基于物聯(lián)網(wǎng)的生物質(zhì)鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周宇航 馬曉君 馬佳宇 梁秋艷 王麗麗 郭欣悅

摘要針對(duì)農(nóng)作物秸稈浪費(fèi)與環(huán)境污染問題，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的生物質(zhì)鍋爐控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)秸稈充分利用，降低環(huán)境污染。采用可編程邏輯控制器（PLC）對(duì)生物質(zhì)燃燒過程進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)燃料投入精準(zhǔn)化、自動(dòng)化。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠根據(jù)外界的環(huán)境自動(dòng)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)控，設(shè)定好標(biāo)準(zhǔn)值和報(bào)警值之后，不再需要人工操作，系統(tǒng)完成自動(dòng)控制過程，使溫度始終控制在適宜的范圍內(nèi)，提高了生物質(zhì)燃料的利用率，降低環(huán)境污染，具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞物聯(lián)網(wǎng)；生物質(zhì)鍋爐；可編程邏輯控制器；智能化；自動(dòng)化

中圖分類號(hào)S24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）23-0196-03

The Biomass Boiler Control System Design Based on Internet of Things

ZHOU Yuhang， MA Xiaojun*，MA Jiayu et al

（College of Mechanical Engineering， Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007）

AbstractAiming at the problems of crop straw waste and environmental pollution， the biomass boiler control system based on the internet of things designed to realize full utilization of straw and reduce environmental pollution. Using PLC to control the combustion process of biomass to achieve precision， automated fuel input. Test results show that the system can automatically according to outside environment on temperature control， set the standard values and alarm values， eliminating the need for manual operation， complete control of the system， keep the temperature control in the appropriate range， increased utilization of biomass fuels， reduce environmental pollution， is of high practical value and application.

Key wordsThe Internet of things；Biomass boiler；PLC；Intelligent；Automation

基金項(xiàng)目黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（1022220168733）；佳木斯大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。

作者簡介周宇航（1994—），男，黑龍江肇源人，本科生，專業(yè)：農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化。*通訊作者，工程師，博士，從事現(xiàn)代制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)及自動(dòng)化研究。

收稿日期2017-06-16

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達(dá)7億t，糟渣8 000萬t，大部分被廢棄，不僅造成巨大的資源浪費(fèi)，還嚴(yán)重污染了環(huán)境[1-2]。隨著農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格持續(xù)升高，農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)資源開發(fā)利用將具有明顯的成本優(yōu)勢和資源優(yōu)勢。同時(shí)，隨著社會(huì)對(duì)能源需求的日益增長，作為主要能源來源的化石燃料在迅速地減少，可再生能源需求也日益增加。生物質(zhì)是一種理想的可再生能源，它來源廣泛，每年都有大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)及森林廢棄物產(chǎn)出[3-5]。

在我國，無論是北方地區(qū)的玉米芯、秸稈，還是南方的稻殼、蔗渣、椰子殼等可再生資源都非常豐富，用其代替或部分代替燃煤，能為企業(yè)帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。另一方面，生物質(zhì)能是一種清潔可再生能源，二氧化碳排放接近于零，因此利用生物質(zhì)能對(duì)保護(hù)環(huán)境、改善生態(tài)、提高農(nóng)民生活水平等都具有重要的作用。世界化石能源的儲(chǔ)量已經(jīng)接近紅線，各國都在開發(fā)新能源，對(duì)新能源的運(yùn)用必定是今后經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢。同時(shí)，老式鍋爐使用時(shí)需要有人實(shí)時(shí)監(jiān)管，極大地浪費(fèi)了人力，也使得大規(guī)模的鍋爐使用成為了極困難的事。生物質(zhì)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)可以改變鍋爐產(chǎn)業(yè)的國際發(fā)展趨勢，并將逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、智能化、無人化等更為先進(jìn)的方向發(fā)展，引領(lǐng)鍋爐產(chǎn)業(yè)走向一個(gè)新的發(fā)展階段[6-8]。

