數(shù)據(jù)采集與過程控制在鍋爐冬季供暖中的應(yīng)用

劉春輝

（中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司哈爾濱車輛段，黑龍江佳木斯 154002）

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化儀表技術(shù)的不斷提高，其在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，特別是在要求數(shù)據(jù)采集極其精準(zhǔn)的場所和高溫、高污染等高危場所的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域也不斷被采用。通過軟件將工業(yè)自動(dòng)化儀表與計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)過程控制中有機(jī)結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程中數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和自動(dòng)控制，減小了人為因素的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了過程控制的記錄存儲(chǔ)和回放，并降低了人在高危環(huán)境的作業(yè)頻次和時(shí)間。由于顯而易見的優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)自動(dòng)化儀表（數(shù)據(jù)采集）與計(jì)算機(jī)技術(shù)（過程控制）在工業(yè)控制方面得到全面應(yīng)用。

以鍋爐冬季供暖為例說明數(shù)據(jù)采集和過程控制軟件（組態(tài)軟件）在過程控制中的應(yīng)用。

1 改造背景

某鍋爐房有3臺(tái)鍋爐，其中2臺(tái)熱水鍋爐，負(fù)責(zé)冬季采暖用；1臺(tái)蒸汽鍋爐，負(fù)責(zé)生產(chǎn)用汽加熱。改造前鍋爐各運(yùn)行參數(shù)的顯示、采集，都采用普通指針儀表，由人工到鍋爐附近觀察，對(duì)于系統(tǒng)輔助設(shè)備，如穩(wěn)壓罐壓力、儲(chǔ)水大罐液位的參數(shù)觀測記錄，需到設(shè)備附近查看，鼓、引風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)，要到煙室人工搬動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門手柄等，數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制受人為因素影響比較大。

針對(duì)種種弊端，并根據(jù)實(shí)際工作情況，提出了一整套系統(tǒng)改造方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度遠(yuǎn)程顯示采集，并對(duì)鍋爐出、回水溫度，爐膛溫度、排煙溫度、工作壓力、爐膛負(fù)壓等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)采集顯示記錄，歷史記錄查詢，多媒體報(bào)警，爐膛負(fù)壓、電控調(diào)節(jié)閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制等功能，并且能利用局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面及數(shù)據(jù)的共享，便于各級(jí)管理層查看、分析實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)各種采集儀表采用RS485通訊方式，系統(tǒng)擴(kuò)充方便。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

以鍋爐為對(duì)象，制定對(duì)溫度、壓力、液位、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)實(shí)時(shí)采集的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采用分級(jí)式結(jié)構(gòu)，下層采用相對(duì)獨(dú)立數(shù)據(jù)采集顯示儀表、現(xiàn)場傳感器和可編程控制器（PLC）控制的相應(yīng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，上層由通用計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)管理機(jī)和監(jiān)控動(dòng)態(tài)畫面顯示，鍋爐數(shù)據(jù)采集與過程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

3 現(xiàn)場傳感器及數(shù)據(jù)采集控制元件分布

3.1 溫度傳感器

溫度傳感器信號(hào)經(jīng)溫度變送器放大后，使信號(hào)傳輸誤差不受傳輸距離的影響，對(duì)于布線困難和距離太遠(yuǎn)的測點(diǎn)，可以采用GPRS無線信號(hào)傳輸，特別適用于城市供暖的溫度采集。

（1）生產(chǎn)用汽場所和采暖4路支路末端遠(yuǎn)程溫度測量。（2）室外溫度采集。（3）鍋爐出、回水溫度，爐膛、排煙溫度共12路。

3.2 壓力傳感器

（1）爐膛負(fù)壓3路。（2）鍋爐工作壓力3路。（3）穩(wěn)壓罐壓力1路。

3.3 液位傳感器

補(bǔ)水罐液位、出渣機(jī)水槽液位。

3.4 數(shù)據(jù)采集顯示儀表

（1）XMDI5000智能開關(guān)量信號(hào)采集顯示儀，可接收有源或無源的開關(guān)量信號(hào)，且可路路隔離，適用于現(xiàn)場設(shè)備的各種狀態(tài)信號(hào)的采集顯示并送往上層計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。附帶RS485通信接口。

