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由于工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此在鍋爐正常運(yùn)行過(guò)程中，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較多，且數(shù)據(jù)受鍋爐負(fù)荷影響較大，呈非線(xiàn)性變化，給鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工作帶來(lái)了難度。從目前情況來(lái)看，我國(guó)鍋爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的技術(shù)差距，例如數(shù)據(jù)信息較為分散、記錄處理不及時(shí)、人機(jī)交互不友善等，增加了工作人員的工作量，不僅影響了鍋爐運(yùn)行效率，且容易發(fā)生運(yùn)行事故。為克服上述技術(shù)缺陷，本文提出了通用型鍋爐安全與節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集裝置，以期能夠提升工業(yè)鍋爐的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)水平。
1、工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述
工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集方式可分為兩種——有線(xiàn)傳輸和無(wú)線(xiàn)傳輸。由于工業(yè)鍋爐作業(yè)環(huán)境大多數(shù)位于偏遠(yuǎn)區(qū)域，且地理分布較廣，若選擇有線(xiàn)傳輸?shù)姆绞綍?huì)增加施工量和施工成本，不利于數(shù)據(jù)采集的統(tǒng)一集中管理。
因此，本次研究中，對(duì)鍋爐監(jiān)測(cè)參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞?，即GPRS無(wú)線(xiàn)服務(wù)，該項(xiàng)技術(shù)既能提高資源的利用率和傳輸速度，又可節(jié)省傳輸費(fèi)用。本次研究所需采集的鍋爐實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息包括給水流量、蒸汽機(jī)蒸汽流量、溫度、煙氣含氧量、壓力等數(shù)值。對(duì)鍋爐監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行采集時(shí)，主要以在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集器指令為依據(jù)，采集器每隔5min自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將設(shè)置在鍋爐各元件部位的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后進(jìn)行校對(duì)與核對(duì)，將其加密后經(jīng)總線(xiàn)傳輸至采集系統(tǒng)模塊，zui后經(jīng)模塊將數(shù)據(jù)輸入監(jiān)測(cè)中心的終端計(jì)算機(jī)，根據(jù)監(jiān)測(cè)中心對(duì)接收到的數(shù)
據(jù)予以深度處理，達(dá)到對(duì)工業(yè)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并保障鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定與安全。
2、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)分析
2.1 設(shè)計(jì)與架構(gòu)
工業(yè)鍋爐屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型特種設(shè)備，一旦運(yùn)行出現(xiàn)故障將導(dǎo)為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本次研究的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集裝置以先進(jìn)實(shí)用、安全穩(wěn)定的原則為理念，在鍋爐無(wú)人值守的狀態(tài)下仍可保證照常運(yùn)行，這種裝置在原有鍋爐和新安裝的鍋爐中均能通用，監(jiān)測(cè)時(shí)只需在鍋爐重要元件部位加裝傳感器等必要裝備即可使用。但在加裝過(guò)程中需對(duì)傳感器安裝的可行性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、傳輸方式的穩(wěn)定性有充分考慮。若采用將數(shù)據(jù)采集模塊直接并入到儀表信號(hào)端的接線(xiàn)方式，雖然可對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，但所采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)衰減，因此這種接線(xiàn)法實(shí)用性較低。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，本
次研究所采用的接線(xiàn)法為信號(hào)分配法，配置一入兩出隔離器，將信號(hào)分為兩路：一路傳輸給現(xiàn)場(chǎng)儀表；一路連接到數(shù)據(jù)采集器。通過(guò)串行通信線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳送至GPRS模塊，再以無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。
2.2 監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀
