燃煤锅炉声波除灰高性能监控系统的设计与实现

王俊杰 蒋 奇 王保岩

(山东大学控制科学与工程学院)

燃煤锅炉声波除灰高性能监控系统的设计与实现

王俊杰 蒋 奇 王保岩

(山东大学控制科学与工程学院)

针对当前电站燃煤锅炉积灰、结渣声波除灰技术自动化程度低、效率低等问题，采用PLC控制、除灰变频、网络集成及手机APP远程控制等方式作为核心技术，实现了锅炉声波除灰的本地和远程监控功能。现场实际应用证明该系统高效可靠。

远程监控 燃煤锅炉 声波除灰 PLC 网络集成

火电厂燃煤锅炉运行过程中产生的积灰堵塞是火力发电厂高能耗、高污染的难点问题[1]，锅炉内部受热面积灰给其换热效率和安全运行带来了巨大隐患。旋笛式声波除灰器以其明显优势成为解决这一问题的新技术，随着声波除灰器在燃煤锅炉上的投入使用，传统的继电器控制和较为落后的通信方式已经开始跟时代的发展脱节[2]。针对旋笛式声波除灰系统现场运行时所需的功能，结合目前自动化领域的热点，在前人经验的基础上，设计燃煤锅炉声波除灰高性能监控系统，完成本地自动化控制和远程监控。

1 声波除灰高性能监控系统的原理和结构

声波除灰的机理可以从两个角度进行阐述：从受力分析角度来看，声波除灰的本质就是使炉内温度场、流场发生改变，进而改变飞灰粒子的受力；从能量守恒角度来看，声场的能量约等于除灰器发声时高压气体所携带的动能，产生的声波进入炉内后，在炉内各种障碍物上“碰撞”，最终声场所携带的能量都会作用到灰渣上，灰渣遭到破坏，积灰被清除[3，4]。基于声波除灰原理设计的旋笛式声波发生器采用低压气流驱动，其机械结构如图1所示，电机带动转盘旋转切割经进气口高速流入喉部的气流进而发出一定频率的声波，调节电动机转速，可使频率进行较慢的调制[4，5]。

图1 旋笛式声波除灰器机械结构示意图

声波除灰高性能监控系统的总体框架如图2所示，该系统由触摸屏、本地控制子系统、LabVIEW监控客户端和Android手机远程监控APP共4个模块通过网络集成。操作人员可以通过PC客户端或Android客户端实时监测系统的运行状况，并且对现场的运行系统进行控制。

图2 声波除灰器监控系统的总体框架

2 硬件部分

2.1 本地控制子系统模块选型

考虑到实际工况和现场需求，本地控制系统采用S7-200 PLC CPU226作为主机，外加数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块作为本地控制的底层控制器。系统的主要控制对象是电机和电磁阀，以控制30台声波除灰器为例，需要控制30台电机和30个电磁阀，还需对自动运行指示、蜂鸣器和变频运行指示3个综合指示信号灯进行单独输出控制，同时需要采集30台电机的过载报警信号、总启动信号和变频故障信号，即共需95个I/O点，其中32个输入点，63个输出点，外加一路模拟量电流输出。具体的模块扩展方案(图3)为：数字量I/O扩展模块为6个EM223模块，其中8I/O一个，8DO 5个；模拟量输入/输出模块选用EM232，其电流输出作为变频器的外部给定值。

图3 模块扩展方案

考虑变频器的工作环境、负载和实际应用需求，选用ABB系列的ACS510变频器。模拟量输出模块EM232的IO、MO输出4～20mA的可调电流，以此电流作为变频器的给定值调节电动机的转速，从而实现调节旋笛式声波发生器发声频率的目的。

2.2 控制柜电气回路

旋笛式声波除灰器本地控制子系统控制柜中的元器件主要分为两类：主回路电气元件与控制回路电气元件。主回路元器件主要有变频器、热继电器、交流接触器及开关电源等。

本控制系统的柜内主回路如图4所示。三相电经空气开关进入变频器，变频器输出的动力线并联后给30台三相异步电机供电。从三相电引出一相给24V开关电源和PLC供电，使用开关电源输出的24V直流电给控制回路中的继电器等直流设备供电。

控制回路电气元件主要有PLC模块、中间继电器、断路器、接线端子及触摸屏等。以1#电机为例，控制回路框图如图5所示。系统中PLC输出端Q0.0输出电机控制信号使中间继电器KA1动作，KA1上的两个常开开关闭合,接通两路交流电信号，其中一路(简称1#运行信号)给控制柜上的电机运行指示信号灯， 另一路(简称1#电机信号)给KM1交流接触器，交流接触器吸合后，控制电机启动。接触器和热继电器一般配合使用，形成一个小模块。FR1为热继电器，当电机发生堵转故障时，通过热继电器的电流会大幅增加，导致热继电器动作，从而产生+24V 的1#过载报警信号，导致KA2动作，KA2 上的两个常开开关闭合，产生两路信号，-24V信号传送给PLC输入端子1#ALARM，使PLC及时屏蔽掉故障电机，信号L传送给蜂鸣报警器及时发出报警信号。

