摘要：介紹了供暖燃氣鍋爐的遠程監技與管理，以及鍋爐燃燒系統自動控制，采用變頻技術和燃燒優化技術可使鍋爐運行達到最優。該系統對提高鍋爐熱效率和系統穩定性有明顯效果。
關鍵詞：可編程控制器,變頻技術,遠程監控,憔燒優化

1 引言
        目前，人們對環境保護的意識越來越強，改變供暖的燃料品種、燃燒清潔燃料是降低空氣污染的有效措施。在大中城市里，由于場地的限制，有些地方不適合建設大規模的供熱站，另外由于鍋爐分散，為了方便管理，人們迫切要求對鍋爐進行遠程監控。因此，鍋爐小型化并采用遠程監控技術成為目前城市供熱站建設的新形式。遠程監控技術是在計算機監控系統與通訊網絡的基礎上發展起來的。其主要目的是使專業人員能夠監管更多的設備，從而提高工作效率并保證系統安全。
        目前，對于供熱系統計算機監控方式有兩種不同的思路：一種方式是采用中央集中式監控方法；另一種是采用中央與現場分工協作的監控方法。前一種方法控制權集中在上位機，現場工作站只有測試儀表與執行機構，它的功能只是參數采集和上傳，本身沒有自動調控的決策功能。這種方法靈活性差，如發局部故障容易影響全局的正常運行，當通訊系統出現故障后，會造成重大影響。第二種方法是鍋爐運行自動調節決策功能完全“下放”給現場工作站的一種自控系統，中央控制室即調度室只負責對各個工作站運行參數進行監視以及在必要的情況下修改設定參數。如果整個熱網已經聯網，還可以調控總供熱量、總循環量以及熱量調度。這種方法比較靈活，故障影響面小，也能滿足“分戶熱計量”用戶對供熱系統變流量運行的要求。
        本例遠程監控系統應用于小區內鍋爐分散、整個熱網不聯網的情況，我們選擇第二種遠程監控方式。
2   系統組成
        系統組成框圖如圖1所示。整個系統由三部分組成：中央監控系統、現場工作站系統和遠程傳輸系統。
        中央監控系統即調度室計算機監控系統，負責接收現場各站點傳來的數據，存儲并顯示，以便操作人員查看和生成報表。在必要的情況下，可由操作人員向現場各站點發送控制命令或修改參數。
        遠程傳輸部分負責完成調度室和各現場站點之間的數據傳輸，采用調制解調器構成的傳輸方式。
 

圖1系統組成圖

        現場工作站系統包括現場輸入單元、執行單元即輸出單元、現場控制單元以及人機界面。
3 調度室計算機監控系統
        調度室計算機監控系統由服務器和監控PC機構成，根據監控對象的多少，也可以將服務器、工作站合并，由1臺PC機完成。
3.1界面的設計與數據顯示
        帶有管理內容的現場監控系統的界面，既要滿足過程控制的要求，如顯示各類過程曲線、各類過程流程圖；同時，又有管理系統的功能，如數據的錄入、統計、報表等內容。本例上位機監控系統的監控軟件以中文W indows2000作為開發平臺，用VISUALBASIC語言程序采用模塊化的編程方法編寫，便于擴充新的功能。整個監控程序模塊主要功能有：
        (1)數據通訊與處理模塊。完成監控計算機與PLC之間數據和命令的雙向傳送，并將接收到的數據進行相應處理。
        (2)顯示模塊。將實時數據在屏幕上以圖形或表格的形式循環顯示（或指定監視顯示），并采用不同的顏色或位置，表示運行狀況的變化。
         (3)查詢和打印模塊。管理員可以察看歷史數據或報表，并隨機打印相應文件。
         (4)系統設定模塊。可隨時用來修改系統的各項參數。
         (5)故障報警模塊。不論系統工作在何種狀態下，一旦有故障報警發生，系統確認后，就會出現一個報警視窗，給出報警的類型、地點、時間，并發出聲音報警。
3.2監控系統流程圖
監控系統流程圖見圖2。