目前，我國(guó)工業(yè)鍋爐設(shè)備存在許多弊端，例如自動(dòng)化、機(jī)械化程度較低，且能耗大、對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染，同時(shí)鍋爐技術(shù)人員操作水平和綜合素質(zhì)良莠不齊，缺乏積極的責(zé)任心，對(duì)爐內(nèi)壓力、溫度、水位等非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)參數(shù)缺乏嚴(yán)格監(jiān)控，極易導(dǎo)致安全事故。從現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)平臺(tái)或手段來(lái)分析，受限于工業(yè)鍋爐數(shù)量、容量、分布散點(diǎn)等因素影響，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)所有工業(yè)鍋爐基本運(yùn)行信息和安全節(jié)能信息數(shù)據(jù)得不到全面監(jiān)測(cè)和獲取，無(wú)疑增加了安全監(jiān)察和能耗測(cè)定等工作的難度。
衡量鍋爐是否達(dá)到國(guó)家要求的節(jié)能運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)檢測(cè)方法為現(xiàn)場(chǎng)能效測(cè)試，由測(cè)試人員根據(jù)結(jié)果開(kāi)出評(píng)定書(shū)，并提出改進(jìn)效能的方案。由于鍋爐運(yùn)行過(guò)程符合非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)特征，大部分鍋爐在采取整改方案后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行又會(huì)出現(xiàn)能效降低的現(xiàn)象。此外，在能效測(cè)試過(guò)程中通常以人工現(xiàn)場(chǎng)記錄的方式為主，可能會(huì)存在漏記、錯(cuò)記等狀況，影響鍋爐動(dòng)態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確性和有效性。因此要讓鍋爐長(zhǎng)期保持能效運(yùn)行，必須加強(qiáng)日常安全與節(jié)能數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并按周期對(duì)運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整。
3、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件技術(shù)方案
以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主導(dǎo)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是解決鍋爐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真的關(guān)鍵方案，通過(guò)在鍋爐運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器，將運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)傳送至遠(yuǎn)程管理平臺(tái)后可進(jìn)行深入分析計(jì)算，并對(duì)鍋爐安全性能以及能效指標(biāo)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，以互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為載體，發(fā)布鍋爐的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況。本次研究所采用的硬件技術(shù)方案包括以下元件：開(kāi)關(guān)信號(hào)采集裝置、模擬信號(hào)采集裝置、UPS電源裝置、網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置、存儲(chǔ)裝置、通信裝置、電源轉(zhuǎn)換裝置、報(bào)警裝置、PLC微控制器、傳感器。接線(xiàn)方式為：開(kāi)關(guān)信號(hào)采集裝置的輸出端與輸入端分別連接鍋爐PLC微控制器和控制柜；模擬信號(hào)采集裝置的輸出端與輸入端分別連接傳感器和PLC微控制器，電源轉(zhuǎn)換裝置、存儲(chǔ)裝置、通信裝置、報(bào)警裝置均連接到PLC微控制器；UPS電源裝置分別與電源轉(zhuǎn)換裝置的輸入端和傳感器電源連接；通信裝置與網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置互連。
3.1 元件細(xì)分類(lèi)別
3.1.1 在鍋爐現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，傳感器又包括位于爐
尾煙道口的煙氣測(cè)溫傳感器、測(cè)氧傳感器，位于出汽口的蒸汽測(cè)壓傳感器，位于蒸汽管道上的蒸汽測(cè)溫傳感器和流量傳感器，位于給水管道上的水溫傳感器以及鍋爐房?jī)?nèi)的室內(nèi)溫度傳感器。
3.1.2 模擬信號(hào)采集裝置包括I/V轉(zhuǎn)換電路、防干擾信號(hào)的濾波電路以及線(xiàn)性光耦隔離電路。
3.1.3 開(kāi)關(guān)信號(hào)包括綜合報(bào)警信號(hào)、超水位報(bào)警信號(hào)、水位不足報(bào)警信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)、大火和小火燃燒信號(hào)、壓力負(fù)荷信號(hào)，通過(guò)開(kāi)關(guān)信號(hào)采集裝置從鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)的接觸器和繼電器提取相關(guān)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。
3.1.4 存儲(chǔ)裝置包括存儲(chǔ)鍋爐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)存卡（SD卡或TF卡）以及接口電路。
3.1.5 通信裝置包括連接網(wǎng)絡(luò)的傳輸裝置和主控器通信接口電路。
3.1.6 報(bào)警裝置包括報(bào)警電路和LED顯示電路。
3.1.7 電源轉(zhuǎn)換裝置包括降壓穩(wěn)壓電路、去耦電路、電壓檢測(cè)線(xiàn)路。
3.2 數(shù)據(jù)采集裝置選型
