)大的可視化界面功能，本項目通過DDE(dynamic data exchange，動態(tài)數(shù)據(jù)交換)技術(shù)，將2者編程結(jié)合，達(dá)到實時數(shù)據(jù)快速通信的效果，從而實現(xiàn)了對生物質(zhì)燃料鍋爐汽包水位和燃燒子系統(tǒng)的優(yōu)化控制．最后，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)管理員的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能．

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．2 Architecture figure of system

3 基于μCOSⅡ硬件平臺的設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計采用模塊化思想，并兼顧其擴(kuò)展性和兼容性．主控制器采用AVR高端系列單片機(jī)MEGA128，它內(nèi)嵌高質(zhì)量的flash程序存儲器，工作速度快，壽命長，資源豐富，內(nèi)嵌4K E2PROM，方便系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的存儲，基于此，可以將嵌入式操作系統(tǒng)μCOSⅡ移植入主控制器內(nèi)，提高系統(tǒng)的工作性能．

嵌入式硬件系統(tǒng)主要包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、顯示模塊、報警模塊5部分．其中主控模塊有主控微處理器、外擴(kuò)存儲單元構(gòu)成，完成原始檢測數(shù)據(jù)的運(yùn)算、存儲等功能;數(shù)據(jù)采集模塊，主要用來收集汽包水位控制子系統(tǒng)和燃燒控制子系統(tǒng)的傳感器輸送過來的信號，通過放大、濾波、A-D轉(zhuǎn)換，傳輸給MCU;通信模塊包括2部分:上位機(jī)和下位機(jī)通信，以及基于CDMA的物聯(lián)網(wǎng)通信．前者通過Modbus協(xié)議，RS485總線將數(shù)據(jù)可靠地傳輸給監(jiān)控中心MCGS組態(tài)軟件;物聯(lián)網(wǎng)在生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)中的核心應(yīng)用主要是，監(jiān)控中心作為物聯(lián)網(wǎng)終端，通過TCP/IP協(xié)議，將傳感器、報警、設(shè)備狀態(tài)等監(jiān)測數(shù)據(jù)推送到CDMA終端設(shè)備，即用戶手機(jī)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控鍋爐的運(yùn)行狀態(tài);顯示模塊采用武漢中顯640×480電阻式液晶顯示智能觸摸屏，操作人員通過觸摸按鍵操作可以方便快捷地完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的觀看、存儲、查詢、打印、傳感器參數(shù)校準(zhǔn)、系統(tǒng)時間設(shè)置、管理系統(tǒng)密碼設(shè)置等功能．同時，報警模塊負(fù)責(zé)生物質(zhì)鍋爐的安全運(yùn)行，若鍋爐尾氣排放的CO2、SO2超標(biāo)，或者鍋爐內(nèi)部氣壓過大，都會鳴笛報警提示，并同時將信息通過物聯(lián)網(wǎng)推送到管理員手機(jī)．

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4．1 嵌入式監(jiān)控組態(tài)軟件的設(shè)計

基于WinCE嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，利用嵌入式組態(tài)軟件通過模塊化組態(tài)和再開發(fā)，構(gòu)造適合生物質(zhì)鍋爐燃燒供能的工藝流程監(jiān)管系統(tǒng)．軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示．

圖4為其監(jiān)控界面．系統(tǒng)將傳感器所采集的分散在不同工位的給水量、燃燒量、送風(fēng)量、引風(fēng)量、汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽流量、爐膛負(fù)壓等實時數(shù)據(jù)集中顯示在屏幕上，供工作人員監(jiān)視整個生物質(zhì)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)．

圖3 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖Fig．3 Architecture figure of soft design

圖4 生物質(zhì)鍋爐優(yōu)化監(jiān)控主界面Fig．4 The main interface of biomass boiler optimization monitor

