基于GPRS的燃?xì)忮仩t煙氣處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮冬梅，戴冬冰，張朋

（1.天津天獅學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，天津 301700；2.清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津 300300）

1 引言

燃?xì)?、礦物燃料等的燃燒是產(chǎn)生高品質(zhì)熱能的主要方式，被大量用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。我國北方冬季供暖主要采用燃?xì)忮仩t直接燃燒天然氣的供熱方式，天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量除直接用于供暖外，還有部分隨含有大量的氮氧化物、水蒸氣和霧氣的低溫?zé)釤煔馀欧诺娇諝庵行纬砂咨珶熡?，不僅存在熱能損失還造成空氣污染[1]。針對某地?zé)岵膳?xiàng)目中燃?xì)忮仩t排放煙氣，采用PLC、組態(tài)王和GPRS 無線傳輸技術(shù)進(jìn)行余熱利用及降溫控制。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)煙氣溫度及壓縮機(jī)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而保證壓縮機(jī)根據(jù)壓力值正常啟動，使煙氣出口溫度始終在設(shè)定的范圍內(nèi)，并能夠?qū)⑦h(yuǎn)程采集的數(shù)據(jù)完整發(fā)送于上位機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要監(jiān)測煙道進(jìn)口壓力、壓縮機(jī)冷凝壓力、蒸發(fā)壓力及煙道進(jìn)出口等9 個(gè)點(diǎn)位的溫度值，并根據(jù)一次側(cè)熱水出口溫度及煙氣出口溫度對熱水泵及煙氣風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。所設(shè)計(jì)的PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示系統(tǒng)選用PLC 作為核心控制器，通過模擬量模塊接收現(xiàn)場溫度和壓力傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并通過程序運(yùn)算處理、輸出，對壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)及熱水泵的運(yùn)行進(jìn)行控制；通過組態(tài)王軟件對監(jiān)控畫面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測煙道各點(diǎn)位溫度、壓力值及下位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并將各數(shù)據(jù)通過GPRS 無線通信裝置傳輸給上位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)值設(shè)定及報(bào)警。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件選型

為了保證煙氣處理監(jiān)控系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)的控制邏輯工作，本系統(tǒng)采用西門子S7-200 系列CPU 226 型號的PLC 作為主控制器（I/O 點(diǎn)數(shù)為24/16），控制熱水泵、煙氣風(fēng)機(jī)和報(bào)警裝置正常工作。另搭配西門子模擬量輸入輸出模塊EM235 接收壓力傳感器的信號及溫度傳感器檢測到的溫度值，并輸出控制煙氣風(fēng)機(jī)及熱水泵頻率值的信號。變頻器選用ABB ACS5107，5 kW 的規(guī)格，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的變頻調(diào)速。壓縮機(jī)的主電路采用施耐德ATS22C41Q 軟啟動器進(jìn)行控制，其額定功率220 kW，額定電壓為400 V，額定電流為410 A。三線式PT100 鉑熱電阻被選作為溫度傳感器，用來檢測系統(tǒng)中的溫度值，檢測范圍為0～150 ℃，測量溫度值范圍在0～100 ℃[2]。根據(jù)系統(tǒng)中電機(jī)功率及電流計(jì)算值，接觸器的型號選擇為施耐德LC1D410M7C，繼電器型號為歐姆龍G2R-2-SND DC24V。

本設(shè)計(jì)選用振鴻偉業(yè)研發(fā)的工業(yè)級4G 全網(wǎng)通DTU 產(chǎn)品ZHD780 作為無線傳輸通信模塊。串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)傳輸是通過4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。客戶終端設(shè)備與服務(wù)器間的通訊方式采用了靈活的RS232/485 端子接口或者DB9 接線方式。

3.2 PLC 外部接線設(shè)計(jì)

通過系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及硬件選型，對PLC 進(jìn)行接線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對煙氣出口溫度、壓縮機(jī)壓力的實(shí)時(shí)檢測與控制，進(jìn)而驅(qū)動輸出機(jī)構(gòu)動作。系統(tǒng)中有啟動、停止、壓力、溫度等需要輸入的信號，而熱水泵電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)、壓縮機(jī)等作為被控對象受輸出信號控制，對PLC 進(jìn)行I/O 地址分配，如表1所示。

表1 輸入／輸出分配表

本系統(tǒng)采用繼電器作為中間過渡元件，結(jié)合小電流控制大電流的思想，將繼電器線圈接到PLC 的輸出點(diǎn)上，通過繼電器的觸點(diǎn)控制交流接觸器線圈的得電與否，最后由交流接觸器主觸點(diǎn)控制電動機(jī)的啟停[3]，PLC 的外部接線如圖2所示。