按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各方面進(jìn)行綜合考慮后，本次研究決定選用DAM3059數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置有8路模擬信號(hào)輸入，輸入信號(hào)既可以是電壓信號(hào)，也可以是電流信號(hào)，通信接口設(shè)為RS-485，在輸入、電源、通信等方面均做了完善的保護(hù)措施，保證裝置能正常穩(wěn)定地運(yùn)行。
該裝置有體積小、便于安裝調(diào)試的優(yōu)勢(shì)，能有效滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)實(shí)時(shí)采集的需求，并可與監(jiān)測(cè)中心通信，保障鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行安全。
3.3 無(wú)線(xiàn)通信裝置
由于鍋爐設(shè)備分布地點(diǎn)較為分散，采用有線(xiàn)通信有一定的局限性，GPRS無(wú)線(xiàn)通信具有建設(shè)周期短、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)鍋爐系統(tǒng)的安全與節(jié)能要求進(jìn)行分析后，本次研究選用CM3160EP GPRS DTU作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。該裝置可提供RS-485、USB、TTL等接口，能直接連接到客戶(hù)端串口或USB，且支持雙數(shù)據(jù)備份，具備傳輸穩(wěn)定、鏈路通暢、終端*在線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。
3.4 設(shè)備控制
3.4.1 D/A轉(zhuǎn)換。主要用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外部變頻器的控制，系統(tǒng)所采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，變頻器控制的電流信號(hào)輸出通常以4～20mA為準(zhǔn)，輸出通道電壓信號(hào)以MAX521為準(zhǔn)，采用電流變送器AD694構(gòu)建電流信號(hào)輸出通道，輸出0～10mA和4～20mA的量程電流。
3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換。壓力和水位傳感器均采用接觸式傳感器，由于導(dǎo)電性受水和金屬的接觸影響，鍋爐長(zhǎng)期使用會(huì)存在諸多水垢，降低傳感器導(dǎo)電性能，水位與電極接觸時(shí)，電壓波動(dòng)幅度較大，在對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量時(shí)將開(kāi)關(guān)量信息作為判斷電極導(dǎo)通情況的標(biāo)準(zhǔn)并非*，因此通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器可將電極電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以數(shù)字量大小對(duì)電極導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行判斷。水位和壓力變送傳感器所傳送的模擬信號(hào)為4～20mA，數(shù)字信號(hào)則由單片機(jī)接收，因此需要通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（1～5V），再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（A/D轉(zhuǎn)換），采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則以12位串行轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，0～4.095轉(zhuǎn)換值對(duì)應(yīng)0～5V的電壓模擬量。
4、監(jiān)測(cè)中心設(shè)計(jì)
4.1 鍋爐安全運(yùn)行控制
監(jiān)測(cè)中心控制臺(tái)屬于系統(tǒng)上位機(jī)程序，一方面，可通過(guò)RS485串行通信，接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)（包括溫度、壓力值、水位狀態(tài)等），并將其保存在控制臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以L(fǎng)ED顯示屏顯示；另一方面，可對(duì)數(shù)據(jù)采集通道進(jìn)行設(shè)置，例如變送器極*程以及上下限位的報(bào)警設(shè)置，與下位機(jī)通信，對(duì)鍋爐運(yùn)行的安全性進(jìn)行有效控制。
4.2 網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端遠(yuǎn)程監(jiān)控
本地客戶(hù)端對(duì)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)可通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行，訪(fǎng)問(wèn)界面與控制臺(tái)界面類(lèi)似，監(jiān)控人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)GPRS數(shù)據(jù)接收服務(wù)器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，準(zhǔn)確了解鍋爐運(yùn)行信息，由GPRS發(fā)送的鍋爐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行多點(diǎn)處理，通常情況下可處理10個(gè)或更多的設(shè)備信息數(shù)據(jù)，且客戶(hù)端能提供地圖功能（GIS），能有效提升鍋爐使用單位的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)能力。
蒸汽流量計(jì)
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