4．2 MCGS組態(tài)軟件與Matlab的數(shù)據(jù)通信

MCGS組態(tài)軟件具有功能完備的可視化界面和實時快捷的通訊功能，支持DDE技術(shù)，可與其他應(yīng)用程序?qū)崟r交換數(shù)據(jù)，但其工程計算能力相對較弱，對于先進(jìn)復(fù)雜的控制算法很難實現(xiàn);而Matlab專業(yè)用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計算，工程計算能力強(qiáng)大，并集成豐富的多學(xué)科工具箱，便于算法的快捷開發(fā)．在生物質(zhì)鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，本文結(jié)合二者優(yōu)勢，聯(lián)合編程，使得軟件高效靈活，功能也更加強(qiáng)大，設(shè)計思想如下:MCGS組態(tài)軟件完成人機(jī)交互，實現(xiàn)系統(tǒng)工藝流程的動態(tài)顯示，控制算法的參數(shù)設(shè)置，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集等操作;而Matlab作為后臺程序，用于完成控制算法運(yùn)行、系統(tǒng)性能分析、算法參數(shù)反饋和曲線設(shè)計繪制等功能［5－6］．

為使生物質(zhì)鍋爐始終運(yùn)行在最佳燃燒狀態(tài)，本項目根據(jù)生物質(zhì)燃料本身特性，通過在過程控制實驗裝置上反復(fù)多次實驗，最終確定將Fuzzy-Smith算法應(yīng)用于鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化控制中;針對鍋爐運(yùn)行狀態(tài)中汽包假液位問題，突破傳統(tǒng)，采用Fuzzy PID控制算法，通過在Matlab中多次仿真實驗，達(dá)到優(yōu)化控制．這些先進(jìn)的控制算法，首先在Matlab中建立自己的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型，并封裝成模塊，比如本項目中的給水量、鼓風(fēng)量、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備;然后，在simulink中，將這些封裝好的模塊組建成完整的控制系統(tǒng)，同時處理成子系統(tǒng);每個子系統(tǒng)中控制算法的參數(shù)(比如Fuzzy PID的比例系數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù))，在Matlab中要通過變量的形式表示，而嵌入式MCGS中實時數(shù)據(jù)庫中也有同樣的變量，它們通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致與統(tǒng)一．一方面MCGS的設(shè)備窗口實時接收底層傳感器智能節(jié)點的數(shù)據(jù)采樣，另一方面，通過DDE賦值給simulink，這樣Matlab中仿真與控制的就是生物質(zhì)鍋爐的實際情況．其通訊結(jié)構(gòu)如圖5所示．

圖5 組態(tài)與Matlab通訊結(jié)構(gòu)圖Fig．5 Communication architecture figure of configuration and Matlab

5 系統(tǒng)性能檢測與經(jīng)濟(jì)效益分析

為了驗證生物質(zhì)鍋爐的工作穩(wěn)定性能及大氣排放物指標(biāo)，本系統(tǒng)由河南省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所對生物質(zhì)顆粒(玉米秸稈型)燃料燃燒運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行試驗，運(yùn)行24 h，其平均熱效率達(dá)到82．35%，高于傳統(tǒng)型煤鍋爐20%左右，煙氣林格曼黑度接近0級，原始出口煙塵濃度為53．3 mg/Nm3，SO2濃度接近0 mg/Nm3，氮氧化物331 mg/Nm3，與GB13271-2001鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)相比，本項目所研制的生物質(zhì)鍋爐的環(huán)境指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于國標(biāo)中規(guī)定的工業(yè)鍋爐大氣中污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)．

河南省是農(nóng)業(yè)大省，每年僅玉米秸稈產(chǎn)量就可達(dá)到2 000萬噸，玉米秸稈收購價約為50元/噸，若加工為成型燃料，價格大約在300元/噸，與型煤相比，每噸便宜100元．僅以鄭州市為例，市內(nèi)每年用煤量大約為60萬噸，以后隨著工業(yè)的發(fā)展用煤量還要持續(xù)增加，若用玉米秸稈成型燃料代替型煤，每年財政可節(jié)省燃料費用約7 000萬元．河南省地廣物博，生物質(zhì)能源豐富充足，本項目所研制的生物質(zhì)鍋爐制造成本低、質(zhì)量輕、易安裝，且節(jié)能20%以上，并且燃燒的灰渣是很好的肥料，可取代傳統(tǒng)鍋爐的煤渣污染，還可灰渣還田、循環(huán)利用，保持生態(tài)平衡．

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