鍋爐多級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

胡佰龍 周一卉

(大連理工大學(xué)化工機械學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

鍋爐系統(tǒng)是各大中小城市生產(chǎn)與生活必不可少的組成部分，鍋爐的安全使用和管理直接關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)安全［1－2］。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成化的要求，基于以太網(wǎng)的鍋爐遠程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生［3－4］。當鍋爐運行的實時信息接入網(wǎng)絡(luò)后，管理人員就可以遠程監(jiān)測鍋爐運行的實時狀態(tài)，避免事故的發(fā)生［5－8］。

目前，鍋爐遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)都配置有一個主站加以監(jiān)測或控制。從真正意義上講，鍋爐系統(tǒng)并沒有完全接入Internet。即使一些工程實現(xiàn)了Internet接入，但由于時網(wǎng)絡(luò)安全考慮不足，容易造成鍋爐安全運行的隱患［9－10］。

本文以組態(tài)軟件為平臺，開發(fā)設(shè)計了能夠同時面向鍋爐單體和鍋爐集群的多級網(wǎng)絡(luò)式鍋爐實時監(jiān)測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，鍋爐現(xiàn)場、市級和省級的鍋爐監(jiān)管部門通過接入Internet，可以實時監(jiān)測或查詢鍋爐的歷史運行狀況，并對各類異常情況作出及時調(diào)整。同時，各相關(guān)數(shù)據(jù)被保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，作為現(xiàn)行鍋爐系統(tǒng)改造和能源綜合利用的理論依據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)采用遼寧省特檢院中心調(diào)度的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)分為鍋爐運行現(xiàn)場、市級鍋爐監(jiān)管部門和省級鍋爐監(jiān)管部門這3個級別，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Architecture of the system network

該系統(tǒng)是集鍋爐現(xiàn)場、鍋爐監(jiān)控站、鍋爐檢驗研究所和環(huán)保部門為一體的多功能鍋爐實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1.1 鍋爐運行現(xiàn)場

以大連市某企業(yè)使用的燃油鍋爐為例，燃油鍋爐主要由汽包、爐膛、省煤器、空氣預(yù)熱器、引風設(shè)備、鼓風設(shè)備、給水設(shè)備、燃料供給設(shè)備和過熱器等組成。燃油鍋爐設(shè)備的工作過程包括3個同時運行的過程，即油料的燃燒過程、水的傳熱過程和水的汽化過程。整套鍋爐設(shè)備正常運行時，整個系統(tǒng)劃分為燃油系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)、鍋爐壓力系統(tǒng)以及汽水系統(tǒng)7個子系統(tǒng)。

根據(jù)鍋爐工藝流程設(shè)置控制點，要求控制元件配置有各類開關(guān)、各類閥門、擋板、風門、液位計、壓力表、旋塞和操作臺等。

企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器用來監(jiān)控多臺鍋爐，由路由器和交換機將網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點連接入網(wǎng)，企業(yè)內(nèi)部有多個客戶端可以查看鍋爐的實時運行狀況。系統(tǒng)的主要設(shè)備和服務(wù)器都要設(shè)置冗余單元，以確保系統(tǒng)安全。主單元在任何時候發(fā)生故障，從單元都會自動切換激活并正常運行。當故障排除后，主單元人工啟動，從單元繼續(xù)處于冗余狀態(tài)。

大連市某鍋爐現(xiàn)場或某企業(yè)內(nèi)部為1級節(jié)點，其主要是對鍋爐運行數(shù)據(jù)進行實時采集、監(jiān)測和處理，對可能發(fā)生的鍋爐事故作出及時準確的調(diào)整和報警，并將鍋爐運行的相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給市級(2級)的鍋爐運行監(jiān)管部門，以便市級鍋爐管理部門對同一地區(qū)內(nèi)的鍋爐進行統(tǒng)一管理。

1.2 市級鍋爐監(jiān)管部門

2級系統(tǒng)是指大連市市級鍋爐監(jiān)管部門或者大連市市級環(huán)境保護機構(gòu)。

大連市市級鍋爐監(jiān)管部門的主要任務(wù)是接收大連市轄區(qū)范圍內(nèi)各個鍋爐現(xiàn)場或鍋爐使用企業(yè)通過Internet送達的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行整合、歸檔和保存，指導(dǎo)和規(guī)劃大連市轄區(qū)的所有鍋爐安全、科學(xué)地運行，同時將數(shù)據(jù)整理歸納后上傳到省級鍋爐監(jiān)管部門。

大連市環(huán)保機構(gòu)的主要任務(wù)是接收、整理和保存鍋爐現(xiàn)場送來的各項環(huán)境參數(shù)，主要包括氮氧化物、硫化物以及煙塵排放量等。這樣，環(huán)境監(jiān)察機構(gòu)就可以通過Internet對大連市全市范圍內(nèi)的各個鍋爐的諸多環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，并將這些參數(shù)上傳到遼寧省省級環(huán)保機構(gòu)。

1.3 省級鍋爐監(jiān)管部門

3級系統(tǒng)是指遼寧省省級鍋爐監(jiān)管部門(遼寧省特種設(shè)備檢驗研究院)和省級環(huán)保機構(gòu)。

遼寧省省級鍋爐監(jiān)管部門接收各個市級鍋爐監(jiān)管部門上傳的各個地區(qū)鍋爐運行參數(shù)，將這些數(shù)據(jù)整理、存儲，比較各個城市鍋爐的運行狀況和相關(guān)環(huán)境參數(shù)是否達標和滿足要求，并對全省總體鍋爐環(huán)境的各項參數(shù)進行科學(xué)評估，最后將較好的鍋爐運行模式在全省范圍內(nèi)加以推廣。