（2）XMD5000多路巡檢儀，作為溫度、壓力、液位等工業(yè)過程參數(shù)的采集使用。附帶RS485通信接口。XMDI5000和XMD5000儀表接收現(xiàn)場傳感器信號(hào)，向上通過（4～20）mA電流環(huán)網(wǎng)傳輸給上位計(jì)算機(jī)。

3.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括可編程控制器、變頻器、電動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥門。電器控制系統(tǒng)采用日本歐姆龍公司的可編程序控制器，它集計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、邏輯運(yùn)算等多種功能于一身，是設(shè)備自動(dòng)化理想的控制核心。鼓引風(fēng)機(jī)的變頻器根據(jù)爐膛負(fù)壓反饋信號(hào)的大小，改變輸入鼓、引風(fēng)機(jī)電機(jī)電源的頻率實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。分水缸上的電動(dòng)執(zhí)行器根據(jù)各熱網(wǎng)支路末端溫度值，改變輸出模擬信號(hào)的大小，調(diào)節(jié)分水缸閥門開度的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)暖氣支路溫度的作用。

3.6 控制機(jī)構(gòu)

可編程控制器程序根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的動(dòng)作要求及邏輯關(guān)系，編制梯形圖及指令表。改變動(dòng)作要求，只需改變PLC內(nèi)部程序，柔性強(qiáng)。

4 上位機(jī)軟件及監(jiān)控功能

4.1 上位機(jī)軟件

圖1 鍋爐數(shù)據(jù)采集與過程監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件選用北京三維力控組態(tài)軟件，運(yùn)行在Windows98/NT/2000/XP操作系統(tǒng)上。該力控組態(tài)軟件主要包括：操作界面、工程管理器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、I/O驅(qū)動(dòng)程序以及各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組件等。力控組態(tài)軟件由程序組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分組成。程序組態(tài)環(huán)境可以創(chuàng)建工程畫面、報(bào)表生成、分析曲線、定義變量等，同時(shí)可以配置各種系統(tǒng)需求的參數(shù)，并啟動(dòng)力控其他程序組件等。程序運(yùn)行環(huán)境負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫與下位I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，它從現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中采集數(shù)據(jù)，根據(jù)需求記錄在歷史數(shù)據(jù)庫中，并負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)庫的變化用顏色、動(dòng)畫等形式形象地表達(dá)出來，同時(shí)完成變量報(bào)警、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)控功能，此外，它還有強(qiáng)有力的運(yùn)行核心調(diào)試工具，保證系統(tǒng)始終處于最快的響應(yīng)速度和對(duì)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。

上位軟件具備開放性、可用性、可擴(kuò)展性。鍋爐運(yùn)行監(jiān)控主界面見圖2。

圖2 鍋爐運(yùn)行監(jiān)控主界面

4.2 功能

（1）操作界面。操作人員利用鼠標(biāo)在打開的操作頁面的相應(yīng)位置點(diǎn)擊就可以完成相應(yīng)界面的切換，調(diào)出需要操作的界面。界面上系統(tǒng)中的各部位及狀態(tài)都有形象的顯示，如鍋爐本體、各種泵等。在各操作界面上操作人員肉眼可以直觀的看到系統(tǒng)各部位的狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解整個(gè)系統(tǒng)的當(dāng)前過程狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)顯示。在操作界面的相應(yīng)位置實(shí)時(shí)顯示鍋爐系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)值，在鍋爐運(yùn)行過程中當(dāng)系統(tǒng)檢測到某項(xiàng)參數(shù)值超過設(shè)定值時(shí)操作界面的相應(yīng)位置背景框反差變色閃爍同時(shí)伴有警示音進(jìn)行提示；通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行記錄儀并存儲(chǔ)，并可分別形成各項(xiàng)采集到的參數(shù)的歷史曲線，方便日后對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析，通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析制定更加優(yōu)化的工藝方案。同時(shí)歷史數(shù)據(jù)也可以根據(jù)需求下載或打印輸出。

（3）提示報(bào)警功能。系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)的設(shè)置范圍設(shè)計(jì)了報(bào)警功能，當(dāng)鍋爐運(yùn)行過程中有參數(shù)超出設(shè)置范圍時(shí)，系統(tǒng)操作界面自動(dòng)彈出報(bào)警框，同時(shí)伴有聲光提示。同時(shí)在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有提示報(bào)警窗口，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警功能自動(dòng)記錄報(bào)警的相關(guān)信息如報(bào)警時(shí)間、內(nèi)容、處理情況等，便于日后的查看。

