電站鍋爐煤粉參數遠程監控系統的軟件設計與實現

胡昌鎂+何淵+楊斌+蔡小舒

摘 要： 電站鍋爐煤粉顆粒參數在線監控對于鍋爐優化控制有著重要的參考作用.為了實現煤粉管道內顆粒的細度、濃度、速度的實時監控，通過模塊化的程序設計方案，設計了數據采集系統的上位機軟件.該軟件通過自定義控件實現了系統組態、實時曲線與柱狀圖數據顯示、保存等功能.同時利用多線程和通道自動分配方法實現了單通道采樣頻率達1 MHz的數據快速采集與處理，并基于Modbus通訊協議實現了與DCS（Distributed Control System）的即時通訊.在電站長時間投入運行的結果表明，該系統具有良好的穩定性與可靠性，各項功能均滿足鍋爐運行與優化控制要求.

關鍵詞： 電站鍋爐； 煤粉參數； 遠程監控； 軟件設計與實現； 多線程

中圖分類號： TK 31；TH 89 文獻標志碼： A

Design and implementation of remote monitoring software for

pulverized coal parameters in power station boiler

HU Changmei1， HE Yuan2， YANG Bin2， CAI Xiaoshu2

（1.Shajiao ‘C Power Station of Guangdong Yuedian Group Co. ， Ltd. ， Dongguan 523936， China；

2.Institute of Particle and Twophase Flow Measurement/Shanghai Key Laboratory of

Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering， University of

Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Online monitoring of pulverized coal in boiler provides the importance reference for optimal control of power station boiler.In order to realize the remote monitoring of particle size，concentration，and velocity of pulverized coal，the uppercomputer software of data acquisition system was designed by using modular program design method.This software could realize the system configuration，realtime curve and histogram displaying，data storage，and so on.Each data acquisition and processing channel with 1 MHz sampling frequency was achieved by using multithread technology and automatic allocation simultaneously.The capability of realtime communication with the Distributed Control System （DCS） based on the Modbus communication protocol was achieved.The practical runs shown high stability and reliability of this software.And it could meet the demands of operation and optimizing control of boiler well.

Keywords： power station boiler； pulverized coal parameters； remote monitoring； software design and implementation； multithread

煤粉爐采用直吹式制粉系統將煤粉燃料與空氣混合后一同送入爐膛內進行燃燒，具有燃燒迅速、完全、效率高等優點而廣泛用于火力發電[1].煤粉管道中內煤粉顆粒細度、濃度、速度對鍋爐燃燒有重要影響[2-6].煤粉細度過大，燃燒不充分，不完全燃燒損失增加，機組飛灰可燃物增加；細度過小則導致除塵效率降低且制粉系統耗能增加.而對于不同管道中煤粉濃度的差異失調，將導致燃燒不穩定，爐膛火焰中心偏移，甚至引起煤粉管道堵塞，嚴重影響鍋爐安全運行.煤粉速度過低，煤粉氣相輸運能力降低，火焰燃燒強度減弱，且火焰將靠近燃燒器從而造成燃燒器損壞；煤粉速度過高，造成著火延時，甚至引起脫火從而導致燃燒器火焰熄滅.因此，煤粉顆粒細度、濃度、速度的實時在線監控是電站鍋爐燃燒優化控制的關鍵問題和難點之一[7].

光脈動（Light Transmission Fluctuation，LTF）法利用透射光強的隨機變化規律結合光散射理論實現煤粉細度和濃度的在線測量，同時利用雙光束透射光強互相關測速原理實現速度的同時在線測量，并且具有結構簡單、對測量環境要求低、長時間運行可靠等優點，適合應用于電站鍋爐煤粉參數的在線監測[8-12].本文針對光脈動法煤粉參數測量裝置需求，開展電站鍋爐煤粉參數遠程監控系統的軟件設計，并實現與DCS（Distributed Control System）的即時通訊，為電站鍋爐燃燒優化提供重要數據參考.

1 測量原理與軟件需求

1.1 光脈動法煤粉參數測量原理

煤粉參數測量原理示意圖如圖1所示，圖中：PD為光電探測器；ut為顆粒流動速度.光脈動法利用兩束平行光束穿越含有顆粒的介質，由于顆粒的宏觀運動，不同時刻光束照亮體積內的顆粒數是不同的，由此測量到的透射光強也是隨時間變化的.依據光強隨機衰減規律結合光散射理論建立顆粒細度、濃度和透射光強之間的關系，以實現煤粉細度、濃度的在線測量；同時通過分析兩束光透射光強的互相關性，計算得到兩光束信號間的時滯，從而實現速度的同時測量.

