燃煤鍋爐聲波除灰高性能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王俊杰 蔣 奇 王保巖

(山東大學控制科學與工程學院)

燃煤鍋爐聲波除灰高性能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王俊杰 蔣 奇 王保巖

(山東大學控制科學與工程學院)

針對當前電站燃煤鍋爐積灰、結(jié)渣聲波除灰技術(shù)自動化程度低、效率低等問題，采用PLC控制、除灰變頻、網(wǎng)絡集成及手機APP遠程控制等方式作為核心技術(shù)，實現(xiàn)了鍋爐聲波除灰的本地和遠程監(jiān)控功能。現(xiàn)場實際應用證明該系統(tǒng)高效可靠。

遠程監(jiān)控 燃煤鍋爐 聲波除灰 PLC 網(wǎng)絡集成

火電廠燃煤鍋爐運行過程中產(chǎn)生的積灰堵塞是火力發(fā)電廠高能耗、高污染的難點問題[1]，鍋爐內(nèi)部受熱面積灰給其換熱效率和安全運行帶來了巨大隱患。旋笛式聲波除灰器以其明顯優(yōu)勢成為解決這一問題的新技術(shù)，隨著聲波除灰器在燃煤鍋爐上的投入使用，傳統(tǒng)的繼電器控制和較為落后的通信方式已經(jīng)開始跟時代的發(fā)展脫節(jié)[2]。針對旋笛式聲波除灰系統(tǒng)現(xiàn)場運行時所需的功能，結(jié)合目前自動化領域的熱點，在前人經(jīng)驗的基礎上，設計燃煤鍋爐聲波除灰高性能監(jiān)控系統(tǒng)，完成本地自動化控制和遠程監(jiān)控。

1 聲波除灰高性能監(jiān)控系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

聲波除灰的機理可以從兩個角度進行闡述：從受力分析角度來看，聲波除灰的本質(zhì)就是使爐內(nèi)溫度場、流場發(fā)生改變，進而改變飛灰粒子的受力；從能量守恒角度來看，聲場的能量約等于除灰器發(fā)聲時高壓氣體所攜帶的動能，產(chǎn)生的聲波進入爐內(nèi)后，在爐內(nèi)各種障礙物上“碰撞”，最終聲場所攜帶的能量都會作用到灰渣上，灰渣遭到破壞，積灰被清除[3，4]。基于聲波除灰原理設計的旋笛式聲波發(fā)生器采用低壓氣流驅(qū)動，其機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)切割經(jīng)進氣口高速流入喉部的氣流進而發(fā)出一定頻率的聲波，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，可使頻率進行較慢的調(diào)制[4，5]。

圖1 旋笛式聲波除灰器機械結(jié)構(gòu)示意圖

聲波除灰高性能監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架如圖2所示，該系統(tǒng)由觸摸屏、本地控制子系統(tǒng)、LabVIEW監(jiān)控客戶端和Android手機遠程監(jiān)控APP共4個模塊通過網(wǎng)絡集成。操作人員可以通過PC客戶端或Android客戶端實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況，并且對現(xiàn)場的運行系統(tǒng)進行控制。

圖2 聲波除灰器監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架

2 硬件部分

2.1 本地控制子系統(tǒng)模塊選型

考慮到實際工況和現(xiàn)場需求，本地控制系統(tǒng)采用S7-200 PLC CPU226作為主機，外加數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊作為本地控制的底層控制器。系統(tǒng)的主要控制對象是電機和電磁閥，以控制30臺聲波除灰器為例，需要控制30臺電機和30個電磁閥，還需對自動運行指示、蜂鳴器和變頻運行指示3個綜合指示信號燈進行單獨輸出控制，同時需要采集30臺電機的過載報警信號、總啟動信號和變頻故障信號，即共需95個I/O點，其中32個輸入點，63個輸出點，外加一路模擬量電流輸出。具體的模塊擴展方案(圖3)為：數(shù)字量I/O擴展模塊為6個EM223模塊，其中8I/O一個，8DO 5個；模擬量輸入/輸出模塊選用EM232，其電流輸出作為變頻器的外部給定值。

圖3 模塊擴展方案

考慮變頻器的工作環(huán)境、負載和實際應用需求，選用ABB系列的ACS510變頻器。模擬量輸出模塊EM232的IO、MO輸出4～20mA的可調(diào)電流，以此電流作為變頻器的給定值調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)旋笛式聲波發(fā)生器發(fā)聲頻率的目的。

2.2 控制柜電氣回路

旋笛式聲波除灰器本地控制子系統(tǒng)控制柜中的元器件主要分為兩類：主回路電氣元件與控制回路電氣元件。主回路元器件主要有變頻器、熱繼電器、交流接觸器及開關(guān)電源等。