圖2 PLC 接線圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)采用西門子Step7 V4.0 編程軟件進(jìn)行PLC 梯形圖程序編寫。結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件功能要求，完成系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)。啟動系統(tǒng)后，各功能模塊完成初始化，進(jìn)行手動、自動模式選擇，以自動模式為例。PLC 從各傳感器接收采集到的現(xiàn)場信號，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、處理，進(jìn)而檢測水流開關(guān)（L1、L2）的狀態(tài)，如果未打開，則壓縮機(jī)不可啟動并發(fā)出報(bào)警提示“請打開熱水泵”；如果L1、L2已打開，則開始判斷壓縮機(jī)的冷凝壓力P2、蒸發(fā)壓力P1以及P2與P1的差值是否在范圍內(nèi)，是則啟動壓縮機(jī)，否則調(diào)節(jié)壓縮機(jī)調(diào)容閥進(jìn)行減容（依次打開調(diào)容閥）直至停機(jī)并報(bào)送報(bào)警提示。壓縮機(jī)啟動后系統(tǒng)檢測煙氣出口溫度T8的值是否在范圍內(nèi)，如在則系統(tǒng)正常運(yùn)行，否則調(diào)節(jié)壓縮機(jī)調(diào)容閥，當(dāng)T8＜5 ℃時(shí)，依次打開3 個(gè)調(diào)容閥，T8＞10 ℃時(shí)，依次關(guān)閉調(diào)容閥對出口溫度進(jìn)行控制，直至該溫度值穩(wěn)定在范圍之內(nèi)結(jié)束調(diào)節(jié)，系統(tǒng)正常運(yùn)行直至結(jié)束工作。

5 無線通信及監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)將通過DTU 設(shè)備及無線網(wǎng)傳輸給上位機(jī)的組態(tài)王軟件，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的監(jiān)控。

5.1 組網(wǎng)方案

本設(shè)計(jì)考慮到組網(wǎng)為上、下位機(jī)間交互且規(guī)模較小及應(yīng)用到實(shí)際中的成本問題，選用了中心采用ADSL 和INTELNET 公網(wǎng)連接，公網(wǎng)固定IP 或者公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS 解析服務(wù)的方案。此方案應(yīng)先向INTERNET 運(yùn)營商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)[4]。

5.2 DTU 參數(shù)配置

本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)的無線傳輸由DTU 設(shè)備，通過PLC 與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)中數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)控則主要通過定義的虛擬設(shè)備完成。打開2G/3G/4GDTU 參數(shù)配置軟件，根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的串口號，本設(shè)計(jì)選擇的是COM1 串口，波特率為9 600，停止位為1，校驗(yàn)位None。設(shè)置完畢，點(diǎn)擊“一鍵讀取”按鈕，讀取DTU 的配置信息和系統(tǒng)參數(shù)如圖3所示。此時(shí)DTU 配置成功，關(guān)閉配置程序，避免程序之間造成沖突。

圖3 DTU 的配置信息和系統(tǒng)參數(shù)

5.3 DTU 與服務(wù)器連接

“創(chuàng)建服務(wù)器”按鈕被作為DTU 與服務(wù)器的連接鍵，打開后將“本機(jī)端口”設(shè)置為2 000，并將其與DTU 處的“主數(shù)據(jù)中心端口”設(shè)置成一致。創(chuàng)建完成后則點(diǎn)擊“啟動服務(wù)器”按鈕，等待上線，當(dāng)界面有數(shù)據(jù)串傳輸時(shí)則意味著連線成功。

5.4 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

5.4.1 組態(tài)王串口設(shè)置

本設(shè)計(jì)中PLC 和組態(tài)王之間的通信方式使用的是GPRS 無線傳輸，要把它們關(guān)聯(lián)起來則需要對組態(tài)王的串口進(jìn)行設(shè)置。在通訊串口設(shè)置中，由于4G DTU 選用的控件為宏電TCP，因此組態(tài)王板卡中的設(shè)置選擇莫迪康ModbusRTU，而不是常規(guī)的PPI 串口設(shè)置；為了保證組態(tài)王和上位機(jī)之間的正常通訊，在新建I/0 通訊設(shè)備時(shí)，選擇宏電TCP 作為虛擬設(shè)備。

5.4.2 數(shù)據(jù)詞典設(shè)置

通信設(shè)置成功后，想實(shí)現(xiàn)組態(tài)王對PLC 的監(jiān)控，必須對數(shù)據(jù)詞典進(jìn)行設(shè)置。本設(shè)計(jì)中，Modbus 協(xié)議被用在了PLC和組態(tài)王的關(guān)聯(lián)中。數(shù)據(jù)類型和偏移量的5 個(gè)字符的數(shù)值通常被寫到Modbus 地址中。第一個(gè)字符通常決定數(shù)據(jù)類型，而最后4 個(gè)字符在數(shù)據(jù)類型中選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值。地址映射由Modbus 主設(shè)備實(shí)現(xiàn)，下列地址則由從站指令支持：離散輸出Q0.0-Q15.7 對應(yīng)的映射地址為00001 至00128；離散輸入I0.0-I15.7 對應(yīng)的映射地址為10001 至10128；模擬輸入寄存器AIW0 到AIW62 對應(yīng)的映射地址為30001 至30032；V 存儲器的變量寄存器對應(yīng)的映射地址則為40001至4xxxx。

5.4.3 監(jiān)控畫面的實(shí)現(xiàn)

畫面的制作與動畫連接部分與普通用PPI 連接一致，最終制作完成監(jiān)控畫面如圖4所示。畫面中主要包含以下4 個(gè)模塊：溫度、壓力及水流開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控模塊，參數(shù)設(shè)定模塊，熱水泵、煙氣風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)啟?？刂颇K及報(bào)警模塊。

圖4 組態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

6 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了基于PLC、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)和GPRS 無線通信的煙氣處理監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)在試驗(yàn)現(xiàn)場對水流開關(guān)（L1、L2）、壓縮機(jī)3 個(gè)調(diào)容閥的狀態(tài)、煙氣出口溫度T8、蒸發(fā)壓力P1、冷凝壓力P2及P2與P1的壓差進(jìn)行測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程無線穩(wěn)定地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行有效監(jiān)控。