摘要：介紹了供暖燃?xì)忮仩t的遠(yuǎn)程監(jiān)技與管理，以及鍋爐燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制，采用變頻技術(shù)和燃燒優(yōu)化技術(shù)可使鍋爐運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)。該系統(tǒng)對(duì)提高鍋爐熱效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性有明顯效果。
關(guān)鍵詞：可編程控制器,變頻技術(shù),遠(yuǎn)程監(jiān)控,憔燒優(yōu)化

1 引言
        目前，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，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(chǎng)地的限制，有些地方不適合建設(shè)大規(guī)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(duì)鍋爐進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此，鍋爐小型化并采用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)成為目前城市供熱站建設(shè)的新形式。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與通訊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其主要目的是使專業(yè)人員能夠監(jiān)管更多的設(shè)備，從而提高工作效率并保證系統(tǒng)安全。
        目前，對(duì)于供熱系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控方式有兩種不同的思路：一種方式是采用中央集中式監(jiān)控方法；另一種是采用中央與現(xiàn)場(chǎng)分工協(xié)作的監(jiān)控方法。前一種方法控制權(quán)集中在上位機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)工作站只有測(cè)試儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的功能只是參數(shù)采集和上傳，本身沒有自動(dòng)調(diào)控的決策功能。這種方法靈活性差，如發(fā)局部故障容易影響全局的正常運(yùn)行，當(dāng)通訊系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，會(huì)造成重大影響。第二種方法是鍋爐運(yùn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)決策功能完全“下放”給現(xiàn)場(chǎng)工作站的一種自控系統(tǒng)，中央控制室即調(diào)度室只負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)工作站運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視以及在必要的情況下修改設(shè)定參數(shù)。如果整個(gè)熱網(wǎng)已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，還可以調(diào)控總供熱量、總循環(huán)量以及熱量調(diào)度。這種方法比較靈活，故障影響面小，也能滿足“分戶熱計(jì)量”用戶對(duì)供熱系統(tǒng)變流量運(yùn)行的要求。
        本例遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于小區(qū)內(nèi)鍋爐分散、整個(gè)熱網(wǎng)不聯(lián)網(wǎng)的情況，我們選擇第二種遠(yuǎn)程監(jiān)控方式。
2   系統(tǒng)組成
        系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)工作站系統(tǒng)和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)。
        中央監(jiān)控系統(tǒng)即調(diào)度室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場(chǎng)各站點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)并顯示，以便操作人員查看和生成報(bào)表。在必要的情況下，可由操作人員向現(xiàn)場(chǎng)各站點(diǎn)發(fā)送控制命令或修改參數(shù)。
        遠(yuǎn)程傳輸部分負(fù)責(zé)完成調(diào)度室和各現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用調(diào)制解調(diào)器構(gòu)成的傳輸方式。
 

圖1系統(tǒng)組成圖

        現(xiàn)場(chǎng)工作站系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)輸入單元、執(zhí)行單元即輸出單元、現(xiàn)場(chǎng)控制單元以及人機(jī)界面。
3 調(diào)度室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
        調(diào)度室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由服務(wù)器和監(jiān)控PC機(jī)構(gòu)成，根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的多少，也可以將服務(wù)器、工作站合并，由1臺(tái)PC機(jī)完成。
3.1界面的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)顯示
        帶有管理內(nèi)容的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的界面，既要滿足過(guò)程控制的要求，如顯示各類過(guò)程曲線、各類過(guò)程流程圖；同時(shí)，又有管理系統(tǒng)的功能，如數(shù)據(jù)的錄入、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等內(nèi)容。本例上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控軟件以中文W indows2000作為開發(fā)平臺(tái)，用VISUALBASIC語(yǔ)言程序采用模塊化的編程方法編寫，便于擴(kuò)充新的功能。整個(gè)監(jiān)控程序模塊主要功能有：
        (1)數(shù)據(jù)通訊與處理模塊。完成監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC之間數(shù)據(jù)和命令的雙向傳送，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。
        (2)顯示模塊。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在屏幕上以圖形或表格的形式循環(huán)顯示（或指定監(jiān)視顯示），并采用不同的顏色或位置，表示運(yùn)行狀況的變化。
         (3)查詢和打印模塊。管理員可以察看歷史數(shù)據(jù)或報(bào)表，并隨機(jī)打印相應(yīng)文件。
         (4)系統(tǒng)設(shè)定模塊。可隨時(shí)用來(lái)修改系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)。
         (5)故障報(bào)警模塊。不論系統(tǒng)工作在何種狀態(tài)下，一旦有故障報(bào)警發(fā)生，系統(tǒng)確認(rèn)后，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)報(bào)警視窗，給出報(bào)警的類型、地點(diǎn)、時(shí)間，并發(fā)出聲音報(bào)警。
3.2監(jiān)控系統(tǒng)流程圖
監(jiān)控系統(tǒng)流程圖見圖2。

 
圖2監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

4  現(xiàn)場(chǎng)工作站系統(tǒng)

4.1現(xiàn)場(chǎng)工作站系統(tǒng)硬件部分
        現(xiàn)場(chǎng)工作站系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)控制器、輸入單元、輸出單元和人機(jī)界面組成，組成框圖如圖3所示。
 

