牟岳泰，许东来，赵永军，陈平
摘要：介绍了供暖燃气锅炉的远程监技与管理，以及锅炉燃烧系统自动控制，采用变频技术和燃烧优化技术可使锅炉运行达到最优。该系统对提高锅炉热效率和系统稳定性有明显效果。
关键词：可编程控制器,变频技术,远程监控,憔烧优化
1引言
目前，人们对环境保护的意识越来越强，改变供暖的燃料品种、燃烧清洁燃料是降低空气污染的有效措施。在大中城市里，由于场地的限制，有些地方不适合建设大规模的供热站，另外由于锅炉分散，为了方便管理，人们迫切要求对锅炉进行远程监控。因此，锅炉小型化并采用远程监控技术成为目前城市供热站建设的新形式。远程监控技术是在计算机监控系统与通讯网络的基础上发展起来的。其主要目的是使专业人员能够监管更多的设备，从而提高工作效率并保证系统安全。
目前，对于供热系统计算机监控方式有两种不同的思路：一种方式是采用中央集中式监控方法；另一种是采用中央与现场分工协作的监控方法。前一种方法控制权集中在上位机，现场工作站只有测试仪表与执行机构，它的功能只是参数采集和上传，本身没有自动调控的决策功能。这种方法灵活性差，如发局部故障容易影响全局的正常运行，当通讯系统出现故障后，会造成重大影响。第二种方法是锅炉运行自动调节决策功能完全“下放”给现场工作站的一种自控系统，中央控制室即调度室只负责对各个工作站运行参数进行监视以及在必要的情况下修改设定参数。如果整个热网已经联网，还可以调控总供热量、总循环量以及热量调度。这种方法比较灵活，故障影响面小，也能满足“分户热计量”用户对供热系统变流量运行的要求。
本例远程监控系统应用于小区内锅炉分散、整个热网不联网的情况，我们选择第二种远程监控方式。
2系统组成
系统组成框图如图1所示。整个系统由三部分组成：中央监控系统、现场工作站系统和远程传输系统。
中央监控系统即调度室计算机监控系统，负责接收现场各站点传来的数据，存储并显示，以便操作人员查看和生成报表。在必要的情况下，可由操作人员向现场各站点发送控制命令或修改参数。
远程传输部分负责完成调度室和各现场站点之间的数据传输，采用调制解调器构成的传输方式。
图1系统组成图
现场工作站系统包括现场输入单元、执行单元即输出单元、现场控制单元以及人机界面。
3调度室计算机监控系统
调度室计算机监控系统由服务器和监控PC机构成，根据监控对象的多少，也可以将服务器、工作站合并，由1台PC机完成。
3.1界面的设计与数据显示
带有管理内容的现场监控系统的界面，既要满足过程控制的要求，如显示各类过程曲线、各类过程流程图；同时，又有管理系统的功能，如数据的录入、统计、报表等内容。本例上位机监控系统的监控软件以中文Windows2000作为开发平台，用VISUALBASIC语言程序采用模块化的编程方法编写，便于扩充新的功能。整个监控程序模块主要功能有：
(1)数据通讯与处理模块。完成监控计算机与PLC之间数据和命令的双向传送，并将接收到的数据进行相应处理。
(2)显示模块。将实时数据在屏幕上以图形或表格的形式循环显示（或指定监视显示），并采用不同的颜色或位置，表示运行状况的变化。
(3)查询和打印模块。管理员可以察看历史数据或报表，并随机打印相应文件。
(4)系统设定模块。可随时用来修改系统的各项参数。
(5)故障报警模块。不论系统工作在何种状态下，一旦有故障报警发生，系统确认后，就会出现一个报警视窗，给出报警的类型、地点、时间，并发出声音报警。
3.2监控系统流程图
监控系统流程图见图2。
图2监控系统流程图
4现场工作站系统
4.1现场工作站系统硬件部分
现场工作站系统由现场控制器、输入单元、输出单元和人机界面组成，组成框图如图3所示。
图3现场工作站系统图
现场控制单元负责接收现场数据采集单元传来的数据，把它们上传至调度室，并接收调度室下传的命令，控制现场的阀门、变频器、风机等执行机构。每个现场控制单元都有一套现场采集控制系统。现场控制单元是下位机部分的核心部件，采用西门子S7200系列可编程逻辑控制器，CPU226，带PC/PPI电缆，它的运算能力以及通讯能力比其它PLC优越，可方便地进行数据处理和通讯。