本控制系統(tǒng)的柜內(nèi)主回路如圖4所示。三相電經(jīng)空氣開關(guān)進入變頻器，變頻器輸出的動力線并聯(lián)后給30臺三相異步電機供電。從三相電引出一相給24V開關(guān)電源和PLC供電，使用開關(guān)電源輸出的24V直流電給控制回路中的繼電器等直流設備供電。

控制回路電氣元件主要有PLC模塊、中間繼電器、斷路器、接線端子及觸摸屏等。以1#電機為例，控制回路框圖如圖5所示。系統(tǒng)中PLC輸出端Q0.0輸出電機控制信號使中間繼電器KA1動作，KA1上的兩個常開開關(guān)閉合,接通兩路交流電信號，其中一路(簡稱1#運行信號)給控制柜上的電機運行指示信號燈， 另一路(簡稱1#電機信號)給KM1交流接觸器，交流接觸器吸合后，控制電機啟動。接觸器和熱繼電器一般配合使用，形成一個小模塊。FR1為熱繼電器，當電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時，通過熱繼電器的電流會大幅增加，導致熱繼電器動作，從而產(chǎn)生+24V 的1#過載報警信號，導致KA2動作，KA2 上的兩個常開開關(guān)閉合，產(chǎn)生兩路信號，-24V信號傳送給PLC輸入端子1#ALARM，使PLC及時屏蔽掉故障電機，信號L傳送給蜂鳴報警器及時發(fā)出報警信號。

圖4 主控回路

圖5 單臺電機控制回路框圖

3 軟件部分

3.1 本地控制子系統(tǒng)PLC程序

S7-200 PLC使用STEP7-Micro/Win32軟件進行編程。PLC實現(xiàn)了接收觸摸屏輸入的參數(shù)設置、分組自動循環(huán)控制及故障報警等絕大部分邏輯控制功能。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

PLC程序采用模塊化設計思想，將各部分功能封裝于各子程序中。在系統(tǒng)主程序中，首先利用PLC自帶的特殊寄存器SM0.1將相關(guān)寄存器清零，實現(xiàn)上電復位，寄存器M0.1通過設備通道與觸摸屏界面上的手動/自動控制按鈕綁定，然后根據(jù)M0.1的狀態(tài)分別進入手動控制模式與自動控制模式。

圖6 PLC軟件流程

3.2 本地控制子系統(tǒng)的人機交互界面

本地控制系統(tǒng)選用昆侖通態(tài)TPC1061Ti嵌入式一體化觸摸屏作為現(xiàn)場人機交互界面，結(jié)合MCGS嵌入版組態(tài)軟件快速方便地開發(fā)除灰器本地控制系統(tǒng)的控制界面。

在硬件連接上，觸摸屏與PLC的連接采用標準串口型號的西門子PC/PPI電纜。在MCGS組態(tài)系統(tǒng)中，主要由3個窗口和一個數(shù)據(jù)庫組成，其中設備窗口專門放置不同類型和功能的底層設備構(gòu)件，實現(xiàn)對外部設備的操作和控制；用戶窗口將設備數(shù)據(jù)實時動態(tài)地顯示在用戶界面上；策略窗口可編輯腳本控制數(shù)據(jù)；實時數(shù)據(jù)庫以對象為單元管理數(shù)據(jù)，存儲變量的數(shù)值、屬性和方法。本系統(tǒng)中定義的用戶窗口主要包括登錄窗口、運行模式選擇窗口、手動操作窗口和自動操作窗口。對于用戶登錄界面，考慮到安全權(quán)限問題，用戶點擊登錄后會彈出用戶登錄窗口，需要輸入用戶名和密碼，只允許有權(quán)限的操作員進行某些功能操作。用戶名與密碼在開發(fā)模式下設置。

其中，權(quán)限安全登錄的腳本如下：

IF!LogOn()=0

THEN

用戶窗口.主控界面.open()

ENDIF

登錄成功后會進入運行模式選擇界面。在運行模式選擇界面可以選擇進入“自動操作界面”、“手動操作界面”或者“返回登錄界面”。

3.3 基于LabVIEW的本地實時監(jiān)控子系統(tǒng)

本地控制子系統(tǒng)一般安裝在鍋爐的中間樓層上，為了能夠讓總控室工作人員實時監(jiān)控高爐控制系統(tǒng)，本地控制子系統(tǒng)提供了與外部設備進行通信的Modbus協(xié)議接口，通過該接口可將整個除灰器本地控制子系統(tǒng)接入支持Modbus協(xié)議的客戶端、DCS等外部監(jiān)控軟件，從而實現(xiàn)集中控制與管理。基于Modbus協(xié)議，以PC作為主機、PLC作為從機，采用RTU傳輸模式實現(xiàn)主從雙方的通信，編寫Modbus通信協(xié)議從機側(cè)的PLC程序和主機側(cè)的LabVIEW程序，開發(fā)了上位機實時監(jiān)控程序。系統(tǒng)框架如圖7所示。