 
圖2監控系統流程圖

4  現場工作站系統

4.1現場工作站系統硬件部分
        現場工作站系統由現場控制器、輸入單元、輸出單元和人機界面組成，組成框圖如圖3所示。
 

圖3現場工作站系統圖

        現場控制單元負責接收現場數據采集單元傳來的數據，把它們上傳至調度室，并接收調度室下傳的命令，控制現場的閥門、變頻器、風機等執行機構。每個現場控制單元都有一套現場采集控制系統。現場控制單元是下位機部分的核心部件，采用西門子S7-200系列可編程邏輯控制器，CPU226，帶PC/PPI電纜，它的運算能力以及通訊能力比其它PLC優越，可方便地進行數據處理和通訊。
        輸入單元負責采集現場的壓力、溫度、流量、煙氣氧含量等各項數據以及各種開關量。現場數據采集系統由煙氣氧含量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、煤氣報警器、火焰監視器、水位傳感器、燃氣流量計、循環水流量計等組成。其中，模擬量輸入／輸出模塊采用西門子的EM235模塊，模擬量輸入模塊采集各種傳感器送來的4-20mA信號，模擬量輸出模塊輸出0一lov信號，控制變頻器頻率。壓力傳感－器、煤氣報警器、火焰監視器以及水位傳感器是開關量。執行單元由風機、水泵、變頻器和電磁閥等組成。人機界面采用西門子的TD200，使用十分方便，只要把它通過電纜連接到S7一200上即可。它的用途有：顯示信息；設定和修改參數；提供8個自定義功能鍵；提供密碼保護等。
4.2現場工作站軟件部分
        現場PLC程序用梯形圖語言編制，這個程序除了主程序外，還包括初始化、點火、數據采集、數據傳輸、故障報警與故障處理、燃燒優化與節能運行、停機等子程序。程序流程圖如圖4所示。
 

圖4下位機程序流程圖

5  遠程傳輸系統
        上位機與下位機之間采用西門子的自由口通訊方式。由于現場和調度室之間的距離很遠，直接數據傳輸有一定難度。為保證傳輸可靠，本設計采用調制解調器進行遠程傳輸，調制解調器選用與標準賀氏（Hayes）兼容的調制解調器，其特點是使用簡單，可靠性高，傳輸距離遠。S7一200系列PLC與調制解調器進行通訊的程序組成如圖5所示，包括四個程序段：MAIN主程序進行初始化；SBR1對信息和自由通信口模式進行初始化；SBR2撥號、發送和切斷；INTO捕捉并處理來自調制解調器的響應。如果有信息要發送，S7一200發送信息給調制解調器，數據包括所要呼叫的電話號碼和所要發出的信息，信息存儲在PLC的存儲器中。由于調制解調器本身的通信協議具有非常好的校驗和糾錯能力，系統無須額外校驗，傳輸距離一般在幾km.
 

圖5  PLC和調制解調器通訊程序組成

6  變頻器技術用于調整燃氣量
        從能量守恒的角度分析，進入鍋爐系統的燃氣釋放的總能量Q應該等于從鍋爐系統流出的能量，包括：爐水吸熱量Q：、循環水吸熱量Q2、不完全燃燒熱損失Q3、散熱量Q；和排煙損失Q5，即
Q＝Q1＋Q2＋Q3＋Q4＋Q5
        當回水溫度或設定出口溫度設定值（根據外界溫度而變化）變化時，循環水的吸熱量相應變化，需要的總熱量值也隨之變化。因此，根據所需總熱量的變化，適當調整燃氣和空氣進氣量，可以使鍋爐更經濟有效地運行。
        本例在燃氣和空氣的進口處安裝交流電動機，帶動羅茨風機。調整電動機的頻率，就能調整進入鍋爐系統的燃氣量和空氣量，從而調整總熱量值。
交流電動機分為同步電動機和異步電動機兩大類，本例使用的是異步電動機，其轉速表達式為：

式中     n一轉速；
             f一電源頻率；
             p一定子繞組極對數；
             s一異步電動機轉差率。
        由此可見，交流電動機的轉速與電源頻率成正比，通過變頻裝置將電網50Hz的固定頻率轉換成可調頻率，即可實現交流電動機的無級調速。
7   燃燒過程的自尋優控制
        根據然燒理論，鍋爐在運行時應該保證最佳的空氣燃氣比，即過量空氣系數口保持最佳值。在鍋爐運行中，影響熱效率的主要因素是化學不完全燃燒熱損失和排煙損失，這兩項與過量空氣系數a的關系如圖6所示。
 

圖6   鍋爐熱效率與過剩空氣系數的關系曲線

        在鍋爐運行中，采集煙氣中的氧含量和煙氣溫度，調整空氣燃氣比，即過剩空氣系數，使鍋爐一直運行在最適燃燒區。
8   結論
        在實際應用中，供暖用熱水鍋爐采用遠程監測與控制的主要優點有：
        (1)提高系統的安全性，保證系統能夠正常運行；
        (2)全面監測并記錄各運行參數，降低運行人員工作量，提高管理水平；
        (3)對燃燒過程和熱水循環過程進行有效的控制調節，提高鍋爐效率，節省運行能耗，并減少大氣污染。
        實踐證明該系統運行穩定、安全、可靠、節能，且系統記錄了大量的運行數據，對今后熱網調控提供了重要的參考數據。