输入单元负责采集现场的压力、温度、流量、烟气氧含量等各项数据以及各种开关量。现场数据采集系统由烟气氧含量传感器、温度传感器、压力传感器、煤气报警器、火焰监视器、水位传感器、燃气流量计、循环水流量计等组成。其中，模拟量输入／输出模块采用西门子的EM235模块，模拟量输入模块采集各种传感器送来的420mA信号，模拟量输出模块输出0一10V信号，控制变频器频率。压力传感－器、煤气报警器、火焰监视器以及水位传感器是开关量。执行单元由风机、水泵、变频器和电磁阀等组成。人机界面采用西门子的TD200，使用十分方便，只要把它通过电缆连接到S7一200上即可。它的用途有：显示信息；设定和修改参数；提供8个自定义功能键；提供密码保护等。
4.2现场工作站软件部分
现场PLC程序用梯形图语言编制，这个程序除了主程序外，还包括初始化、点火、数据采集、数据传输、故障报警与故障处理、燃烧优化与节能运行、停机等子程序。程序流程图如图4所示。
图4下位机程序流程图
5远程传输系统
上位机与下位机之间采用西门子的自由口通讯方式。由于现场和调度室之间的距离很远，直接数据传输有一定难度。为保证传输可靠，本设计采用调制解调器进行远程传输，调制解调器选用与标准贺氏（Hayes）兼容的调制解调器，其特点是使用简单，可靠性高，传输距离远。S7一200系列PLC与调制解调器进行通讯的程序组成如图5所示，包括四个程序段：MAIN主程序进行初始化；SBR1对信息和自由通信口模式进行初始化；SBR2拨号、发送和切断；INTO捕捉并处理来自调制解调器的响应。如果有信息要发送，S7一200发送信息给调制解调器，数据包括所要呼叫的电话号码和所要发出的信息，信息存储在PLC的存储器中。由于调制解调器本身的通信协议具有非常好的校验和纠错能力，系统无须额外校验，传输距离一般在几km。
图5PLC和调制解调器通讯程序组成
6变频器技术用于调整燃气量
从能量守恒的角度分析，进入锅炉系统的燃气释放的总能量Q应该等于从锅炉系统流出的能量，包括：炉水吸热量Q1、循环水吸热量Q2、不完全燃烧热损失Q3、散热量Q4和排烟损失Q5，即
Q＝Q1+Q2+Q3+Q4+Q5
当回水温度或设定出口温度设定值（根据外界温度而变化）变化时，循环水的吸热量相应变化，需要的总热量值也随之变化。因此，根据所需总热量的变化，适当调整燃气和空气进气量，可以使锅炉更经济有效地运行。
本例在燃气和空气的进口处安装交流电动机，带动罗茨风机。调整电动机的频率，就能调整进入锅炉系统的燃气量和空气量，从而调整总热量值。
交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类，本例使用的是异步电动机，其转速表达式为：
式中n一转速；
f一电源频率；
p一定子绕组极对数；
s一异步电动机转差率。
由此可见，交流电动机的转速与电源频率成正比，通过变频装置将电网50Hz的固定频率转换成可调频率，即可实现交流电动机的无级调速。
7燃烧过程的自寻优控制
根据然烧理论，锅炉在运行时应该保证最佳的空气燃气比，即过量空气系数口保持最佳值。在锅炉运行中，影响热效率的主要因素是化学不完全燃烧热损失和排烟损失，这两项与过量空气系数a的关系如图6所示。
图6锅炉热效率与过剩空气系数的关系曲线
在锅炉运行中，采集烟气中的氧含量和烟气温度，调整空气燃气比，即过剩空气系数，使锅炉一直运行在最适燃烧区。
8结论
在实际应用中，供暖用热水锅炉采用远程监测与控制的主要优点有：
(1)提高系统的安全性，保证系统能够正常运行；
(2)全面监测并记录各运行参数，降低运行人员工作量，提高管理水平；
(3)对燃烧过程和热水循环过程进行有效的控制调节，提高锅炉效率，节省运行能耗，并减少大气污染。
实践证明该系统运行稳定、安全、可靠、节能，且系统记录了大量的运行数据，对今后热网调控提供了重要的参考数据。
参考文献
马云峰S7一200PLC与调制解调器的通信程序设计.潍坊学院学报，2002,2(6).
SIMENENSCO.SIMATICS7一200ProgrammableControllerSystemManual．2002,(4)．
蔡建军，等．基于PLC和变频调速的供暖锅炉控制系统设计.仪器仪表用户，2004,(2)