PDF《锅炉监控系统的设计和实现》

锅炉监控系统的设计和实现 The design and realization of boiler monitor system 林燕凌 居滋培 (上海理工大学电气工程学院,上海 200093) 摘要:以某轮胎公司的锅炉为例,介绍基于 VB6.

0 的锅炉监控系统对传统仪表锅炉的改造.阐述了该锅 炉监控系统的组成及基于 VB6.0 的锅炉监控系统的关键技术和算法.该系统具有数据采集、实时控制、在 线查询、通信打印等功能.系统操作简单.在一定的范围内系统可以根据实际的需要进行软硬件的配置, 拓展性强. 关键词:锅炉 监控系统 VB6.0 工控软件 Abstract: Setting the boiler of a company as an example, introducing the alteration of traditional instrument boiler using boiler monitor system based on VB6.0. This paper expounds the pivotal technique, control arithmetic and the composing of the boiler monitor system. This system has the functions of, such as, data collection, real time control, query on-line, communication and mimeograph. Operation of this system is simple. Within a certain range, the software and hardware of the system can be configured when wanted. The adaptability of the system is good. Keywords: Boiler Monitor system VB6.0 Industrial control software

0 引言 据上海市调查统计,上海市以老仪表控制的

20 吨以下锅炉有

650 多台.其中许多锅炉 的炉龄较长,采用老的指针式仪表控制,不仅外观不美,控制效果和精度更不言而喻了. 导致这些工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染大、品质低下的生产状态.许多企业 都希望能改变这种现状. 本文以某轮胎公司的锅炉改造为例,介绍基于 VB6.0 的锅炉监控系统对传统仪表锅炉 的改造.改造后的锅炉系统采用数字 PID 控制,可以根据需要在线修改控制参数,系统实 时监测,并且集成了数据库管理系统,结束了老式仪表锅炉控制分散、无数据记录或需人工 记录的历史.

1 系统的组成 系统以 Visual Basic 6.0 作为开发平台,是集数据采集、实时控制、在线查询、通信打印 等功能为一体的锅炉监控系统.系统由

4 个子系统构成,分别是数据采集反馈子系统、锅炉 调节子系统、显示操作子系统、数据库管理子系统.各个子系统之间界限明晰,通过标准的 接口协议对数据进行传输. 1.1 硬件设计 锅炉监控系统所处的工作环境恶劣, 且直接关系到锅炉的安全运行, 因此选择抗干扰能 力强、稳定性能好的工控机作为主机.在保留原有的执行机构及传感器的基础上,由传感器 从现场采集被测的物理量响应,通过 PCI 总线卡(PCI-8320 输入输出总线卡)实现数据的 采集.图1为系统硬件结构图. 传感器

1 传感器 执行机构

1 执行机构 ... ... 工控机 操作终端 多功能总线卡 打印机 图1系统硬件结构图 1.2 软件设计 目前市场上存在各种各样的监控软件. 国外的组态软件功能强大价格高, 国内的组态软 件价格较低,但功能上也稍逊.例如数据库功能就不足.考虑各方面因素,采用通用性强、 功能强大的 VB6.0 作为开发平台设计的锅炉监控系统和专业的工控软件比较,具有实现灵 活、成本低的优点.图2为软件系统结构图. 锅炉 显示操作子系统 锅炉监控系统 数据库管理子系统 锅炉调节子系统 数据采集反馈子系统 图2软件系统结构图 图3锅炉监控系统人机界面 该锅炉监控系统主要实现

6 种功能. ① 人机界面:以系统的模拟图、虚拟仪表、数据表格、趋势曲线等丰富直观的形式显 示系统的信息,友好高效地完成用户和系统的交互操作,图3为系统人机界面. ② 数据采集与处理:PCI-8320多功能输入输出接口卡构成数据采集反馈子系统.测量 值由传感器经数据采集反馈子系统进入锅炉调节子系统. 处理后的控制量经过数据采集反馈 子系统输出给执行机构. ③ 越限报警:若数据出现越限情况,主界面报警灯闪烁,系统发出报警声. ④ 数据存储:实时采集数据存入数据库中的历史表,形成历史记录.当各个通道中有 控制量出现异常情况时,越限的数据及异常情况写入报警表,形成报警记录.历史记录和报 警记录可供操作者随时查询. ⑤ 权限细分:对监控系统的控制权进行细分,分为访问者和管理员.管理员以密码登 入系统,可在线修改控制参数.访问者只能监视锅炉系统的运行情况.权限的细分提高了系 统的可靠性. ⑥ 打印制表:历史记录和报警记录打印制表.