1研發(fā)方案

在工藝構(gòu)建方面，擬采用實(shí)驗(yàn)分析法、定量分析法、文獻(xiàn)研究法對(duì)鍋爐控制工藝進(jìn)行綜合分析與構(gòu)建，獲得現(xiàn)代鍋爐控制精確調(diào)控工藝。在傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面，采用功能分析法確定各類傳感器類型、通訊方式、數(shù)據(jù)接口等信息，構(gòu)建功能強(qiáng)大的新型鍋爐控制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)構(gòu)建方面將數(shù)學(xué)方法與信息研究法結(jié)合，采用數(shù)學(xué)建模與編程構(gòu)建控制系統(tǒng)及其相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，以期得到智慧型的鍋爐集成控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)由PC機(jī)互聯(lián)網(wǎng)、溫度傳感器、可編程邏輯控制器（PLC，臺(tái)達(dá)16EC00T3）、監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（MCGS）觸摸屏、點(diǎn)火器、鼓風(fēng)機(jī)等元器件構(gòu)成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)設(shè)計(jì)由上位機(jī)與下位機(jī)2部分組成。上位機(jī)由PC機(jī)和觸摸屏及手機(jī)組成，采用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程云端互聯(lián)網(wǎng)控制、手機(jī)遠(yuǎn)程控制。通過在系統(tǒng)上設(shè)定和修改配方及報(bào)警值來實(shí)現(xiàn)鍋爐的自動(dòng)控制執(zhí)行方案所需要的不同環(huán)境，通過查詢歷史記錄來分析室內(nèi)溫度變化，通過分析各時(shí)間段的溫度數(shù)據(jù)需要，檢查各監(jiān)測點(diǎn)的溫度狀況，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄；利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測、設(shè)定數(shù)據(jù)極限值，如果釆集到的數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行滿足裝備的下位機(jī)部件。PLC是下位機(jī)的主要核心控制器，上位機(jī)將命令指令發(fā)送到下位機(jī)PLC中，PLC控制各個(gè)元器件進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作 。根據(jù)用戶需求設(shè)置了手動(dòng)、自動(dòng)、定時(shí)工作的多種控制功能，使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。

2工作原理及性能分析

2.1硬件設(shè)計(jì)及選型

該系統(tǒng)硬件主要由PC機(jī)、溫度傳感器模塊、PLC、觸摸屏、點(diǎn)火器、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等構(gòu)成。傳感器模塊實(shí)現(xiàn)待檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換；引風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)排出爐膛內(nèi)產(chǎn)生的煙氣，并使?fàn)t膛內(nèi)維持一定的負(fù)壓，克服尾部煙道內(nèi)的壓力損失（包括除塵器）；PLC負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、邏輯分析，并根據(jù)設(shè)定值控制下位機(jī)的開關(guān)。以下對(duì)各部分展開進(jìn)行介紹。上位機(jī)控制主機(jī)采用PC機(jī)，作為中央控制核心單元，使用戶在辦公室電腦上的遠(yuǎn)端中央控制軟件對(duì)鍋爐群遠(yuǎn)程調(diào)控，適用于精準(zhǔn)、集中化管理的場合，主控系統(tǒng)如圖2所示。

上位機(jī)單個(gè)鍋爐裝備，采用的是MCGS觸摸屏，如圖3所示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息、工藝流程畫面、工作日志以及開關(guān)狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)查看；對(duì)裝備的溫度標(biāo)準(zhǔn)值以及報(bào)警值參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；以及手動(dòng)和定時(shí)控制風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，使系統(tǒng)的自動(dòng)化程度有了很大的提高。

核心控制單元之所以選用臺(tái)達(dá)PLC（16EC00T3），是因?yàn)镻LC是一種結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)的工業(yè)智能控制設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)開關(guān)量信號(hào)的邏輯控制和上位機(jī)等智能設(shè)備通信的功能，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有操作簡單、運(yùn)行可靠、工藝參數(shù)修改方便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可大幅度提高系統(tǒng)的可靠性和工作效率。

