基于GPRS的燃氣鍋爐煙氣處理監控系統設計

馮冬梅 戴冬冰 張朋

【摘? 要】針對供暖鍋爐排放的煙氣含有余熱及有害氣體，造成能源浪費及空氣污染的現象，論文設計了基于PLC、組態王及GPRS的煙氣處理監控系統，介紹了系統結構設計，具體闡述硬件、軟件、監控畫面及數據無線傳輸設計。針對鍋爐煙氣處理系統可視化及監控不便的問題，論文提出在原有系統基礎上采用GPRS無線傳輸及組態王監控畫面結合的方式，建立煙氣處理的遠程監控。結果表明，系統可以遠程對壓縮機啟停、煙氣出口溫度等進行準確控制，且操作簡便，具有較高的可視化程度。

【關鍵詞】煙氣處理;燃氣鍋爐;PLC;GPRS;監控系統

【中圖分類號】TP29;TK11+5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）07-0124-03

1 引言

燃氣、礦物燃料等的燃燒是產生高品質熱能的主要方式，被大量用于工業生產的各個領域。我國北方冬季供暖主要采用燃氣鍋爐直接燃燒天然氣的供熱方式，天然氣燃燒產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熱煙氣排放到空氣中形成白色煙羽，不僅存在熱能損失還造成空氣污染[1]。針對某地熱采暖項目中燃氣鍋爐排放煙氣，采用PLC、組態王和GPRS無線傳輸技術進行余熱利用及降溫控制。系統可實現煙氣溫度及壓縮機壓力的實時監測，從而保證壓縮機根據壓力值正常啟動，使煙氣出口溫度始終在設定的范圍內，并能夠將遠程采集的數據完整發送于上位機監控，實現智能化管理。

2 系統結構設計

本系統需要監測煙道進口壓力、壓縮機冷凝壓力、蒸發壓力及煙道進出口等9個點位的溫度值，并根據一次側熱水出口溫度及煙氣出口溫度對熱水泵及煙氣風機進行控制。所設計的PLC控制系統結構如圖1所示。

圖1所示系統選用PLC作為核心控制器，通過模擬量模塊接收現場溫度和壓力傳感器采集到的數據，并通過程序運算處理、輸出，對壓縮機、風機及熱水泵的運行進行控制;通過組態王軟件對監控畫面進行設計，實時監測煙道各點位溫度、壓力值及下位機運行狀態，并將各數據通過GPRS無線通信裝置傳輸給上位機，可實現參數值設定及報警。

3 硬件設計

3.1 硬件選型

為了保證煙氣處理監控系統按照設計的控制邏輯工作，本系統采用西門子S7-200系列CPU 226型號的PLC作為主控制器（I/O點數為24/16），控制熱水泵、煙氣風機和報警裝置正常工作。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，并輸出控制煙氣風機及熱水泵頻率值的信號。變頻器選用ABB ACS5107，5 kW的規格，實現對電動機的變頻調速。壓縮機的主電路采用施耐德ATS22C41Q軟啟動器進行控制，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]。根據系統中電機功率及電流計算值，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。

本設計選用振鴻偉業研發的工業級4G全網通DTU產品ZHD780作為無線傳輸通信模塊。串口到網絡的雙向數據傳輸是通過4G網絡實現的?？蛻艚K端設備與服務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外部接線設計

通過系統整體結構設計及硬件選型，對PLC進行接線設計，實現對煙氣出口溫度、壓縮機壓力的實時檢測與控制，進而驅動輸出機構動作。系統中有啟動、停止、壓力、溫度等需要輸入的信號，而熱水泵電機、風機電機、壓縮機等作為被控對象受輸出信號控制，對PLC進行I/O地址分配，如表1所示。

本系統采用繼電器作為中間過渡元件，結合小電流控制大電流的思想，將繼電器線圈接到PLC的輸出點上，通過繼電器的觸點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控制電動機的啟停[3]，PLC的外部接線如圖2所示。

4 系統軟件設計

此系統采用西門子Step7 V4.0編程軟件進行PLC梯形圖程序編寫。結合系統結構設計和軟件功能要求，完成系統軟件流程設計。啟動系統后，各功能模塊完成初始化，進行手動、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場信號，并對數據進行分析、判斷、處理，進而檢測水流開關（L1、L2）的狀態，如果未打開，則壓縮機不可啟動并發出報警提示“請打開熱水泵”;如果L1、L2已打開，則開始判斷壓縮機的冷凝壓力P2、蒸發壓力P1以及P2與P1的差值是否在范圍內，是則啟動壓縮機，否則調節壓縮機調容閥進行減容（依次打開調容閥）直至停機并報送報警提示。壓縮機啟動后系統檢測煙氣出口溫度T8的值是否在范圍內，如在則系統正常運行，否則調節壓縮機調容閥，當T8<5 ℃時，依次打開3個調容閥，T8>10 ℃時，依次關閉調容閥對出口溫度進行控制，直至該溫度值穩定在范圍之內結束調節，系統正常運行直至結束工作。