2 关键技术与算法 锅炉监控系统的技术难点主要体现在

3 个方面:利用 VB6.0 进行工控软件的编程、锅 炉控制算法的实现及数字滤波技术. 2.1 VB 工控软件的实现 ① 通信接口 在监控系统中, 各子系统之间要进行实时数据传递. 锅炉调节子系统采用调用动态链接 库的方式获取数据采集子系统数据.PCI-8KP.dll 是PCI-8320 数据采集卡配置的工作在 Windows98/2000/NT 环境下的一个动态链接库.在工程中添加模块对其封装的函数进行声 明, 系统运行时直接调用. 锅炉调节子系统与数据库管理子系统之间采用应用层数据访问接 口―ADO.在窗体中添加 ADO Data 控件, 监控程序通过 ADO 控件与数据源 Access 数据库 建立连接. ② 数据库的管理与查询 考虑到实现方便及性能的要求,系统采用 Microsoft Access 作为数据库管理系统.数据 库管理系统包含

3 张数据表:历史记录表、报警记录表及参数记录表.历史记录表存储锅炉 各通道的历史数据.报警记录表存储锅炉的异常情况.参数记录表存储锅炉控制参数.系统 中涉及到锅炉运行实时曲线、历史曲线、历史数据表、报警记录表等

图表显示.采用了 TextBox,DataGrid,DataList 等数据绑定控件显示数据库信息,并通过数据控件添加、删除 数据库中的内容. ③ 虚拟仪表与报警实现 作为工控软件, 友好高效的人机界面至关重要. 系统采用传统仪表与数字显示并存方式, 使数据的表达更加直观,符合操作者的习惯.在窗体中添加 ActiveX 控件 CWKnob 和CWBotton,修改控件的属性得到仪表的外形.在窗体的相应位置放置控件,设计好前面板 并在代码编辑窗口输入程序代码,完成虚拟仪表的设计.系统出现异常情况时,主界面的报 警灯闪烁,扬声器报警鸣笛.交替改变报警灯图片的 Visible 属性,使两张图片的交替显现, 实现闪烁效果. ④ 报表打印 系统涉及历史记录报表及报警记录报表的打印输出.选用 VB6.0 中特有的数据报表设 计器(Data Report Designer)实现数据报表的打印输出.数据报表设计器以 VB6.0 中数据环 境作为报表的数据源,直接对数据源中的数据进行报表式的输出.根据需要设置 DataReport 对象属性,检索报表结构,把对应的 Command 对象下的字段拖到数据报表设计器中相应的 分组标头部分,调整字段及各部分大小,完成报表设计.在设计环境中数据报表不能直接预 览或输出,因此在窗体中设置预览及打印按钮. 2.2 锅炉控制算法 锅炉的各控制回路均采用 PID 控制.为了便于计算机实现 PID 规律及提高控制效果, 采用改进式的增量式 PID 控制.由于锅炉是大滞后、多变量、非线性、时变动态系统,尤 其在汽包水位控制回路中还存在"虚假水位"现象, 因此系统中引入了积分分离及抗积分饱和 的思想. ① 积分分离:当偏差 ( ) s e kT 较大时,取消积分作用,当偏差较小时才将积分作用引入. 这样可以避免在系统惯性和滞后的作用下大偏差引起的大超调和长时间波动. 设置积分分离 阈值E0,当0()sekT E > 时,采用PD控制,可使超调量大幅度降低.当0()sekT E ≤ 时,采用 PID控制,可保证系统的控制精度.积分分离PID算法可表示为下式:

1 k s p s l i s d s s s j u kT K e kT K K e jT K e kT e kT T = ∑ ] ② 抗积分饱和:因偏差的长时间存在,PID 算式给出的控制量 u(k)有可能溢出,超出 数模转换器所能表示的数值范围.结果 PID 的输出值持续增大或减小,而执行器却无相应 的动作,这就造成积分饱和.在系统输出控制量之前进行限幅处理: 当时,取()0ukH ( ) 2n u k = n 为数模转换器字长 2.3 数字滤波技术 在测量流量、液位时信号经常夹杂着随即的干扰信号,采用算数平均滤波法,连续几个 采样值进行算术平均: ∑ = ? = N i i y N Y

1 1 其中 N 决定了滤波后信号的平滑程度.N 值较大,平滑度高灵敏度低.N 值较小平滑度低 灵敏度高.流量测量 N=8~12,压力测量 N=4.

3 结束语 基于VB 6.0的锅炉监控系统与原老式模拟仪表控制系统相比具有以下的几个特点:① 控制功能完善.新系统不仅能完成更加复杂的运算、逻辑控制,还加入锅炉信息控制系统, 保留完整的历史、报警数据,为锅炉的运行、维修、技术改造提供了依据;

② 集中显示操 作.微机显示屏和键盘取代了庞大的显示操作盘,过程信号以多种画面或数据形式显示,运 行员利用键盘操作,实现集中管理,提高了工作效率,减少了误操作;

③ 系统扩展灵活. 应用微机技术, 各种功能实现主要依靠软件通过公用硬件完成, 修改控制方案只要修改软接 线即可,系统升级更加灵活.综上所述,基于VB 6.0的锅炉监控系统的设计对其他工控系统 设计有一定的参考价值. 参考文献

1 孙秀权,唐健,于秀银,杨汝华编著.锅炉和工业炉窑实用计算机控制技术.北京:国防工业出版社,1993 年5月第一版

2 莫卫东,白鹏,张晓敏,张福萍.Visual Basic 6.0 高级编程技巧-ADO 数据访问篇.西安:西安交通大学出版社,2000 年1月第一版

3 李贵山,威德虎.PCI 局部总线开发者指南.西安:西安电子科技大学出版社,2003 年10 月第

2 版4韩璞.火电厂计算机监控与监测.北京:中国水利水电出版社,2005 年1月第一作者林燕凌,1983 年生,主要研究方向过程控制方法与装置.