遼寧省省級環(huán)保機構(gòu)同樣用來接收和存儲各個市級環(huán)保機構(gòu)上傳的相關(guān)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。這樣省級環(huán)保部門就可以通過Internet獲得全省范圍內(nèi)的鍋爐運行時各項環(huán)境指標，并給出一個宏觀的指導(dǎo)。

對鍋爐遠程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進行分級管理后，可解決鍋爐效率低、污染嚴重、數(shù)量大、布點分散以及難以集中管理等問題，且檢驗人員無需深入工作現(xiàn)場，降低了勞動強度。這就可以在更大范圍內(nèi)推廣安全、經(jīng)濟、環(huán)保的鍋爐運行經(jīng)營模式。

2 軟件系統(tǒng)

基于Windows操作系統(tǒng)，多級網(wǎng)絡(luò)鍋爐監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分以北京三維力控組態(tài)軟件為系統(tǒng)開發(fā)平臺，結(jié)合了PC技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和多媒體技術(shù)等。組態(tài)軟件主要由專業(yè)軟件公司開發(fā)，并結(jié)合大量用戶的現(xiàn)場使用經(jīng)驗，突出系統(tǒng)集成思想，優(yōu)化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是開發(fā)簡便、開發(fā)周期短、擴展性好和可靠性高等。

針對不同的底層硬件設(shè)備，力控組態(tài)軟件預(yù)裝了多種工業(yè)設(shè)備驅(qū)動程序和通信協(xié)議，還具有類似Visual Basic“可見即可得”的操作界面，并集成實時監(jiān)控、趨勢曲線、專家報表、報警/事件記錄和用戶權(quán)限管理等功能模塊。因此，組態(tài)軟件可以簡潔、高效地實現(xiàn)鍋爐遠程監(jiān)測與控制系統(tǒng)的功能設(shè)計。

多級網(wǎng)絡(luò)鍋爐監(jiān)測系統(tǒng)各個級別的主要功能框圖如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)功能框圖Fig.2 Functional block diagram of system software

3 數(shù)據(jù)庫功能結(jié)構(gòu)

實時數(shù)據(jù)庫將組態(tài)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等以一定的組織形式存儲在數(shù)據(jù)庫媒介上。實時數(shù)據(jù)庫運行系統(tǒng)可以完成對生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的各種操作，如實時數(shù)據(jù)采集處理、歷史數(shù)據(jù)存儲查閱、報警事件處理、數(shù)據(jù)服務(wù)請求處理等。力控實時數(shù)據(jù)建立的具體步驟為:①搜集監(jiān)控點、②在力控組態(tài)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)點、③數(shù)據(jù)庫節(jié)點與I/O(PLC、板卡、工控機等)設(shè)備的數(shù)據(jù)連接。

鍋爐多級網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測系統(tǒng)是一個復(fù)雜而龐大的運行系統(tǒng)，其中的很多重要數(shù)據(jù)和參數(shù)需要及時處理和保存，以供將來調(diào)用或匯總后繪制成報表供上級部門查看。因此，一個穩(wěn)定而可靠的數(shù)據(jù)庫是必不可少的。力控組態(tài)軟件帶有歷史數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)加以保存，供界面調(diào)用、填充表格以及繪制曲線等;但其不能對用戶開放，且保存的數(shù)據(jù)無法脫離組態(tài)環(huán)境查看，這就不利于數(shù)據(jù)的諸多操作。因此，選用Microsoft公司的SQL Sever 2008關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為嵌接數(shù)據(jù)庫。

SQL Sever 2008關(guān)系型數(shù)據(jù)庫容量大，易于操作，且與Windows系統(tǒng)全面集成，能夠滿足遠程監(jiān)測系統(tǒng)對龐大數(shù)據(jù)儲存、查閱和統(tǒng)計的要求。實時數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(SQL Sever 2008)并行使用，可增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性與兼容性。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖3所示，力控通過開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)(open data base connectivity，ODBC)，調(diào)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Sever 2008，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、歸檔和整理。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of system database

4 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展［11－13］，計算機不僅可以控制本地的設(shè)備，還可通過網(wǎng)絡(luò)來控制遠端的設(shè)備。鍋爐多級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)使相關(guān)鍋爐監(jiān)管部門不必身臨鍋爐，就可以監(jiān)測鍋爐的實時運行狀況，省時省力的同時也降低了勞動強度。

隨著遠程監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，鍋爐多級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)逐步增強了可操作性、安全性和擴展性，且系統(tǒng)愈加規(guī)模化和標準化，覆蓋范圍也越來越廣。在今后的研究中，鍋爐多級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)可以擴展到無線網(wǎng)絡(luò)，這就擺脫了物理網(wǎng)絡(luò)接入Internet連接的限制，即使鍋爐系統(tǒng)沒有與網(wǎng)絡(luò)連接，也可以通過GPRS組件進入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對偏僻地段鍋爐的實時監(jiān)測。隨著鍋爐多級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)進一步應(yīng)用于工程實踐，必將帶來鍋爐監(jiān)控技術(shù)的巨大革新。

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