圖3現(xiàn)場(chǎng)工作站系統(tǒng)圖

        現(xiàn)場(chǎng)控制單元負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集單元傳來(lái)的數(shù)據(jù)，把它們上傳至調(diào)度室，并接收調(diào)度室下傳的命令，控制現(xiàn)場(chǎng)的閥門、變頻器、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元都有一套現(xiàn)場(chǎng)采集控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)控制單元是下位機(jī)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(yùn)算能力以及通訊能力比其它PLC優(yōu)越，可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通訊。
        輸入單元負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)的壓力、溫度、流量、煙氣氧含量等各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及各種開關(guān)量。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由煙氣氧含量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、煤氣報(bào)警器、火焰監(jiān)視器、水位傳感器、燃?xì)饬髁坑?jì)、循環(huán)水流量計(jì)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(lái)的4-20mA信號(hào)，模擬量輸出模塊輸出0一lov信號(hào)，控制變頻器頻率。壓力傳感－器、煤氣報(bào)警器、火焰監(jiān)視器以及水位傳感器是開關(guān)量。執(zhí)行單元由風(fēng)機(jī)、水泵、變頻器和電磁閥等組成。人機(jī)界面采用西門子的TD200，使用十分方便，只要把它通過(guò)電纜連接到S7一200上即可。它的用途有：顯示信息；設(shè)定和修改參數(shù)；提供8個(gè)自定義功能鍵；提供密碼保護(hù)等。
4.2現(xiàn)場(chǎng)工作站軟件部分
        現(xiàn)場(chǎng)PLC程序用梯形圖語(yǔ)言編制，這個(gè)程序除了主程序外，還包括初始化、點(diǎn)火、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、故障報(bào)警與故障處理、燃燒優(yōu)化與節(jié)能運(yùn)行、停機(jī)等子程序。程序流程圖如圖4所示。
 

圖4下位機(jī)程序流程圖

5  遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)
        上位機(jī)與下位機(jī)之間采用西門子的自由口通訊方式。由于現(xiàn)場(chǎng)和調(diào)度室之間的距離很遠(yuǎn)，直接數(shù)據(jù)傳輸有一定難度。為保證傳輸可靠，本設(shè)計(jì)采用調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，調(diào)制解調(diào)器選用與標(biāo)準(zhǔn)賀氏（Hayes）兼容的調(diào)制解調(diào)器，其特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)。S7一200系列PLC與調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行通訊的程序組成如圖5所示，包括四個(gè)程序段：MAIN主程序進(jìn)行初始化；SBR1對(duì)信息和自由通信口模式進(jìn)行初始化；SBR2撥號(hào)、發(fā)送和切斷；INTO捕捉并處理來(lái)自調(diào)制解調(diào)器的響應(yīng)。如果有信息要發(fā)送，S7一200發(fā)送信息給調(diào)制解調(diào)器，數(shù)據(jù)包括所要呼叫的電話號(hào)碼和所要發(fā)出的信息，信息存儲(chǔ)在PLC的存儲(chǔ)器中。由于調(diào)制解調(diào)器本身的通信協(xié)議具有非常好的校驗(yàn)和糾錯(cuò)能力，系統(tǒng)無(wú)須額外校驗(yàn)，傳輸距離一般在幾km.
 

圖5  PLC和調(diào)制解調(diào)器通訊程序組成

6  變頻器技術(shù)用于調(diào)整燃?xì)饬?br />        從能量守恒的角度分析，進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)的燃?xì)忉尫诺目偰芰縌應(yīng)該等于從鍋爐系統(tǒng)流出的能量，包括：爐水吸熱量Q：、循環(huán)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(dāng)回水溫度或設(shè)定出口溫度設(shè)定值（根據(jù)外界溫度而變化）變化時(shí)，循環(huán)水的吸熱量相應(yīng)變化，需要的總熱量值也隨之變化。因此，根據(jù)所需總熱量的變化，適當(dāng)調(diào)整燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)氣量，可以使鍋爐更經(jīng)濟(jì)有效地運(yùn)行。
        本例在燃?xì)夂涂諝獾倪M(jìn)口處安裝交流電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)。調(diào)整電動(dòng)機(jī)的頻率，就能調(diào)整進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)的燃?xì)饬亢涂諝饬浚瑥亩{(diào)整總熱量值。
交流電動(dòng)機(jī)分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩大類，本例使用的是異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

式中     n一轉(zhuǎn)速；
             f一電源頻率；
             p一定子繞組極對(duì)數(shù)；
             s一異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。
        由此可見，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，通過(guò)變頻裝置將電網(wǎng)50Hz的固定頻率轉(zhuǎn)換成可調(diào)頻率，即可實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。
7   燃燒過(guò)程的自尋優(yōu)控制
        根據(jù)然燒理論，鍋爐在運(yùn)行時(shí)應(yīng)該保證最佳的空氣燃?xì)獗龋催^(guò)量空氣系數(shù)口保持最佳值。在鍋爐運(yùn)行中，影響熱效率的主要因素是化學(xué)不完全燃燒熱損失和排煙損失，這兩項(xiàng)與過(guò)量空氣系數(shù)a的關(guān)系如圖6所示。
 

圖6   鍋爐熱效率與過(guò)剩空氣系數(shù)的關(guān)系曲線

        在鍋爐運(yùn)行中，采集煙氣中的氧含量和煙氣溫度，調(diào)整空氣燃?xì)獗龋催^(guò)剩空氣系數(shù)，使鍋爐一直運(yùn)行在最適燃燒區(qū)。
8   結(jié)論
        在實(shí)際應(yīng)用中，供暖用熱水鍋爐采用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的主要優(yōu)點(diǎn)有：
        (1)提高系統(tǒng)的安全性，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行；
        (2)全面監(jiān)測(cè)并記錄各運(yùn)行參數(shù)，降低運(yùn)行人員工作量，提高管理水平；
        (3)對(duì)燃燒過(guò)程和熱水循環(huán)過(guò)程進(jìn)行有效的控制調(diào)節(jié)，提高鍋爐效率，節(jié)省運(yùn)行能耗，并減少大氣污染。
        實(shí)踐證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全、可靠、節(jié)能，且系統(tǒng)記錄了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)今后熱網(wǎng)調(diào)控提供了重要的參考數(shù)據(jù)。