采用PLC可較好地解決工業(yè)級(jí)復(fù)雜的問題，及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)難以協(xié)同、通信困難等一系列技術(shù)難題，所以該項(xiàng)目的系統(tǒng)控制核心器件選用PLC。選擇臺(tái)達(dá)PLC，主要考慮DVP系列PLC有以下特點(diǎn)：

CPU處理速度快，程序容量大；

編程及監(jiān)控功能強(qiáng)大，維修簡單；

抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，性價(jià)比高；

指令系統(tǒng)豐富。

2.2電路設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)主要是由引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)控制鍋爐內(nèi)溫度的變化。系統(tǒng)電路如圖4所示，其中電路左邊為主回路，主回路的電壓是220 V，斷路

器QF1控制系統(tǒng)的主電路供電和系統(tǒng)整體的供電。主回路

需要供220 V的電壓，電磁閥需要220 V的電壓。在系統(tǒng)通電啟動(dòng)后，PLC會(huì)相繼啟動(dòng)中間繼電器來控制泵和閥的動(dòng)作，KA1、KA2、KA3、KA4、KA5分別控制加料、進(jìn)料、引風(fēng)、鼓風(fēng)、循環(huán)泵。

2.3控制系統(tǒng)硬件構(gòu)建

將優(yōu)化選擇的觸摸屏、PLC、傳感器等部件，通過整合各個(gè)元器件特性，進(jìn)行合理性規(guī)劃布局，運(yùn)用電器布局原理，將各個(gè)部件整合到電器柜中，再將各個(gè)部件連接起來，制成成品樣機(jī)，然后進(jìn)行樣機(jī)調(diào)試。最后，將整個(gè)控制系統(tǒng)連接到控制器上，首先進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)測試，確定沒有線反接、裸露線后，進(jìn)行觸摸屏程序調(diào)試、PLC程序調(diào)試、遠(yuǎn)程程序調(diào)試、傳感器反饋信號(hào)調(diào)試以及輸出、輸入控制點(diǎn)調(diào)試。目前，已經(jīng)開發(fā)的鍋爐物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，每套系統(tǒng)可同時(shí)采集多個(gè)傳感器等部件信息，根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)調(diào)整點(diǎn)火器與引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等執(zhí)行器的啟停。

3結(jié)論與討論

鍋爐是我國北方冬天取暖最重要的裝備，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)作為鍋爐最主要的燃料之一，可逐漸取代煤炭、燃油等燃料，由于生物質(zhì)材料具有的節(jié)能環(huán)保作用，受到政府的大力推廣，研發(fā)的生物質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)鍋爐控制系統(tǒng)在合作基地已穩(wěn)定運(yùn)行。

研究開發(fā)的生物質(zhì)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，可以使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與生物質(zhì)鍋爐控制完美結(jié)合，構(gòu)建出一系列節(jié)能環(huán)保型的生物質(zhì)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制體系。將所有鍋爐組成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)鍋爐既能用單個(gè)控制箱控制，還能用安裝在辦公室電腦上的遠(yuǎn)端中央控制軟件對(duì)鍋爐群遠(yuǎn)程調(diào)控，適用于精準(zhǔn)管理大量的鍋爐使用場合。

經(jīng)過一段時(shí)間的投入市場使用后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都有了很大的提高，目前生物質(zhì)鍋爐智能控制系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定、安全性高、抗干擾性強(qiáng)，已經(jīng)經(jīng)過實(shí)際使用檢驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

控制系統(tǒng)在進(jìn)料與風(fēng)量的比例方面進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的配比，比同類產(chǎn)品在相同產(chǎn)熱量的情況下，用料節(jié)省約20%，降低了成本，提高了利用率。該設(shè)備在合作基地已穩(wěn)定運(yùn)行超過4個(gè)月，應(yīng)用前景廣闊。

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