卡环弯制收稿日期:2010-07-22
基金项目：贵州省科技创新基金资助项目(黔科合计字(2006)5008号)
作者简介：章俊华(1963 )，女，工学学士，高级工程师，主要研究方向为自动控制系统及电子信息技术；王义(1957 )，男，教授，博士，主要研究方向为控制理论与控制工程、电路与系统；朱理(1978 )，男，理学学士，工程师，主要研究方向为电子电路的设计研究与应用。 章俊华1
，王 义2
，朱 理
1
(1.贵州省电子产品监督检验所，贵州贵阳 550081;2.贵州师范大学物理与电子科学学院，贵州贵阳 550001)
玻璃门夹摘要：基于PLC 、触摸屏人机界面、工控机进行系统设计，实现了从锅炉启动、运行到停炉整个过程的全自动控制，并通过设计两级监控、三级安全保护措施和故障自诊断，提高了锅炉运行的稳定性、安全性和可靠性，达到了对燃气蒸汽供暖锅炉运行的有效控制和管理，降低了能耗。关键词：燃气蒸汽供暖锅炉；智能控制；现场总线；故障诊断；热效率
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2010)10-0063-04
Desi gn and I mple mentation of Gas Stea m Heati ng Boil er Intelligent Control Syste m
ZHANG Jun -hua 1,WANG Y i 2,ZHU L i 1
(1.G u i zhou E l ectronic P roduct Superv i sion and T esti ng Bureau ,G uiyang 550081,Chi na ;2.Schoo l o f P hys i cs and Electronic Sc ience ,G uizhou N or m a lU n i versity ,G u i yang 550001,Ch i na)
Abst ract :A contro l syste m based on PLC ,hu m an m achine i n terface and I PC is desi g ned ,w hich can rea lize au -to m atic contr o l of the who le process fro m the bo iler start and run to shutdo w n .The bo iler operati o n stab ility ,safety and reliability are i m proved ,v ia desi g n w ith t w o levels ofm on itor i n g and the t h ree levels of safety pr o tec -ti n g m easures and fa il u re d iagnos
is by sel.f The effective control and m anage m ent of gas stea m heati n g bo iler operation are ach ieved ,and energy consum pti o n is reduced .K ey w ords :gas stea m heating boiler ;inte lligent contr o ;l fie l d -bus ;fau lt diagnosis ;ther m a l e fficiency 燃气蒸汽供暖锅炉，是使用燃气作为能源，产生蒸汽，通过管道输送蒸汽为建筑物内提供热能的锅炉。民用的供暖锅炉，一般为中小型锅炉，锅炉房通常由2~4台锅炉组成。受锅炉生产企业电控技术水平的限制，锅炉控制器一般为简单的电气元件组成的逻辑控制器，有部分锅炉生产厂家配置了PLC 控制器。笔者专门针对居民密集区的燃气蒸汽供暖锅炉房，设计了一套基于PLC +触摸屏人机界面+工控机的燃气蒸汽供暖锅炉控制系统，有效地保障了锅炉运行的安全稳定性，节省了燃气消耗量，降低了操作人员的劳动强度。
1 系统总体设计
1.1 工作原理及技术要求
系统由PLC 可编程控制器和采样装置、输出驱动装置构成DDC 级控制，采集、控制燃气蒸汽锅炉的工艺参数和运行过程；工控机作为上位机接收DDC 级采集的水位、压力、温度等信息并显示、存储、打印，设置系统参数、组态，对锅炉的运行故障进行报警；根据实时采集的工艺参数和设置的系统参数对燃烧机和水泵实施智能控制，以提高热效率，达到节能效果；通过故障自诊断和联锁保护等技术，保障锅炉运行的安全性。
燃气易燃易爆，蒸汽锅炉属于压力容器，危险性大，因此要求控制系统提供足够的安全保障，以预防和避免起火、爆炸、干烧等安全事故的发生。
锅炉的发展趋势是采用计算机控制，实现机电一体化，并将安全保护与自动控制相结合，以改善劳动环境，降低劳动强度，提高管理水平。