圖7 LabVIEW客戶端系統(tǒng)框架

從機側(cè)。西門子專門為Modbus RTU通信開發(fā)了指令庫，通過從站指令庫，可以使S7-200作為從站設備集成到Modbus網(wǎng)絡中，實現(xiàn)與Modbus主站設備的通信。Modbus從站協(xié)議庫包括兩條指令：MBUS_INIT指令(用于啟動、初始化或禁止Modbus通信)和MBUS_SLAVE指令(用于響應Modbus主設備發(fā)出的請求)。在使用MBUS_SLAVE指令之前，必須正確執(zhí)行MBUS_INIT指令。將從站地址設為2，將端口0的比特率設為9 600bit/s，無校驗、無延遲。允許存儲所有的I、Q和AI數(shù)值，保存寄存器的存儲空間從VB0開始的1 000個字。初始化完成后，每個掃描周期都執(zhí)行MBUS_SLAVE指令，以便響應主站報文。使用Modbus RTU指令庫編程之前，應該首先為它分配存儲區(qū)，否則編譯時會報錯，其次一旦CPU端口被用于Modbus RTU主/從站協(xié)議通信，該端口就無法用于任何其他用途，包括與STEP7-Micro/Win通信。

主機側(cè)。其實Modbus庫就是利用VISA函數(shù)結(jié)合Modbus協(xié)議規(guī)范封裝而成的。LabVIEW中的虛擬儀器軟件架構(gòu)VISA駐留于計算機系統(tǒng)之中，為計算機和儀器順利通信提供了通道[5,6]。筆者利用LabVIEW，基于“生產(chǎn)者-消費者”框架模式構(gòu)建了上位機實時監(jiān)控系統(tǒng)。

“生產(chǎn)者”根據(jù)從機側(cè)PLC寄存器與Modbus地址之間的映射關(guān)系，通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)與PLC的通信，讀寫PLC的運行數(shù)據(jù)。在初始化函數(shù)MB-Init中設置傳輸模式、比特率及奇偶校驗等，此處設置的參數(shù)要與PLC側(cè)通過MB-Init設置的函數(shù)一致，通過函數(shù)WR-MB設置從機地址、功能碼并讀取數(shù)據(jù)的地址。“消費者”對采集上來的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合實際需求兼顧軟件的運行性能，只對設備報警信息進行實時存儲。現(xiàn)場除灰器的設備報警信號由熱繼電器觸發(fā)，經(jīng)PLC的輸入寄存器傳輸給控制系統(tǒng)，上位機監(jiān)控軟件通過Modbus協(xié)議讀取PLC輸入寄存器的狀態(tài)來采集設備報警信息。“生產(chǎn)者-消費者”模式使用隊列對采集到的數(shù)據(jù)做一個緩存,可以避免其他通信方式造成的競爭、重復分析或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象[7]。

數(shù)據(jù)庫操作。采用MySQL管理工具Navicat 8 for MySQL創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫Motor_monitor，然后在該數(shù)據(jù)庫下創(chuàng)建表motor，它包括4個字段：編號、報警時間、故障設備號、是否變頻器報警。完成數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建后，配置數(shù)據(jù)源，在LabVIEW中利用LabSQL實現(xiàn)數(shù)據(jù)在應用程序與數(shù)據(jù)庫之間的交互傳遞。LabSQL利用子VI完成數(shù)據(jù)庫訪問的基本步驟如下：

a. 通過Open Conn函數(shù)依靠DSN連接數(shù)據(jù)庫；

b. 利用函數(shù)SQL Execute連接記錄集并執(zhí)行相應的SQL語句；

c. Close函數(shù)斷開記錄集、關(guān)閉數(shù)據(jù)庫。

3.4 Android遠程監(jiān)控客戶端

針對除灰器工作環(huán)境不適宜人員長時間現(xiàn)場監(jiān)控這一問題，利用巨控GRM無線監(jiān)控平臺，設計了應用于遠程監(jiān)控的Android客戶端。平臺的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖8所示。開發(fā)Android客戶端訪問平臺服務器時，需要遵照平臺服務器的接口格式。

圖8 無線監(jiān)控平臺的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

根據(jù)客戶端要實現(xiàn)的功能，設計客戶端的操作流程為：啟動軟件后展現(xiàn)登錄界面，用戶在登錄界面的username中輸入需要查看的GSM控制終端序列號，在password中輸入對應控制終端的密碼。登錄成功后進入主界面，通過主界面中的按鈕進入到各個平行子功能模塊界面。各個功能模塊從功能上分為讀、寫兩類流程，其中控制命令界面和屏蔽電機界面是向服務器寫數(shù)據(jù)，其余均是讀數(shù)據(jù)。對于服務器來說，讀寫數(shù)據(jù)只是發(fā)送的服務器命令不一樣，軟件實現(xiàn)的功能流程都是相同的。其中“電機報警狀態(tài)查看”功能模塊流程如圖9所示。

