數據采集與過程控制在鍋爐冬季供暖中的應用

劉春輝

（中國鐵路哈爾濱局集團有限公司哈爾濱車輛段，黑龍江佳木斯 154002）

0 引言

隨著工業自動化儀表技術的不斷提高，其在工業過程控制中的應用不斷擴大，特別是在要求數據采集極其精準的場所和高溫、高污染等高危場所的數據采集。同時計算機控制技術在工業領域也不斷被采用。通過軟件將工業自動化儀表與計算機技術在工業過程控制中有機結合，最終實現工業過程中數據自動采集和自動控制，減小了人為因素的影響，同時實現了過程控制的記錄存儲和回放，并降低了人在高危環境的作業頻次和時間。由于顯而易見的優點，工業自動化儀表（數據采集）與計算機技術（過程控制）在工業控制方面得到全面應用。

以鍋爐冬季供暖為例說明數據采集和過程控制軟件（組態軟件）在過程控制中的應用。

1 改造背景

某鍋爐房有3臺鍋爐，其中2臺熱水鍋爐，負責冬季采暖用；1臺蒸汽鍋爐，負責生產用汽加熱。改造前鍋爐各運行參數的顯示、采集，都采用普通指針儀表，由人工到鍋爐附近觀察，對于系統輔助設備，如穩壓罐壓力、儲水大罐液位的參數觀測記錄，需到設備附近查看，鼓、引風機風量調節，要到煙室人工搬動調節風門手柄等，數據采集和設備控制受人為因素影響比較大。

針對種種弊端，并根據實際工作情況，提出了一整套系統改造方案。該系統能夠實現溫度遠程顯示采集，并對鍋爐出、回水溫度，爐膛溫度、排煙溫度、工作壓力、爐膛負壓等參數，實現采集顯示記錄，歷史記錄查詢，多媒體報警，爐膛負壓、電控調節閥門遠程自動控制等功能，并且能利用局域網，實現監控畫面及數據的共享，便于各級管理層查看、分析實時記錄數據，同時各種采集儀表采用RS485通訊方式，系統擴充方便。

2 系統組成及工作原理

以鍋爐為對象，制定對溫度、壓力、液位、運行時間等參數實時采集的鍋爐監控系統。監控系統采用分級式結構，下層采用相對獨立數據采集顯示儀表、現場傳感器和可編程控制器（PLC）控制的相應電動執行機構，上層由通用計算機作為數據管理機和監控動態畫面顯示，鍋爐數據采集與過程監控系統結構示意見圖1。

3 現場傳感器及數據采集控制元件分布

3.1 溫度傳感器

溫度傳感器信號經溫度變送器放大后，使信號傳輸誤差不受傳輸距離的影響，對于布線困難和距離太遠的測點，可以采用GPRS無線信號傳輸，特別適用于城市供暖的溫度采集。

（1）生產用汽場所和采暖4路支路末端遠程溫度測量。（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）爐膛負壓3路。（2）鍋爐工作壓力3路。（3）穩壓罐壓力1路。

3.3 液位傳感器

補水罐液位、出渣機水槽液位。

3.4 數據采集顯示儀表

（1）XMDI5000智能開關量信號采集顯示儀，可接收有源或無源的開關量信號，且可路路隔離，適用于現場設備的各種狀態信號的采集顯示并送往上層計算機系統。附帶RS485通信接口。

（2）XMD5000多路巡檢儀，作為溫度、壓力、液位等工業過程參數的采集使用。附帶RS485通信接口。XMDI5000和XMD5000儀表接收現場傳感器信號，向上通過（4～20）mA電流環網傳輸給上位計算機。

3.5 執行機構

執行機構包括可編程控制器、變頻器、電動執行器和電動控制調節閥門。電器控制系統采用日本歐姆龍公司的可編程序控制器，它集計數器、計時器、邏輯運算等多種功能于一身，是設備自動化理想的控制核心。鼓引風機的變頻器根據爐膛負壓反饋信號的大小，改變輸入鼓、引風機電機電源的頻率實現無級調速，實現風量的調節。分水缸上的電動執行器根據各熱網支路末端溫度值，改變輸出模擬信號的大小，調節分水缸閥門開度的大小，達到調節暖氣支路溫度的作用。

3.6 控制機構

可編程控制器程序根據現場設備的動作要求及邏輯關系，編制梯形圖及指令表。改變動作要求，只需改變PLC內部程序，柔性強。

4 上位機軟件及監控功能

4.1 上位機軟件

圖1 鍋爐數據采集與過程監控系統

系統上位機軟件選用北京三維力控組態軟件，運行在Windows98/NT/2000/XP操作系統上。該力控組態軟件主要包括：操作界面、工程管理器、實時數據庫、I/O驅動程序以及各種網絡服務器組件等。力控組態軟件由程序組態環境和運行環境兩部分組成。程序組態環境可以創建工程畫面、報表生成、分析曲線、定義變量等，同時可以配置各種系統需求的參數，并啟動力控其他程序組件等。程序運行環境負責數據庫與下位I/O設備的數據交換，它從現場實際應用中采集數據，根據需求記錄在歷史數據庫中，并負責把數據庫的變化用顏色、動畫等形式形象地表達出來，同時完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等監控功能，此外，它還有強有力的運行核心調試工具，保證系統始終處于最快的響應速度和對各設備運行狀態監測。