锅炉能耗很高，燃气价格相对较高，因此应提高锅炉的热效率，降低能耗。1.2 技术方案
本系统选取基于日本OMRON 的PLC 、台湾H I T EC H 的触摸屏和研华的工控机组成集散控制方式，使系统既可单独控制单台锅炉运行，又可集中统一控制多台锅炉运行。
63 燃气蒸汽供暖锅炉控制系统的设计与实现
锅炉房的每一台锅炉都由两级控制系统控制。第1级为单机控制系统，在触摸屏人机界面及PLC 的控制下，可以独立地控制单台锅炉的运行；第2级为集中控制系统，在工控机及多台PLC 的控制下，可以同时控制和管理多台锅炉的运行。系统总体框图如图1所示，单机控制系统如图2太阳能安全帽
所示。
图1
系统总体框图
图2 单机控制系统框图
1.2.1 系统安全性和可靠性设计
系统结构上采用两级监控方式：第1级为触摸屏人机界面监控；第2级为工控机监控。其中任一级出现故障，另一级仍能正常工作。
对涉及安全性的参数(如蒸汽压力，当压力过高时会产生爆炸)，采用三重采样、三级控制。在蒸汽管道上共设计了两个压力传感器和一个压力开关来采集蒸汽压力值。在触摸屏和工控机中分别设置了3个梯级压力阀值，当触摸屏或工控机接收到实时的蒸汽压力值时，马上与阀值比较，若达到第1级压力高阀值时，发出 关大火、开小火 的指令；若达到第2级压力较高阀值时，发出 关燃烧机 指令，并声光报警；若达到第3级压力超高阀值时，发出 关燃烧机 指令，并声光报警，此时安装在管道上的压力开关也会动作，直接控制关掉燃烧机。
设计了故障自诊断功能，对关键的控制对象(如水泵、燃气燃烧机)和传感器信号线(如极低水位、极高水位)，能及时发现故障信息并进行联锁保护控制。
对燃烧机和水泵，设计了自动、手动控制方式，可以进行无扰切换。系统默认为自动，必要时可由操作员切换为手动。1.2.2 系统高效节能设计 对燃烧机燃烧过程进行智能控制，提高锅炉的热效率。
一是通过采集和分析锅炉的排烟温度判断锅炉的燃烧状况及换热效率。如果燃烧不正常，烟管将积炭
产生阻塞、产生二次燃烧，排烟温度会较快上升，锅炉热效率低下；如果燃烧机火焰过大，也会使排烟温度偏高，导致锅炉热效率低下。锅炉排烟温度的正常值一般为170~210 ，一旦超过210 ，系统自动调小燃烧机的火焰；若火焰调节后排烟温度继续上升，超过250 时，可能是由于烟管积炭阻塞产生二次燃烧，此时系统报警，提示 停炉检查烟管积炭 ，并控制燃烧机停机。
二是以蒸汽压力作为能量平衡的指标。锅炉的负荷调节理论上应是对蒸汽温度的调节，由于蒸汽温度的检测与控制较难实现及时和准确的要求，而饱和蒸汽的压力与温度之间存在唯一的对应值关系，故锅炉的负荷调节可以通过直接对蒸汽压力进行调节来实现。系统动态地根据蒸汽压力的变化，实时调节燃烧机的燃气输入量和送风量，实现了燃气的充分燃烧和热量的充分利用，提高了热效率。
对汽包水位进行智能控制，维持锅炉进出水量的平衡。以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过
调整进水量达到进出平衡，将汽包水位控制在汽水分离界面的汽包中位线附近，从而提高锅炉的蒸发效率。
米勒板
以上设计，在实现自动控制的同时，对锅炉的安全、可靠运行和节能降耗提供了技术保障。
2 硬件设计
系统硬件主要由采样装置(含传感器、变送器、模拟量输入模块等)、PLC 控制器、触摸屏人机界面(含
软键盘、显示器)、工控机系统(含键盘、显示器、UPS 、打印机)、输出驱动装置及现场总线等组成。2.1 采样装置2.1.1 模拟量采样装置
模拟量采样装置主要包括温度传感器及变送器、压力传感器及变送器、日本OMRON 公司的PLC 模拟量输入模块CP M 1A-AD041。
由于温度变送器和压力变送器需安装在锅炉本体上，与控制柜有一定的距离，并且锅炉房现场的电磁干扰较强，故选用电流输出型变送器，输出信号范围4~20mA 。
CP M 1A-AD041包含4路16位A /D 转换器，输入信
64 测控技术 2010年第29卷第10期
号可为电压或电流(可选0~20mA 或4~20mA)。对于4~20mA 的输入对应的输出数据为0000H ~1770H；当输入电流在3.2~4mA 时，使用补码来表示转换数据；若输入电流小于3.2mA，断线检测功能被激活并输出数据8000H 。因此,CP M 1A-AD041既用作高精度的模数转换，同时用作温度、压力输入通道的断线故障自检。图3为模拟量采样装置电路，其中信号线采用屏蔽双绞线，但不连接屏蔽层,
以提高抗干扰能力。
图3 模拟量采样装置
2.1.2 开关量采样装置
开关量采样装置主要包括水位传感器、故障探测装置等。水位传感器选用日本O MRON 的61F-G3，接4路水位电极输入，分别是：极高水位、高水位、低水位、极低水位。输出为4路开关量，直接与PL
C 的开关量输入口相连。61F -G3也带有输入断线检测功能,