图4 主控回路

图5 单台电机控制回路框图

3 软件部分

3.1 本地控制子系统PLC程序

S7-200 PLC使用STEP7-Micro/Win32软件进行编程。PLC实现了接收触摸屏输入的参数设置、分组自动循环控制及故障报警等绝大部分逻辑控制功能。系统软件流程如图6所示。

PLC程序采用模块化设计思想，将各部分功能封装于各子程序中。在系统主程序中，首先利用PLC自带的特殊寄存器SM0.1将相关寄存器清零，实现上电复位，寄存器M0.1通过设备通道与触摸屏界面上的手动/自动控制按钮绑定，然后根据M0.1的状态分别进入手动控制模式与自动控制模式。

图6 PLC软件流程

3.2 本地控制子系统的人机交互界面

本地控制系统选用昆仑通态TPC1061Ti嵌入式一体化触摸屏作为现场人机交互界面，结合MCGS嵌入版组态软件快速方便地开发除灰器本地控制系统的控制界面。

在硬件连接上，触摸屏与PLC的连接采用标准串口型号的西门子PC/PPI电缆。在MCGS组态系统中，主要由3个窗口和一个数据库组成，其中设备窗口专门放置不同类型和功能的底层设备构件，实现对外部设备的操作和控制；用户窗口将设备数据实时动态地显示在用户界面上；策略窗口可编辑脚本控制数据；实时数据库以对象为单元管理数据，存储变量的数值、属性和方法。本系统中定义的用户窗口主要包括登录窗口、运行模式选择窗口、手动操作窗口和自动操作窗口。对于用户登录界面，考虑到安全权限问题，用户点击登录后会弹出用户登录窗口，需要输入用户名和密码，只允许有权限的操作员进行某些功能操作。用户名与密码在开发模式下设置。

其中，权限安全登录的脚本如下：

IF!LogOn()=0

THEN

用户窗口.主控界面.open()

ENDIF

登录成功后会进入运行模式选择界面。在运行模式选择界面可以选择进入“自动操作界面”、“手动操作界面”或者“返回登录界面”。

3.3 基于LabVIEW的本地实时监控子系统

本地控制子系统一般安装在锅炉的中间楼层上，为了能够让总控室工作人员实时监控高炉控制系统，本地控制子系统提供了与外部设备进行通信的Modbus协议接口，通过该接口可将整个除灰器本地控制子系统接入支持Modbus协议的客户端、DCS等外部监控软件，从而实现集中控制与管理。基于Modbus协议，以PC作为主机、PLC作为从机，采用RTU传输模式实现主从双方的通信，编写Modbus通信协议从机侧的PLC程序和主机侧的LabVIEW程序，开发了上位机实时监控程序。系统框架如图7所示。

图7 LabVIEW客户端系统框架

从机侧。西门子专门为Modbus RTU通信开发了指令库，通过从站指令库，可以使S7-200作为从站设备集成到Modbus网络中，实现与Modbus主站设备的通信。Modbus从站协议库包括两条指令：MBUS_INIT指令(用于启动、初始化或禁止Modbus通信)和MBUS_SLAVE指令(用于响应Modbus主设备发出的请求)。在使用MBUS_SLAVE指令之前，必须正确执行MBUS_INIT指令。将从站地址设为2，将端口0的比特率设为9 600bit/s，无校验、无延迟。允许存储所有的I、Q和AI数值，保存寄存器的存储空间从VB0开始的1 000个字。初始化完成后，每个扫描周期都执行MBUS_SLAVE指令，以便响应主站报文。使用Modbus RTU指令库编程之前，应该首先为它分配存储区，否则编译时会报错，其次一旦CPU端口被用于Modbus RTU主/从站协议通信，该端口就无法用于任何其他用途，包括与STEP7-Micro/Win通信。

主机侧。其实Modbus库就是利用VISA函数结合Modbus协议规范封装而成的。LabVIEW中的虚拟仪器软件架构VISA驻留于计算机系统之中，为计算机和仪器顺利通信提供了通道[5,6]。笔者利用LabVIEW，基于“生产者-消费者”框架模式构建了上位机实时监控系统。

“生产者”根据从机侧PLC寄存器与Modbus地址之间的映射关系，通过Modbus协议实现与PLC的通信，读写PLC的运行数据。在初始化函数MB-Init中设置传输模式、比特率及奇偶校验等，此处设置的参数要与PLC侧通过MB-Init设置的函数一致，通过函数WR-MB设置从机地址、功能码并读取数据的地址。“消费者”对采集上来的数据进行处理，结合实际需求兼顾软件的运行性能，只对设备报警信息进行实时存储。现场除灰器的设备报警信号由热继电器触发，经PLC的输入寄存器传输给控制系统，上位机监控软件通过Modbus协议读取PLC输入寄存器的状态来采集设备报警信息。“生产者-消费者”模式使用队列对采集到的数据做一个缓存,可以避免其他通信方式造成的竞争、重复分析或数据丢失现象[7]。