上位軟件具備開放性、可用性、可擴展性。鍋爐運行監控主界面見圖2。

圖2 鍋爐運行監控主界面

4.2 功能

（1）操作界面。操作人員利用鼠標在打開的操作頁面的相應位置點擊就可以完成相應界面的切換，調出需要操作的界面。界面上系統中的各部位及狀態都有形象的顯示，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各部位的狀態和實時數據，了解整個系統的當前過程狀態。

（2）數據顯示。在操作界面的相應位置實時顯示鍋爐系統的各項參數值，在鍋爐運行過程中當系統檢測到某項參數值超過設定值時操作界面的相應位置背景框反差變色閃爍同時伴有警示音進行提示；通過對系統進行參數設置，系統能夠對數據進行記錄儀并存儲，并可分別形成各項采集到的參數的歷史曲線，方便日后對各項參數的數據分析，通過對歷史數據的分析制定更加優化的工藝方案。同時歷史數據也可以根據需求下載或打印輸出。

（3）提示報警功能。系統根據參數的設置范圍設計了報警功能，當鍋爐運行過程中有參數超出設置范圍時，系統操作界面自動彈出報警框，同時伴有聲光提示。同時在系統中設計有提示報警窗口，當系統運行出現報警時，系統報警功能自動記錄報警的相關信息如報警時間、內容、處理情況等，便于日后的查看。

（4）遠程控制功能。通過與控制計算機組網實現控制功能共享，在遠端計算機上也可以實時監控鍋爐的運行參數，并在授權的前提下能完成對鍋爐及各輔機的遠程啟、停操作和對各供熱點的溫度調節、分水缸電動閥門調節。

（5）數據統計功能。通過對系統數據采集記錄節拍的設置，實現系統自動記錄各項數據，并將各項數據進行統計形成相應的報表表格如燃煤、電、水等的消耗量等，提供給相關的管理人員進行統計分析，同時根據報表數據分析進一步的優化鍋爐運行過程的控制參數，以達到節能高效的要求。

（6）安全功能。鍋爐房是冬季供暖重地，同時承壓鍋爐是國家規定的特種設備，必須保證安全可靠運行，操作人員必須經過國家指定的專業培訓機構培訓合格才可以操作鍋爐。為了防止無資質人員操作設備該軟件設置了三級權限分別是一般用戶、操作員用戶、工程師權限，各級可以根據需求分別設置各自的密碼，工程師級別權限最高，這樣嚴格控制了無資質人員非法進入系統對鍋爐系統進行操作。同時為了溯源系統對所有操作實時記錄存儲方便日后的查詢。

（7）聯網功能。應用主流的以太網技術，使系統軟件運行在局域網暖房計算機結點上，采用超五類屏蔽雙絞線和光纖作為數據傳輸介質，使網絡的上下位機聯網方便，數據傳輸穩定。

5 系統主要功能

（1）暖氣支路末端溫度監測，根據此溫度調整分水缸電控閥門，實現暖氣支路分支溫度調節。

（2）室外溫度監測，根據此溫度決定焚火時間。

（3）對各點位溫度監測，根據此溫度決定何時開關遠程電磁閥，達到遠程控制各監測點溫度。

（4）爐膛負壓監測，根據此壓力調整鼓、引風機電機轉速控制的變頻器，實現流量、壓力調節。

（5）爐排電機變頻器調速，調速范圍大，實現燃煤的經濟、充分燃燒。

（6）鍋爐、穩壓罐工作壓力監測，當壓力達到限值時報警。

（7）補水罐液位監測，以此來決定是否上水。

（8）各設備實時運行時間統計顯示，并以此為依據統計煤、水、電等的消耗量，為節能統計提供數據。

（9）電器控制系統采用日本歐姆龍公司的可編程序控制器，它集計數器、計時器、邏輯運算等多種功能于一身，是設備自動化理想的控制核心。

6 結語

此應用是一個典型的數據采集和過程監控軟件在工業控制中的應用，組態軟件不僅可以應用在鍋爐上，還可以應用在石油、化工、半導體、汽車、電力、機械、冶金、交通、等個行業和領域的工業自動化、過程控制、管理監測、工業現場監視等系統。

［1］力控用戶手冊［Z］.北京三維力控科技有限公司

［2］彭利標，等.可編程控制器原理及應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2017.

［3］陸島.工業電腦的安裝與使用［M］.北京：印刷工業出版社，1991.