可自检水位传感器通道故障。
水泵工作状态及故障探测装置：在进水管道上安装流速开关，水泵工作时水流速较快，开关闭合；水泵不工作时，水流速为0，开关断开。当系统送出水泵开启指令，但流速开关断开，可判为水泵故障；当系统送出水泵停止指令，但流速开关闭合，也判为水泵故障。2.2 燃烧机模块
燃烧机模块中包含了燃烧机主控制器、风门控制器及检漏装置、火焰探测器等。电路原理如图4所示。其中KA3为PLC 输出的 燃烧机电源 控制信号驱动继电器的常开触点;KA5为PLC 输出的 燃烧机复位 ;KA4为PLC 输出的 燃烧机启动 ;KA6为PLC 输出的 大火/小火 ，通过风门控制器控制送风量，通过燃气电磁阀组控制燃气输入量。KA8、KA11、KA12构成联锁保护，当蒸汽压力超高或燃气压力过低或系统有任何越限报警时，即使PLC 输出 燃烧机启动 指令，燃烧机主控制器也不能收到 启动 。当检漏装置检测出燃气电磁阀组有燃气泄漏时，立即通过K19向PLC 发出 检漏故障 指令，同时断开燃烧机主控制器的 启动 信号。燃烧机启动过程完成，通过KA17向PLC 发信号。燃烧机点火后，火焰传感器工作，若火焰熄灭或异常，燃烧机主控制器立即通过KA16向PLC 发信号,
同时控制燃烧机复位。
图4 燃烧机模块原理图
2.3 PLC 可编程序控制器
PLC 可编程序控制器是单机控制系统的核心，是整个系统的基础控制单元，本系统选用日本OMRON 的CP M 2A-40CDR-A 。它具有24路开关量输入,16路开关量输出,1个I/O 扩展接口,2个外设口。日本
OMRON 的PLC 在工业恶劣环境中使用的平均无故障时间长达100000h(10Y 以上)，可靠性极高。2.4 工控机单元
工控机通过现场总线与多台PLC 构成集中控制系统，可以直接控制多台锅炉的运行。理论上，一台研
65 燃气蒸汽供暖锅炉控制系统的设计与实现
华工控机可以通过RS485总线与128台OMRON 的PLC 相连，考虑到系统的容错性及可靠性，实际应用中将其与4台PLC 相连。
3 软件设计
软件设计主要为两部分:PLC 控制软件和工控机监控管理软件。软件设计的原则是：实现系统功能；具有充分的容错性和抗干扰能力；界面美观，操作简便，人性化；采用模块化结构，具有可扩展性。3.1 PLC 控制软件
PLC 控制软件是基于OMRON 公司的CX-PRO -GRAMMER 2.0进行编制的，每台PLC 控制一台锅炉，为便于工控机识别和管理，在PLC 中设置本机地址码。控制软件主要实现现场参数的采集和对执行机构的控制。PLC 软件流程如图5
所示。
图5 PLC 软件流程
3.1.1 模拟量采集程序
PLC 通过CP M 1A-AD041对一路排烟温度和两路蒸汽压力进行采样。CP M 1A-AD041只有在控制字设定后才会开始转换，开始转换后，未使用的通道值将为0000H，已经使用的通道若无输入信号，其值将为8000H 。
上电后,PLC 将延时10s ，等待CP M 1A-AD041稳定，再将控制字写入，启动A /D 转换。A /D 转换启动后，延时0.1s 去抖动，读取排烟温度和两路蒸汽压力值，转换为对应的温度值和压力值的BCD 码，存储于D M 区。触摸屏和工控机每隔1s 从PLC 的DM 区读取数值，刷新显示数据。其中排烟温度使用第1路，数据地址为02CH，控制地址为12C H，控制字为806E H
(不用第2路；使用平均值；量程为4~20mA )；两路蒸汽压力分别使用A /D 模块的第3、4路，数据地址为04C H 、05C H，控制地址为13C H，控制字为80EEH 。
若PLC 读取的值为8000H，则PLC 输出报警信号驱动蜂鸣器发出故障报警声；触摸屏和工控机读取数值判为8000H 时，在屏幕显示 温度/压力传感器故障，停炉检查 ;PLC 执行停炉控制程序，复位燃烧
机。3.1.2 燃烧机控制程序
燃烧机控制分自动、手动。燃烧过程控制分启动及点火、燃烧、停炉。
启动：点击触摸屏或工控机的燃烧机 启动 软按钮,PLC 收到指令，控制燃烧机进行炉膛吹扫、燃气检漏，同时进行气压检测，若一切正常，控制点火并进行火焰监测。若有异常(如燃气阀组泄漏、燃气气压偏低、燃烧火焰熄灭等)，则停止启动，关闭燃气电磁阀，复位燃烧机并报警。
燃烧控制程序:PLC 收到 启动完成 信号后，转入燃烧控制程序。根据采集的蒸汽压力值，控制燃烧机的送风量，调节火焰大小。当压力在0.1MPa 以下，只允许开小火(此时若操作员误操作，按下大火软按钮，软件不响应，并显示 压力低，只能小火 )；压力在0.1MPa 以上且在设定高限值的85%以下时，自动开大火；压力大于高限值的85%时，自动转小火；当压力下降到高限值的65%时，自动转大火；当压力达到高限值时，自动关火，关闭燃气电磁阀，燃烧机复位。
手动方式：压力在0.1M Pa 和高限值之间时, 手动 方式可任意切换大、小火；其他情况，手动方式不起作用。