数据库操作。采用MySQL管理工具Navicat 8 for MySQL创建一个数据库Motor_monitor，然后在该数据库下创建表motor，它包括4个字段：编号、报警时间、故障设备号、是否变频器报警。完成数据库创建后，配置数据源，在LabVIEW中利用LabSQL实现数据在应用程序与数据库之间的交互传递。LabSQL利用子VI完成数据库访问的基本步骤如下：

a. 通过Open Conn函数依靠DSN连接数据库；

b. 利用函数SQL Execute连接记录集并执行相应的SQL语句；

c. Close函数断开记录集、关闭数据库。

3.4 Android远程监控客户端

针对除灰器工作环境不适宜人员长时间现场监控这一问题，利用巨控GRM无线监控平台，设计了应用于远程监控的Android客户端。平台的网络结构如图8所示。开发Android客户端访问平台服务器时，需要遵照平台服务器的接口格式。

图8 无线监控平台的网络结构

根据客户端要实现的功能，设计客户端的操作流程为：启动软件后展现登录界面，用户在登录界面的username中输入需要查看的GSM控制终端序列号，在password中输入对应控制终端的密码。登录成功后进入主界面，通过主界面中的按钮进入到各个平行子功能模块界面。各个功能模块从功能上分为读、写两类流程，其中控制命令界面和屏蔽电机界面是向服务器写数据，其余均是读数据。对于服务器来说，读写数据只是发送的服务器命令不一样，软件实现的功能流程都是相同的。其中“电机报警状态查看”功能模块流程如图9所示。

用户进入主界面后，Android系统内部实时监听所有按钮的点击事件。当主界面有按钮被用户点击时，系统自动调用onClick方法判断是哪个按钮被点击，然后利用Intent启动一个新的Activity跳转进入相应的界面，显示该界面中的所有控件，监听该界面的下拉刷新事件，把将要读取的变量按照服务器接口格式封装在字符串Params中，最后启动一个异步任务向服务器发送读取变量的请求。如果访问成功，返回的结果将以固定格式存放在res中，按照服务器接口定义的格式将服务器返回的结果解析显示出来。

图9 设备报警查询逻辑流程

4 调试与应用

声波除灰高性能监控系统的软硬件设计完成后，分别进行了实验室测试、工厂测试和现场安装调试。

首先在实验室对系统的软件进行了功能、稳定性及健壮性等方面的测试，根据实际现场工况设计各种测试场景，通过触摸屏输入参数，一方面通过Micro/Win监控手动和自动运行模式下程序内部的运行状态，另一方面观察PLC继电器的输出指示灯，据此来判断程序的设计是否满足原始设计需求。

控制柜按照需求设计安装完成后，在工厂接入除灰器设备，设定好运行参数，观察控制系统的运行状况，模拟设备堵转，观察控制系统是否及时屏蔽该设备并发出报警信号。按照电厂的要求施工安装完成后，对控制系统在现场进行安装调试，长时间运行测试后，系统运行良好。

目前该系统已经在华电章丘、华电淄博及华电六安等火电厂投入实际应用。

5 结束语

笔者设计的燃煤锅炉声波除灰高性能监控系统，实现了对几十台旋笛式声波除灰器的手动/自动控制和实时远程监控，形成了一套较为完整的体系，通过在火电厂的实际应用，证明该系统高效可靠，有效提高了火电厂燃煤锅炉的自动化程度和效率。

[1] 刘硕,齐咏生,王林,等.电站锅炉煤耗与NOx排放混合建模与优化[J].石油化工自动化,2016,52(1):30～34.

[2] 胡琛.声波除灰技术的研究[D].保定:华北电力大学,2001.

[3] 吴磊,贾广,陈志华.浅谈声波除灰技术研究与展望[J].应用能源技术,2013,(3):34～36.

[4] 周信.燃煤锅炉声波除灰器测控系统的设计与应用[D].济南:山东大学,2016.

[5] 马大猷.现代声学理论基础[M].北京:科学出版社,2004.

[6] 沈宗辉.基于虚拟仪器技术和Modbus现场总线的远程监控系统设计[D].镇江:江苏大学,2008.

[7] 唐进元,李松,邵文.基于LabVIEW生产者-消费者模式的齿轮传动振动测试系统[J].机械传动,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

国家自然科学基金项目(61473175)；山东省重点研发计划项目(2016GGX104015)。

王俊杰(1992-)，硕士研究生，从事工业自动化的研究。

联系人蒋奇(1973-)，教授，从事新型传感、光纤传感、工业自动化的研究，jiangqisd@126.com。

2016-09-25，

2017-03-20)