5 無線通信及監控畫面設計

現場采集的數據將通過DTU設備及無線網傳輸給上位機的組態王軟件，實現對下位機的監控。

5.1 組網方案

本設計考慮到組網為上、下位機間交互且規模較小及應用到實際中的成本問題，選用了中心采用ADSL和INTELNET公網連接，公網固定IP或者公網動態IP+DNS解析服務的方案。此方案應先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業務[4]。

5.2 DTU參數配置

本設計中數據的無線傳輸由DTU設備，通過PLC與上位機實現。上位機中數據的顯示和監控則主要通過定義的虛擬設備完成。

打開2G/3G/4GDTU參數配置軟件，根據實際情況選擇相應的串口號，本設計選擇的是COM1串口，波特率為9 600，停止位為1，校驗位None。設置完畢，點擊“一鍵讀取”按鈕，讀取DTU的配置信息和系統參數如圖3所示。此時DTU配置成功，關閉配置程序，避免程序之間造成沖突。

5.3 DTU與服務器連接

“創建服務器”按鈕被作為DTU與服務器的連接鍵，打開后將“本機端口”設置為2 000，并將其與DTU處的“主數據中心端口”設置成一致。創建完成后則點擊“啟動服務器”按鈕，等待上線，當界面有數據串傳輸時則意味著連線成功。

5.4 組態畫面設計

5.4.1 組態王串口設置

本設計中PLC和組態王之間的通信方式使用的是GPRS無線傳輸，要把它們關聯起來則需要對組態王的串口進行設置。在通訊串口設置中，由于4G DTU選用的控件為宏電TCP，因此組態王板卡中的設置選擇莫迪康ModbusRTU，而不是常規的PPI串口設置;為了保證組態王和上位機之間的正常通訊，在新建I/0通訊設備時，選擇宏電TCP作為虛擬設備。

5.4.2 數據詞典設置

通信設置成功后，想實現組態王對PLC的監控，必須對數據詞典進行設置。本設計中，Modbus協議被用在了PLC和組態王的關聯中。數據類型和偏移量的5個字符的數值通常被寫到Modbus地址中。第一個字符通常決定數據類型，而最后4個字符在數據類型中選擇適當的數值。地址映射由Modbus主設備實現，下列地址則由從站指令支持：離散輸出Q0.0-Q15.7對應的映射地址為00001至00128;離散輸入I0.0-I15.7對應的映射地址為10001至10128;模擬輸入寄存器AIW0到AIW62對應的映射地址為30001至30032;V存儲器的變量寄存器對應的映射地址則為40001至4xxxx。

5.4.3 監控畫面的實現

畫面的制作與動畫連接部分與普通用PPI連接一致，最終制作完成監控畫面如圖4所示。畫面中主要包含以下4個模塊：溫度、壓力及水流開關狀態監控模塊，參數設定模塊，熱水泵、煙氣風機及壓縮機啟?？刂颇K及報警模塊。

6 結論

文中設計了基于PLC、組態監控技術和GPRS無線通信的煙氣處理監控系統。經在試驗現場對水流開關（L1、L2）、壓縮機3個調容閥的狀態、煙氣出口溫度T8、蒸發壓力P1、冷凝壓力P2及P2與P1的壓差進行測試，系統運行穩定，現場采集數據可遠程無線穩定地傳輸到上位機，并對現場設備運行情況進行有效監控。

【參考文獻】

【1】劉志坦，惠潤堂，楊愛勇，等.燃煤電廠濕煙羽成因及對策研究[J].環境與發展，2017，29（10）：43-46.

【2】穆彤，楊杰，牛永江.基于PLC的溫室大棚控制系統設計[J].機械研究與應用，2022，35（02）：73-75.

【3】胡曉，林明星.智慧農業溫濕度監控系統設計[J].機床與液壓，2020，48（14）：129-133.

【4】吳穎.基于BIND的動態DNS服務系統的設計[J].武漢船舶職業技術學院學報，2012，7（1）：21-25.