用戶進入主界面后，Android系統(tǒng)內(nèi)部實時監(jiān)聽所有按鈕的點擊事件。當主界面有按鈕被用戶點擊時，系統(tǒng)自動調(diào)用onClick方法判斷是哪個按鈕被點擊，然后利用Intent啟動一個新的Activity跳轉(zhuǎn)進入相應的界面，顯示該界面中的所有控件，監(jiān)聽該界面的下拉刷新事件，把將要讀取的變量按照服務器接口格式封裝在字符串Params中，最后啟動一個異步任務向服務器發(fā)送讀取變量的請求。如果訪問成功，返回的結(jié)果將以固定格式存放在res中，按照服務器接口定義的格式將服務器返回的結(jié)果解析顯示出來。

圖9 設備報警查詢邏輯流程

4 調(diào)試與應用

聲波除灰高性能監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設計完成后，分別進行了實驗室測試、工廠測試和現(xiàn)場安裝調(diào)試。

首先在實驗室對系統(tǒng)的軟件進行了功能、穩(wěn)定性及健壯性等方面的測試，根據(jù)實際現(xiàn)場工況設計各種測試場景，通過觸摸屏輸入?yún)?shù)，一方面通過Micro/Win監(jiān)控手動和自動運行模式下程序內(nèi)部的運行狀態(tài)，另一方面觀察PLC繼電器的輸出指示燈，據(jù)此來判斷程序的設計是否滿足原始設計需求。

控制柜按照需求設計安裝完成后，在工廠接入除灰器設備，設定好運行參數(shù)，觀察控制系統(tǒng)的運行狀況，模擬設備堵轉(zhuǎn)，觀察控制系統(tǒng)是否及時屏蔽該設備并發(fā)出報警信號。按照電廠的要求施工安裝完成后，對控制系統(tǒng)在現(xiàn)場進行安裝調(diào)試，長時間運行測試后，系統(tǒng)運行良好。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在華電章丘、華電淄博及華電六安等火電廠投入實際應用。

5 結(jié)束語

筆者設計的燃煤鍋爐聲波除灰高性能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對幾十臺旋笛式聲波除灰器的手動/自動控制和實時遠程監(jiān)控，形成了一套較為完整的體系，通過在火電廠的實際應用，證明該系統(tǒng)高效可靠，有效提高了火電廠燃煤鍋爐的自動化程度和效率。

[1] 劉碩,齊詠生,王林,等.電站鍋爐煤耗與NOx排放混合建模與優(yōu)化[J].石油化工自動化,2016,52(1):30～34.

[2] 胡琛.聲波除灰技術(shù)的研究[D].保定:華北電力大學,2001.

[3] 吳磊,賈廣,陳志華.淺談聲波除灰技術(shù)研究與展望[J].應用能源技術(shù),2013,(3):34～36.

[4] 周信.燃煤鍋爐聲波除灰器測控系統(tǒng)的設計與應用[D].濟南:山東大學,2016.

[5] 馬大猷.現(xiàn)代聲學理論基礎[M].北京:科學出版社,2004.

[6] 沈宗輝.基于虛擬儀器技術(shù)和Modbus現(xiàn)場總線的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學,2008.

[7] 唐進元,李松,邵文.基于LabVIEW生產(chǎn)者-消費者模式的齒輪傳動振動測試系統(tǒng)[J].機械傳動,2011,35(1):5～7.

DesignandImplementationofHigh-performanceMonitoringSystemforAcousticSootCleaninginCoal-firedBoiler

WANG Jun-jie, JIANG Qi, WANG Bao-yan

(School of Control Science and Engineering, Shandong University)

Considering low degree of automation and poor efficiency of existing soot and slag-cleaning technologies adopted for the coal-fired boilers in power plants, and through making use of core technologies like PLC control, soot cleaning at variable frequencies, network integration and the APP remote control, the local and remote monitoring of acoustic soot cleaning of boilers were realized. Actual application indicates that this system is efficient and reliable.

remote monitoring, coal-fired boiler, acoustic soot cleaning, PLC, network integration

TH862

B

1000-3932(2017)05-0457-05

國家自然科學基金項目(61473175)；山東省重點研發(fā)計劃項目(2016GGX104015)。

王俊杰(1992-)，碩士研究生，從事工業(yè)自動化的研究。

聯(lián)系人蔣奇(1973-)，教授，從事新型傳感、光纖傳感、工業(yè)自動化的研究，jiangqisd@126.com。

2016-09-25，

2017-03-20)