圖1 煤粉參數測量原理示意圖

Fig.1 Schematic diagram of pulverized coal

parameter measurement

1.2 系統軟件需求分析

該軟件目的在于實時獲取和處理光脈動信號，同時將處理結果同步顯示并送入DCS通訊.為了對在線測量數據進行分析，需要軟件對于歷史測量數據進行存儲.不但如此，還要求該軟件可高效、準確、長時間可靠運行等.

針對上述要求，系統軟件應具有數據采集與處理功能、數據存儲功能、數據通訊功能、日常使用功能.

數據采集與處理功能主要要求數據采集速率大，同時要求基于LTF法及互相關法的運行處理迅速；數據存儲功能能夠對不同時間、不同管道的處理結果進行保存，并提供歷史數據的調用與查詢；數據通訊功能在于實現計算機與DCS系統之間的通訊；日常使用功能則是實時數據顯示、用戶管理.

2 系統結構

系統采用基于PCI總線板卡的架構，采用的PCI總線采集卡支持即插即用，是一款12位高速存儲式A/D板，其轉換頻率為1 000 K，輸入通道建立時間小于1 μs；板上RAM容量為1 M×16 bit，即1 M采樣點.它有32路單端模擬輸入、24路可編程開關量（3個8位口）、采集轉換支持多種觸發形式.軟件系統線程如圖2所示，主要分為主線程、采集線程和串口線程三部分.對于主線程，能夠顯示數據處理結果，同時可進行一定功能設置，包括串口通訊設置，Modbus站地址、Modbus寄存器地址和磨通道以及對應參數設置，數據處理結果的實時顯示和啟動其它線程設置.采集線程是完成采集卡初始化，能夠從PCI卡中獲取數據并進行分析處理，填充數據緩存區，發送數據更新事件.對于串口線程，其通訊流程如圖3所示.串口事件首先發生，接著在Modbus地址、命令、CRC校驗正常之后，需根據數據緩沖區映射填充發送數據，然后進行數據CRC校驗，在結束校驗后發送數據.三者之間需要能夠交換數據信息，實現實時數據緩沖區與地址映射，包括Modbus地址、磨通道以及對應參數.

圖2 軟件系統線程

Fig.2 Flow chart of software

圖3 串口通訊流程

Fig.3 Flow chart of serial port communication

3 軟件設計與實現

VB.NET支持面向對象編程、多線程處理、結構化異常處理等技術，能有效保證軟件的穩定性和高效性，因此，軟件開發選用2010 VB.NET開發環境.軟件主界面如圖4所示，包括功能按鈕、系統參數設置、數據采集和發送、數據實時顯示、粒度分布實時測量等功能.其中，數據采集和發送是基于1 MHz 12位高速存儲式A/D板開發，實現對光強信號的4線程高速采集，具體配置參數如圖5所示，包括卡件號、通道號、數據點名稱、Modbus地址、DCS地址、測量初始參數、量程與單位等.系統完成配置后，開始數據采集，調用結果處理的動態鏈接庫得到煤粉參數測量結果，并將結果顯示于主界面中，同時發送至DCS供電廠運行人員參考.

圖4 軟件主界面

Fig.4 Software interface

圖5 系統配置界面

Fig.5 Interface of system configuration

由于電廠煤粉細度參數采用篩分數據作為依據，而光脈動法煤粉細度測量依據光散射理論獲得索太爾直徑.為滿足電站運行需要，通過煤粉粒度分布反演實時得到煤粉粒度分布，從而獲得篩分特征測量值結果，如圖6所示.

正常運行該系統1 h后，煤粉參數測量結果如圖7所示，可看出，在該負荷下煤粉速度在25 m · s-1左右，煤粉濃度在0.5 kg · m-3、煤粉細度在15 μm左右的較小范圍波動，1 h內運行狀態穩定，這表明所設計的電站鍋爐煤粉參數遠程監控軟件在電站實際投入運行中具有良好的穩定性與可靠性，各項功能均滿足鍋爐運行與優化控制要求.

圖6 粒度分布實時測量結果

Fig.6 Realtime measurement result of pulverized coal

size distribution

圖7 煤粉參數實時監測結果

Fig.7 Realtime monitoring result of pulverized

coal parameter

4 結 論

（1） 通過自定義控件實現了電站鍋爐煤粉參數遠程監控軟件數據成組文本、棒狀圖、實時曲線顯示、測量參數相關信息組態和保存等功能.同時利用多線程和通道自動分配方法實現了單通道采樣頻率達1 MHz的數據快速采集與處理，并基于Modbus通訊協議實現了與DCS的即時通訊.

（2） 所設計的電站鍋爐煤粉參數遠程監控軟件在電站長時間實際投入運行結果表明，其具有良好的穩定性與可靠性，各項功能均滿足鍋爐運行與優化控制要求.

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