基于嵌入式系統的生物質鍋爐優化監控系統的研究與應用

黃 春， 袁恒淑， 姚莉娜， 孫君曼， 崔光照

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

0 引言

生物質能顆粒燃料是利用植物秸稈、樹皮等農林廢棄物，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，若作為鍋爐的燃料，與常規型煤相比，它的燃燒時間長，強化燃燒爐膛溫度高，而且經濟實惠，同時對環境無任何污染，屬再生能源，可循環利用．我國大面積的農業產生的原料給生物質鍋爐的推廣提供了堅強的物質保障，若能研制推廣，不僅能夠解決農民焚燒秸稈的問題，同時將燃燒過的灰渣還田，又是很好的肥料，實是一舉多得．

生物質燃料本身的濕度、密度及鍋爐負荷變化等干擾因素的不確定性，增加了控制系統的難度，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，進而影響鍋爐的效率．針對生物質鍋爐的控制難題，為實現生物質鍋爐持續穩定、高效潔凈燃燒的目標，提出生物質燃料鍋爐液位和燃燒的優化策略;構建基于嵌入式操作系統的硬件平臺，使生物質鍋爐的給料系統、燃燒系統、吹灰系統、送風系統、引風除塵系統等達到完全自動控制;利用MCGS組態軟件和Matlab simulink的優勢，搭建中央監控中心，實時監控鍋爐的運行狀態;基于物聯網技術，利用CDMA數據終端實現生物質鍋爐的遠程監控．本文所研制的新型系統，為生物質燃料鍋爐的推廣應用提供探索和借鑒．

1 新型生物質鍋結構設計及特點

為提高生物質鍋爐的熱效率，結構設計采用氣化燃燒復合原理，將鍋爐內部設計成獨特的3室結構，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，生物質成型燃料被加熱、分解，產生生物質燃氣;底部設計為負壓抽吸式結構，將固相燃燒室內的燃氣自動吸引進來，經爐柵過濾、凈化，流入氣相燃燒室，完成均相動力燃燒;在氣相燃燒室內，為了使燃氣火焰完全充分燃燒，將其尾部設計成獨特的旋流結構，以使氣室內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合結構，此效果顯著，實現了潔凈燃燒和輻射換熱［1－2］．與傳統鍋爐相比，新型生物質鍋爐結構新穎，更適用于生物質燃料的綠色環保，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，此結構簡單易造，體積和質量遠遠小于傳統鍋爐，為生物質燃料鍋爐在農村的推廣應用奠定了基礎．

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

2 監控系統設計總方案

生物質燃料鍋爐是一個多輸入多輸出的復雜被控對象，主要包括汽包水位子系統和燃燒子系統，圖2是監控系統結構框圖．控制系統采用大量傳感器實時檢測生物質鍋爐的各項信息，輸送給嵌入式操作系統硬件平臺，進行基本處理，顯示、存儲;然后，利用Modbus協議，通過RS485總線將這些實時數據傳輸給上位機監控軟件．上位機監控軟件由嵌入式MCGS組態軟件編制而成，主要用于實時動態顯示鍋爐狀態參數，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的監視、控制、調度和管理功能．另外，依據生物質燃料本身的特性，提出生物質燃料鍋爐液位和燃燒子系統的控制優化策略．Matlab工程計算能力強大，豐富的工具箱可以方便快捷地實現復雜先進控制算法，而嵌入版MCGS組態軟件具有強大的可視化界面功能，本項目通過DDE(dynamic data exchange，動態數據交換)技術，將2者編程結合，達到實時數據快速通信的效果，從而實現了對生物質燃料鍋爐汽包水位和燃燒子系統的優化控制．最后，利用物聯網技術，實現管理員的遠程監控功能．

圖2 系統結構框圖Fig．2 Architecture figure of system

3 基于μCOSⅡ硬件平臺的設計

系統硬件設計采用模塊化思想，并兼顧其擴展性和兼容性．主控制器采用AVR高端系列單片機MEGA128，它內嵌高質量的flash程序存儲器，工作速度快，壽命長，資源豐富，內嵌4K E2PROM，方便系統關鍵參數的存儲，基于此，可以將嵌入式操作系統μCOSⅡ移植入主控制器內，提高系統的工作性能．

嵌入式硬件系統主要包括主控模塊、數據采集模塊、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、外擴存儲單元構成，完成原始檢測數據的運算、存儲等功能;數據采集模塊，主要用來收集汽包水位控制子系統和燃燒控制子系統的傳感器輸送過來的信號，通過放大、濾波、A-D轉換，傳輸給MCU;通信模塊包括2部分:上位機和下位機通信，以及基于CDMA的物聯網通信．前者通過Modbus協議，RS485總線將數據可靠地傳輸給監控中心MCGS組態軟件;物聯網在生物質鍋爐系統中的核心應用主要是，監控中心作為物聯網終端，通過TCP/IP協議，將傳感器、報警、設備狀態等監測數據推送到CDMA終端設備，即用戶手機，實現遠程監控鍋爐的運行狀態;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測數據的觀看、存儲、查詢、打印、傳感器參數校準、系統時間設置、管理系統密碼設置等功能．同時，報警模塊負責生物質鍋爐的安全運行，若鍋爐尾氣排放的CO2、SO2超標，或者鍋爐內部氣壓過大，都會鳴笛報警提示，并同時將信息通過物聯網推送到管理員手機．