（4）遠(yuǎn)程控制功能。通過與控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制功能共享，在遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)上也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，并在授權(quán)的前提下能完成對(duì)鍋爐及各輔機(jī)的遠(yuǎn)程啟、停操作和對(duì)各供熱點(diǎn)的溫度調(diào)節(jié)、分水缸電動(dòng)閥門調(diào)節(jié)。

（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。通過對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集記錄節(jié)拍的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并將各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)形成相應(yīng)的報(bào)表表格如燃煤、電、水等的消耗量等，提供給相關(guān)的管理人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)根據(jù)報(bào)表數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步的優(yōu)化鍋爐運(yùn)行過程的控制參數(shù)，以達(dá)到節(jié)能高效的要求。

（6）安全功能。鍋爐房是冬季供暖重地，同時(shí)承壓鍋爐是國家規(guī)定的特種設(shè)備，必須保證安全可靠運(yùn)行，操作人員必須經(jīng)過國家指定的專業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)培訓(xùn)合格才可以操作鍋爐。為了防止無資質(zhì)人員操作設(shè)備該軟件設(shè)置了三級(jí)權(quán)限分別是一般用戶、操作員用戶、工程師權(quán)限，各級(jí)可以根據(jù)需求分別設(shè)置各自的密碼，工程師級(jí)別權(quán)限最高，這樣嚴(yán)格控制了無資質(zhì)人員非法進(jìn)入系統(tǒng)對(duì)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行操作。同時(shí)為了溯源系統(tǒng)對(duì)所有操作實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)方便日后的查詢。

（7）聯(lián)網(wǎng)功能。應(yīng)用主流的以太網(wǎng)技術(shù)，使系統(tǒng)軟件運(yùn)行在局域網(wǎng)暖房計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)上，采用超五類屏蔽雙絞線和光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，使網(wǎng)絡(luò)的上下位機(jī)聯(lián)網(wǎng)方便，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

5 系統(tǒng)主要功能

（1）暖氣支路末端溫度監(jiān)測，根據(jù)此溫度調(diào)整分水缸電控閥門，實(shí)現(xiàn)暖氣支路分支溫度調(diào)節(jié)。

（2）室外溫度監(jiān)測，根據(jù)此溫度決定焚火時(shí)間。

（3）對(duì)各點(diǎn)位溫度監(jiān)測，根據(jù)此溫度決定何時(shí)開關(guān)遠(yuǎn)程電磁閥，達(dá)到遠(yuǎn)程控制各監(jiān)測點(diǎn)溫度。

（4）爐膛負(fù)壓監(jiān)測，根據(jù)此壓力調(diào)整鼓、引風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的變頻器，實(shí)現(xiàn)流量、壓力調(diào)節(jié)。

（5）爐排電機(jī)變頻器調(diào)速，調(diào)速范圍大，實(shí)現(xiàn)燃煤的經(jīng)濟(jì)、充分燃燒。

（6）鍋爐、穩(wěn)壓罐工作壓力監(jiān)測，當(dāng)壓力達(dá)到限值時(shí)報(bào)警。

（7）補(bǔ)水罐液位監(jiān)測，以此來決定是否上水。

（8）各設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)顯示，并以此為依據(jù)統(tǒng)計(jì)煤、水、電等的消耗量，為節(jié)能統(tǒng)計(jì)提供數(shù)據(jù)。

（9）電器控制系統(tǒng)采用日本歐姆龍公司的可編程序控制器，它集計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、邏輯運(yùn)算等多種功能于一身，是設(shè)備自動(dòng)化理想的控制核心。

6 結(jié)語

此應(yīng)用是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控軟件在工業(yè)控制中的應(yīng)用，組態(tài)軟件不僅可以應(yīng)用在鍋爐上，還可以應(yīng)用在石油、化工、半導(dǎo)體、汽車、電力、機(jī)械、冶金、交通、等個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的工業(yè)自動(dòng)化、過程控制、管理監(jiān)測、工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)視等系統(tǒng)。

［1］力控用戶手冊［Z］.北京三維力控科技有限公司

［2］彭利標(biāo)，等.可編程控制器原理及應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2017.

［3］陸島.工業(yè)電腦的安裝與使用［M］.北京：印刷工業(yè)出版社，1991.