鍋爐多級網絡監測系統設計與實現

胡佰龍 周一卉

(大連理工大學化工機械學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

鍋爐系統是各大中小城市生產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系到人們的生命財產安全［1－2］。隨著網絡技術的迅猛發展和工業網絡集成化的要求，基于以太網的鍋爐遠程監測系統應運而生［3－4］。當鍋爐運行的實時信息接入網絡后，管理人員就可以遠程監測鍋爐運行的實時狀態，避免事故的發生［5－8］。

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

本文以組態軟件為平臺，開發設計了能夠同時面向鍋爐單體和鍋爐集群的多級網絡式鍋爐實時監測系統。在該系統中，鍋爐現場、市級和省級的鍋爐監管部門通過接入Internet，可以實時監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整。同時，各相關數據被保存到SQL Server數據庫中，作為現行鍋爐系統改造和能源綜合利用的理論依據。

1 系統架構設計

系統架構采用遼寧省特檢院中心調度的分布式監控系統。其中，系統分為鍋爐運行現場、市級鍋爐監管部門和省級鍋爐監管部門這3個級別，系統網絡結構框圖如圖1所示。

圖1 系統網絡結構框圖Fig.1 Architecture of the system network

該系統是集鍋爐現場、鍋爐監控站、鍋爐檢驗研究所和環保部門為一體的多功能鍋爐實時監測與數據處理系統。

1.1 鍋爐運行現場

以大連市某企業使用的燃油鍋爐為例，燃油鍋爐主要由汽包、爐膛、省煤器、空氣預熱器、引風設備、鼓風設備、給水設備、燃料供給設備和過熱器等組成。燃油鍋爐設備的工作過程包括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。整套鍋爐設備正常運行時，整個系統劃分為燃油系統、給水系統、送風系統、排污系統、水位控制系統、鍋爐壓力系統以及汽水系統7個子系統。

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

企業內部服務器用來監控多臺鍋爐，由路由器和交換機將網絡上的各個節點連接入網，企業內部有多個客戶端可以查看鍋爐的實時運行狀況。系統的主要設備和服務器都要設置冗余單元，以確保系統安全。主單元在任何時候發生故障，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，從單元繼續處于冗余狀態。

大連市某鍋爐現場或某企業內部為1級節點，其主要是對鍋爐運行數據進行實時采集、監測和處理，對可能發生的鍋爐事故作出及時準確的調整和報警，并將鍋爐運行的相關數據傳遞給市級(2級)的鍋爐運行監管部門，以便市級鍋爐管理部門對同一地區內的鍋爐進行統一管理。

1.2 市級鍋爐監管部門

2級系統是指大連市市級鍋爐監管部門或者大連市市級環境保護機構。

大連市市級鍋爐監管部門的主要任務是接收大連市轄區范圍內各個鍋爐現場或鍋爐使用企業通過Internet送達的數據，并對這些數據進行整合、歸檔和保存，指導和規劃大連市轄區的所有鍋爐安全、科學地運行，同時將數據整理歸納后上傳到省級鍋爐監管部門。

大連市環保機構的主要任務是接收、整理和保存鍋爐現場送來的各項環境參數，主要包括氮氧化物、硫化物以及煙塵排放量等。這樣，環境監察機構就可以通過Internet對大連市全市范圍內的各個鍋爐的諸多環境參數進行監測，并將這些參數上傳到遼寧省省級環保機構。

1.3 省級鍋爐監管部門

3級系統是指遼寧省省級鍋爐監管部門(遼寧省特種設備檢驗研究院)和省級環保機構。

遼寧省省級鍋爐監管部門接收各個市級鍋爐監管部門上傳的各個地區鍋爐運行參數，將這些數據整理、存儲，比較各個城市鍋爐的運行狀況和相關環境參數是否達標和滿足要求，并對全省總體鍋爐環境的各項參數進行科學評估，最后將較好的鍋爐運行模式在全省范圍內加以推廣。

遼寧省省級環保機構同樣用來接收和存儲各個市級環保機構上傳的相關的環境參數數據。這樣省級環保部門就可以通過Internet獲得全省范圍內的鍋爐運行時各項環境指標，并給出一個宏觀的指導。

對鍋爐遠程監測網絡進行分級管理后，可解決鍋爐效率低、污染嚴重、數量大、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場，降低了勞動強度。這就可以在更大范圍內推廣安全、經濟、環保的鍋爐運行經營模式。

2 軟件系統

基于Windows操作系統，多級網絡鍋爐監測系統的軟件部分以北京三維力控組態軟件為系統開發平臺，結合了PC技術、面向對象技術、數據庫技術和多媒體技術等。組態軟件主要由專業軟件公司開發，并結合大量用戶的現場使用經驗，突出系統集成思想，優化系統整體結構，其優點是開發簡便、開發周期短、擴展性好和可靠性高等。