停炉：若处于大火状态则系统自动控制转小火后再复位燃烧机；若在启动过程中或在小火状态下则直接关闭燃气电磁阀，复位燃烧机。3.2 工控机监控管理软件
工控机监控管理软件主要完成与多台PLC 的实时通信、对工艺参数进行设置、动态图文显示、数据分析存储、选择控制方案、通过PLC 控制锅炉按最佳模式运行、查询统计、报表打印。监控管理软件包含了人员权限管理、多机通信、数据接收与分析、动态图文显示、报警、优化控制方案的选择与控制命令的发出、故障维修指南、参数趋势图、报警信息统计、报表打印等模块，在组态王6.02的基础上进行编程，充分利用了组态王6.02的控件及W I N 2000中的Acti v e 控件，解决了组态王6.02与M icrosoft Access 数据库的链接。监控管理软件的开发环境：操作系统采用M icroso ft W i n do w s 2000Server ；数据库采用M icrosoft Access ；组态工具采用北京亚控科技公司的组态王6.02(128点)。工控机软件流程如图6所示。(下转第69页)
66 测控技术 2010年第29卷第10期
//读取当前线程的优先级
混凝土泊松比l ong thread_priority =G et ThreadP r i o rity(G et Current T hread张紧轮
());
//取CPU 的频率，若硬件不支持则返回FALSE if(!Q ue ryP erfor m anceFrequency(&T _frequence))
M essageBox(0, Y our co m puter hard w are doesn t support
the h i gh -resoluti on perfo r m ance coun ter , N o t suppo rt ,0);
//通过频率换算微秒数到对应的数量(与CPU 时钟有
关),1s=1000000 s ;
T _test .Q uadP art=T _frequence .Q uadP art *T _Interval/
1000000;
//取得定时器程序运行前的计数器数值 QueryP erfor m anceCounte r(&T _pr i v i ous); T _current=T _pri v ious ;
//反复循环，一直到到计数器数值到达指定值
wh ile(T _current
.Q uadP art-T _priv i ous .Q uadP art<T _test .Q uadP art )
QueryP erfor m anceCounte r(&T _current);
T _e lapse .Q uadP art=T _current .QuadPart-T _priv i ous .Q uadP art ;
return T _elapse ;
}
3 实验与应用
该方案应用在某型舵机电动缸加载等项目上，取得了很好的效果，经过试验验证，定时器精度可以达到
0.1m s ，图2为设备输出周期为0.1m s 稳定方波的示波器截图，完全可以满足系统对实时性的要求。其中，示波器型号为泰克TDS2012B
。
图2 系统实时性验证的示波器截图
4 结束语
该方案解决了低成本控制系统对实时性的要求,
可以大幅降低系统开发的成本和时间周期，同时可实
现标准的W i n dow s 人机界面，在控制系统领域有着广泛的应用前景。参考文献:
[1] 刘涛.V i sua l C++制作控制系统中微秒级精度定时器[J/
O L].[2006-01-16].h ttp ://dig.i it .sohu /20060119/n241509468.sht m.l [2] 秦奋涛.W i ndo i w s 2000/XP 的线程调度[J].福建电脑,
2004(3).
[3] 符文星，孙力，于云峰，等.电动负载模拟器控制系统设计
[J].西北工业大学学报,2008,26(5):621-625.
(上接第66页)
图6 工控机软件流程
4 结束语
随着我国经济的快速和持续发展，能源供应与需求之间的矛盾日益显著，锅炉作为我国主要的耗能大户，做好节能工作显得非常重要。本系统已在某省城的市政府锅炉房成功使用，由于长期使用安全稳定无故障，节能效果显著，操作简便，深得用户好评。参考文献:
[1] 杜永明.现代燃气(油)锅炉使用手册[M ].北京：中国大地出版社,2003.
[2] 劳动部.蒸汽锅炉安全技术监察规程[S].1996.
[3] 李福民，王琦飞.燃气锅炉节能技术[J].科学决策,2008
(11).[4] 肖梅林，赵新强，刘卫芳，等.燃气供热锅炉不完全燃烧的
调整[J].煤气与热力,2009,29(5).
69 基于W i n XP 的实时控制在某舵机电动缸加载中的研究和应用