4 系統軟件設計

4．1 嵌入式監控組態軟件的設計

基于WinCE嵌入式操作系統開發平臺，利用嵌入式組態軟件通過模塊化組態和再開發，構造適合生物質鍋爐燃燒供能的工藝流程監管系統．軟件設計結構框圖如圖3所示．

圖4為其監控界面．系統將傳感器所采集的分散在不同工位的給水量、燃燒量、送風量、引風量、汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽流量、爐膛負壓等實時數據集中顯示在屏幕上，供工作人員監視整個生物質鍋爐的運行狀態．

圖3 軟件設計結構框圖Fig．3 Architecture figure of soft design

圖4 生物質鍋爐優化監控主界面Fig．4 The main interface of biomass boiler optimization monitor

4．2 MCGS組態軟件與Matlab的數據通信

MCGS組態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，可與其他應用程序實時交換數據，但其工程計算能力相對較弱，對于先進復雜的控制算法很難實現;而Matlab專業用于算法開發、數據分析和數值計算，工程計算能力強大，并集成豐富的多學科工具箱，便于算法的快捷開發．在生物質鍋爐監控系統軟件的設計中，本文結合二者優勢，聯合編程，使得軟件高效靈活，功能也更加強大，設計思想如下:MCGS組態軟件完成人機交互，實現系統工藝流程的動態顯示，控制算法的參數設置，現場數據的實時采集等操作;而Matlab作為后臺程序，用于完成控制算法運行、系統性能分析、算法參數反饋和曲線設計繪制等功能［5－6］．

為使生物質鍋爐始終運行在最佳燃燒狀態，本項目根據生物質燃料本身特性，通過在過程控制實驗裝置上反復多次實驗，最終確定將Fuzzy-Smith算法應用于鍋爐燃燒系統的優化控制中;針對鍋爐運行狀態中汽包假液位問題，突破傳統，采用Fuzzy PID控制算法，通過在Matlab中多次仿真實驗，達到優化控制．這些先進的控制算法，首先在Matlab中建立自己的傳遞函數數學模型，并封裝成模塊，比如本項目中的給水量、鼓風量、調節閥等設備;然后，在simulink中，將這些封裝好的模塊組建成完整的控制系統，同時處理成子系統;每個子系統中控制算法的參數(比如Fuzzy PID的比例系數、積分常數、微分常數)，在Matlab中要通過變量的形式表示，而嵌入式MCGS中實時數據庫中也有同樣的變量，它們通過動態數據交換DDE來實現數據的一致與統一．一方面MCGS的設備窗口實時接收底層傳感器智能節點的數據采樣，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鍋爐的實際情況．其通訊結構如圖5所示．

圖5 組態與Matlab通訊結構圖Fig．5 Communication architecture figure of configuration and Matlab

5 系統性能檢測與經濟效益分析

為了驗證生物質鍋爐的工作穩定性能及大氣排放物指標，本系統由河南省產品質量監督檢驗所對生物質顆粒(玉米秸稈型)燃料燃燒運行參數進行試驗，運行24 h，其平均熱效率達到82．35%，高于傳統型煤鍋爐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準相比，本項目所研制的生物質鍋爐的環境指標遠優于國標中規定的工業鍋爐大氣中污染物的排放標準．

河南省是農業大省，每年僅玉米秸稈產量就可達到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，市內每年用煤量大約為60萬噸，以后隨著工業的發展用煤量還要持續增加，若用玉米秸稈成型燃料代替型煤，每年財政可節省燃料費用約7 000萬元．河南省地廣物博，生物質能源豐富充足，本項目所研制的生物質鍋爐制造成本低、質量輕、易安裝，且節能20%以上，并且燃燒的灰渣是很好的肥料，可取代傳統鍋爐的煤渣污染，還可灰渣還田、循環利用，保持生態平衡．

［1］ 李海英．生物質鍋爐的性能論述［J］．節能，2008(3):86－88．

［2］ 中國電力科學研究院生物質能研究室．生物質能及其發電技術［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［3］ 蘇俊林，王震坤，矯振偉．高效潔凈生物質鍋爐的開發及應用［J］．農機化研究，2009(8):202－204．

［4］ 馬孝琴，駱仲泱，余春江，等．秸稈成型燃料雙膽反燒爐的設計［J］．動力工程，2005，25(6):800－804．

［5］ 王世香．精通Matlab接口與編程［M］．北京:電子工業出版社，2007．

［6］ 劉滿華，任正云，邵惠鶴．監控平臺軟件與Matlab的DDE通信［J］．研究與應用，2002，18(1):27－29．