針對不同的底層硬件設備，力控組態軟件預裝了多種工業設備驅動程序和通信協議，還具有類似Visual Basic“可見即可得”的操作界面，并集成實時監控、趨勢曲線、專家報表、報警/事件記錄和用戶權限管理等功能模塊。因此，組態軟件可以簡潔、高效地實現鍋爐遠程監測與控制系統的功能設計。

多級網絡鍋爐監測系統各個級別的主要功能框圖如圖2所示。

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

3 數據庫功能結構

實時數據庫將組態數據、實時數據、歷史數據等以一定的組織形式存儲在數據庫媒介上。實時數據庫運行系統可以完成對生產實時數據的各種操作，如實時數據采集處理、歷史數據存儲查閱、報警事件處理、數據服務請求處理等。力控實時數據建立的具體步驟為:①搜集監控點、②在力控組態中創建數據點、③數據庫節點與I/O(PLC、板卡、工控機等)設備的數據連接。

鍋爐多級網絡實時監測系統是一個復雜而龐大的運行系統，其中的很多重要數據和參數需要及時處理和保存，以供將來調用或匯總后繪制成報表供上級部門查看。因此，一個穩定而可靠的數據庫是必不可少的。力控組態軟件帶有歷史數據庫，能夠將采集到的數據加以保存，供界面調用、填充表格以及繪制曲線等;但其不能對用戶開放，且保存的數據無法脫離組態環境查看，這就不利于數據的諸多操作。因此，選用Microsoft公司的SQL Sever 2008關系型數據庫作為嵌接數據庫。

SQL Sever 2008關系型數據庫容量大，易于操作，且與Windows系統全面集成，能夠滿足遠程監測系統對龐大數據儲存、查閱和統計的要求。實時數據庫與關系數據庫(SQL Sever 2008)并行使用，可增強系統的穩定性與兼容性。

系統數據庫結構如圖3所示，力控通過開放數據庫互聯(open data base connectivity，ODBC)，調用關系數據庫SQL Sever 2008，實現相關數據的查詢、歸檔和整理。

圖3 系統數據庫結構圖Fig.3 Structure of system database

4 結束語

隨著網絡通信技術的迅猛發展［11－13］，計算機不僅可以控制本地的設備，還可通過網絡來控制遠端的設備。鍋爐多級網絡監測系統使相關鍋爐監管部門不必身臨鍋爐，就可以監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。

隨著遠程監控技術的不斷發展，鍋爐多級網絡監測系統逐步增強了可操作性、安全性和擴展性，且系統愈加規模化和標準化，覆蓋范圍也越來越廣。在今后的研究中，鍋爐多級網絡監測系統可以擴展到無線網絡，這就擺脫了物理網絡接入Internet連接的限制，即使鍋爐系統沒有與網絡連接，也可以通過GPRS組件進入互聯網，實現對偏僻地段鍋爐的實時監測。隨著鍋爐多級網絡監測系統技術進一步應用于工程實踐，必將帶來鍋爐監控技術的巨大革新。

［1］李守明，周金陵.基于GPRS技術的智能化鍋爐安全遠程監控系統［J］.電子技術，2004(7):31－32.

［2］張清林，耿仁波，孫前程，等.基于Internet的工業鍋爐遠程監控技術［J］.自動化博覽，2004(3):54 －56.

［3］Kalaitzakis K，Koutroulis E，Vlachos V.Development of a data acquisition system for remote monitoring of renewable energy systems［J］.Measurement，2003，34(2):75 －83.

［4］Sahin C，Bolat E D.Development of remote control and monitoring of web-based distributed OPC system［J］.Computer Standards ＆Interfaces，2009，31(5):984 －993.

［5］Lee S J，Yun K H，Park J H，etc.Development of remote control system for boiler based on Internet［J］.Proceeding of IEEE，2002(3):1672－1675.

［6］沈和平，郝立軍，王志遠，等.基于GPRS網絡的注汽鍋爐遠程監控技術［J］.河南石油，2005，19(4):74 －75.

［7］吳并臻，劉曉良，范春旺.利用電話系統和工控機組成的鍋爐遠程監控網絡［J］.礦冶，1999，8(1):76 －80.

［8］萬頻，鄧金龍，谷剛，等.基于LON技術的燃油蒸汽鍋爐遠程監控系統［J］.計算機工程與應用，2006，42(2):206 －208.

［9］Dieu B.Application of the SCADA system in wastewater treatment plants［J］.ISA Transactions，2001，40(3):267 －281.

［10］Dana S，Sagahyroon A，Elrayes A，et al.Development of a monitoring and control platform for PLC-based applications［J］.Computer Standards ＆ Interfaces，2008，30(3):157 －166.

［11］朱建平，辛伊波.工業控制系統串行異步通信研究［J］.自動化儀表，2003，24(5):60 －63.

［12］景秀眉，楊凱，呂明祥.基于GPRS技術的環保在線檢測系統的設計［J］.通信技術，2008(7):262－264.

［13］陳靜，安曉東.GPRS技術在混凝土攪拌遠程監控系統中的應用［J］.電腦開發與應用，2008(3):44－46.