基于GPRS的燃气锅炉烟气处理监控系统设计

冯冬梅，戴冬冰，张朋

（1.天津天狮学院信息科学与工程学院，天津 301700；2.清华大学天津高端装备研究院，天津 300300）

1 引言

燃气、矿物燃料等的燃烧是产生高品质热能的主要方式，被大量用于工业生产的各个领域。我国北方冬季供暖主要采用燃气锅炉直接燃烧天然气的供热方式，天然气燃烧产生的热量除直接用于供暖外，还有部分随含有大量的氮氧化物、水蒸气和雾气的低温热烟气排放到空气中形成白色烟羽，不仅存在热能损失还造成空气污染[1]。针对某地热采暖项目中燃气锅炉排放烟气，采用PLC、组态王和GPRS 无线传输技术进行余热利用及降温控制。系统可实现烟气温度及压缩机压力的实时监测，从而保证压缩机根据压力值正常启动，使烟气出口温度始终在设定的范围内，并能够将远程采集的数据完整发送于上位机监控，实现智能化管理。

2 系统结构设计

本系统需要监测烟道进口压力、压缩机冷凝压力、蒸发压力及烟道进出口等9 个点位的温度值，并根据一次侧热水出口温度及烟气出口温度对热水泵及烟气风机进行控制。所设计的PLC 控制系统结构如图1所示。

图1 PLC 控制系统结构

图1所示系统选用PLC 作为核心控制器，通过模拟量模块接收现场温度和压力传感器采集到的数据，并通过程序运算处理、输出，对压缩机、风机及热水泵的运行进行控制；通过组态王软件对监控画面进行设计，实时监测烟道各点位温度、压力值及下位机运行状态，并将各数据通过GPRS 无线通信装置传输给上位机，可实现参数值设定及报警。

3 硬件设计

3.1 硬件选型

为了保证烟气处理监控系统按照设计的控制逻辑工作，本系统采用西门子S7-200 系列CPU 226 型号的PLC 作为主控制器（I/O 点数为24/16），控制热水泵、烟气风机和报警装置正常工作。另搭配西门子模拟量输入输出模块EM235 接收压力传感器的信号及温度传感器检测到的温度值，并输出控制烟气风机及热水泵频率值的信号。变频器选用ABB ACS5107，5 kW 的规格，实现对电动机的变频调速。压缩机的主电路采用施耐德ATS22C41Q 软启动器进行控制，其额定功率220 kW，额定电压为400 V，额定电流为410 A。三线式PT100 铂热电阻被选作为温度传感器，用来检测系统中的温度值，检测范围为0～150 ℃，测量温度值范围在0～100 ℃[2]。根据系统中电机功率及电流计算值，接触器的型号选择为施耐德LC1D410M7C，继电器型号为欧姆龙G2R-2-SND DC24V。

本设计选用振鸿伟业研发的工业级4G 全网通DTU 产品ZHD780 作为无线传输通信模块。串口到网络的双向数据传输是通过4G 网络实现的。客户终端设备与服务器间的通讯方式采用了灵活的RS232/485 端子接口或者DB9 接线方式。

3.2 PLC 外部接线设计

通过系统整体结构设计及硬件选型，对PLC 进行接线设计，实现对烟气出口温度、压缩机压力的实时检测与控制，进而驱动输出机构动作。系统中有启动、停止、压力、温度等需要输入的信号，而热水泵电机、风机电机、压缩机等作为被控对象受输出信号控制，对PLC 进行I/O 地址分配，如表1所示。

表1 输入／输出分配表

本系统采用继电器作为中间过渡元件，结合小电流控制大电流的思想，将继电器线圈接到PLC 的输出点上，通过继电器的触点控制交流接触器线圈的得电与否，最后由交流接触器主触点控制电动机的启停[3]，PLC 的外部接线如图2所示。

图2 PLC 接线图

4 系统软件设计

此系统采用西门子Step7 V4.0 编程软件进行PLC 梯形图程序编写。结合系统结构设计和软件功能要求，完成系统软件流程设计。启动系统后，各功能模块完成初始化，进行手动、自动模式选择，以自动模式为例。PLC 从各传感器接收采集到的现场信号，并对数据进行分析、判断、处理，进而检测水流开关（L1、L2）的状态，如果未打开，则压缩机不可启动并发出报警提示“请打开热水泵”；如果L1、L2已打开，则开始判断压缩机的冷凝压力P2、蒸发压力P1以及P2与P1的差值是否在范围内，是则启动压缩机，否则调节压缩机调容阀进行减容（依次打开调容阀）直至停机并报送报警提示。压缩机启动后系统检测烟气出口温度T8的值是否在范围内，如在则系统正常运行，否则调节压缩机调容阀，当T8＜5 ℃时，依次打开3 个调容阀，T8＞10 ℃时，依次关闭调容阀对出口温度进行控制，直至该温度值稳定在范围之内结束调节，系统正常运行直至结束工作。

5 无线通信及监控画面设计

现场采集的数据将通过DTU 设备及无线网传输给上位机的组态王软件，实现对下位机的监控。

5.1 组网方案

本设计考虑到组网为上、下位机间交互且规模较小及应用到实际中的成本问题，选用了中心采用ADSL 和INTELNET 公网连接，公网固定IP 或者公网动态IP+DNS 解析服务的方案。此方案应先向INTERNET 运营商申请ADSL等宽带业务[4]。

5.2 DTU 参数配置

本设计中数据的无线传输由DTU 设备，通过PLC 与上位机实现。上位机中数据的显示和监控则主要通过定义的虚拟设备完成。打开2G/3G/4GDTU 参数配置软件，根据实际情况选择相应的串口号，本设计选择的是COM1 串口，波特率为9 600，停止位为1，校验位None。设置完毕，点击“一键读取”按钮，读取DTU 的配置信息和系统参数如图3所示。此时DTU 配置成功，关闭配置程序，避免程序之间造成冲突。

图3 DTU 的配置信息和系统参数

5.3 DTU 与服务器连接

“创建服务器”按钮被作为DTU 与服务器的连接键，打开后将“本机端口”设置为2 000，并将其与DTU 处的“主数据中心端口”设置成一致。创建完成后则点击“启动服务器”按钮，等待上线，当界面有数据串传输时则意味着连线成功。

5.4 组态画面设计

5.4.1 组态王串口设置

本设计中PLC 和组态王之间的通信方式使用的是GPRS 无线传输，要把它们关联起来则需要对组态王的串口进行设置。在通讯串口设置中，由于4G DTU 选用的控件为宏电TCP，因此组态王板卡中的设置选择莫迪康ModbusRTU，而不是常规的PPI 串口设置；为了保证组态王和上位机之间的正常通讯，在新建I/0 通讯设备时，选择宏电TCP 作为虚拟设备。

5.4.2 数据词典设置

通信设置成功后，想实现组态王对PLC 的监控，必须对数据词典进行设置。本设计中，Modbus 协议被用在了PLC和组态王的关联中。数据类型和偏移量的5 个字符的数值通常被写到Modbus 地址中。第一个字符通常决定数据类型，而最后4 个字符在数据类型中选择适当的数值。地址映射由Modbus 主设备实现，下列地址则由从站指令支持：离散输出Q0.0-Q15.7 对应的映射地址为00001 至00128；离散输入I0.0-I15.7 对应的映射地址为10001 至10128；模拟输入寄存器AIW0 到AIW62 对应的映射地址为30001 至30032；V 存储器的变量寄存器对应的映射地址则为40001至4xxxx。

5.4.3 监控画面的实现

画面的制作与动画连接部分与普通用PPI 连接一致，最终制作完成监控画面如图4所示。画面中主要包含以下4 个模块：温度、压力及水流开关状态监控模块，参数设定模块，热水泵、烟气风机及压缩机启停控制模块及报警模块。

图4 组态监控画面设计

6 结论

文中设计了基于PLC、组态监控技术和GPRS 无线通信的烟气处理监控系统。经在试验现场对水流开关（L1、L2）、压缩机3 个调容阀的状态、烟气出口温度T8、蒸发压力P1、冷凝压力P2及P2与P1的压差进行测试，系统运行稳定，现场采集数据可远程无线稳定地传输到上位机，并对现场设备运行情况进行有效监控。