徐連榮， 沈 英， 林柏辰， 胡文軍

(1.湖州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

基于爐水顏色和虛擬儀器的工業(yè)鍋爐除垢防垢系統(tǒng)

徐連榮1， 沈 英1， 林柏辰2， 胡文軍2

(1.湖州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

腐殖酸鈉可以有效整合工業(yè)鍋爐爐水中的硬度物質(zhì)，達(dá)到鍋爐除垢防垢的目的，但何時(shí)添加腐殖酸鈉關(guān)系到除垢防垢效果.針對(duì)該問題，利用檢測(cè)爐水顏色構(gòu)建工業(yè)鍋爐除垢防垢的虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)包括顏色檢測(cè)、負(fù)載控制和虛擬儀器系統(tǒng)三個(gè)部分，它們之間通過RS485進(jìn)行通信，進(jìn)而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的目的.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效跟蹤顯示爐水顏色和控制加藥及排污.

工業(yè)鍋爐； 爐水顏色； 除垢防垢； 虛擬儀器

目前，我國(guó)工業(yè)鍋爐的使用率較高，全國(guó)在使用工業(yè)鍋爐有60多萬臺(tái)，主要用于工業(yè)發(fā)電以及用氣用水等.在鍋爐工作時(shí)，因工業(yè)用水含有鈣、鎂等的溶解鹽類和溶解氣體，加熱會(huì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使鍋爐發(fā)生腐蝕并在鍋爐受熱面形成沉淀物質(zhì)，進(jìn)而形成水垢[1-3].水垢的存在，一方面導(dǎo)致鍋爐熱量傳導(dǎo)性能降低，造成能源浪費(fèi)；另一方面影響水循環(huán)導(dǎo)致鍋爐熱脹冷縮不均，發(fā)生鍋爐爆炸.因此，應(yīng)對(duì)和解決鍋爐的除垢防垢有著重要現(xiàn)實(shí)意義.

研究發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)鍋爐運(yùn)行中，為了達(dá)到阻垢除垢的目的，需要加入水處理劑，這種添加水處理的方法具有不增加設(shè)備和不改變循環(huán)水環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[4-6].腐植酸鈉是從風(fēng)化煤、褐煤等天然資源中分離出來的高分子物質(zhì)，富含羧基、羥基等有機(jī)基團(tuán)，具有離子交換、吸附、絡(luò)合等性質(zhì)及良好的分散性，是一種價(jià)格低的鍋爐水處理藥劑[7-8].目前，腐植酸鈉廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐，但其有效成分殘余量的檢測(cè)缺乏簡(jiǎn)單可行的方法，影響了加藥量的準(zhǔn)確性及阻垢除垢的效果.2014年以來，筆者選用腐植酸鈉復(fù)合水處理劑，對(duì)工業(yè)鍋爐除垢防垢效果、影響因素和控制指標(biāo)進(jìn)行了應(yīng)用研究.研究發(fā)現(xiàn)，腐殖酸鈉加入到爐水后，經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，爐水顏色會(huì)隨有效成分的變化而變化.控制爐水pH值在一定范圍內(nèi)，根據(jù)爐水的顏色調(diào)整加藥量，可以達(dá)到良好的除垢防垢目的.本文為增加水處理劑使用中的科學(xué)性和及時(shí)性，構(gòu)建基于虛擬儀器(virtual instruments，VI)和顏色檢測(cè)的鍋爐除垢防垢系統(tǒng)，利用爐水顏色輔助調(diào)整加藥量，確保腐植酸鈉復(fù)合水處理劑的除垢防垢效果和經(jīng)濟(jì)性.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)包括顏色檢測(cè)模塊、負(fù)載控制模塊和虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分，如圖1所示.其中，顏色檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)檢測(cè)工業(yè)鍋爐爐水顏色；負(fù)載控制模塊用于控制腐植酸鈉藥劑是否添加和排污口是否打開；虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)是基于PC機(jī)和虛擬儀器的后臺(tái)監(jiān)控軟件，主要完成數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)和人機(jī)交互等功能，包括從顏色檢測(cè)模塊中實(shí)時(shí)獲取爐水顏色并顯示、向負(fù)載控制模塊發(fā)出負(fù)載控制指令等.

為了構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，本文采用RS485總線實(shí)現(xiàn)顏色檢測(cè)模塊與虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)之間、虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)與負(fù)載控制模塊之間的通信.RS485總線支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，最大傳輸速率達(dá)10 Mbit/s，最大通信距離達(dá)1.2 km，共模干擾抑制性能好.另外，為了確保RS485總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或數(shù)據(jù)包能夠被識(shí)別，提高傳輸數(shù)據(jù)的抗干擾性，數(shù)據(jù)包采用Modbus協(xié)議進(jìn)行傳輸.為了表述方便，將虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)(PC機(jī))認(rèn)為主機(jī)，顏色檢測(cè)模塊和負(fù)載控制模塊認(rèn)為從機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)包括1臺(tái)主機(jī)、2臺(tái)從機(jī)，其具體協(xié)議定義如表1、表2所示.

表2 從機(jī)響應(yīng)的數(shù)據(jù)格式

表1、表2中每列表示一個(gè)字節(jié)，校驗(yàn)碼CRC是對(duì)地址至數(shù)據(jù)N所有數(shù)據(jù)進(jìn)行的CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，共兩個(gè)字節(jié).在表1中：地址是從機(jī)的地址，顏色檢測(cè)模塊地址為0x01，負(fù)載控制模塊地址為0x02；命令字包括0x03和0x06兩種，其中0x03用于讀取顏色檢測(cè)模塊從機(jī)數(shù)據(jù)的命令，0x06用于向負(fù)載控制模塊發(fā)送負(fù)載控制的命令；數(shù)據(jù)1～N是指從哪個(gè)寄存器開始及讀取多少個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù).在表2中：地址是響應(yīng)主機(jī)的從機(jī)地址；命令字接收到主機(jī)的命令字；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是數(shù)據(jù)1～N的字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)1～N是從機(jī)向主機(jī)返回的數(shù)據(jù)，若顏色檢測(cè)模塊返回則是爐水顏色數(shù)據(jù)(包括RGB三色數(shù)據(jù))，若負(fù)載控制模塊返回則是負(fù)載狀態(tài)數(shù)據(jù).

2 顏色檢測(cè)

2.1 顏色檢測(cè)電路

為了檢測(cè)爐水顏色和考慮到安裝工藝需要，顏色檢測(cè)模塊包括傳感器板和信號(hào)采集變送板兩部分，其原理如圖2和圖3所示，它們之間通過一根8芯電纜線鏈接.在圖2中，傳感器(圖2中的GY-31)采用美國(guó)TAOS公司生產(chǎn)的TCS230型可編程顏色傳感器，該傳感器芯片集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，在S2和S3引腳的控制下，可以分別獲得被測(cè)對(duì)象的R、G、B值[9].該傳感器使用方便、檢測(cè)精度高，常被用于工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器人技術(shù)等應(yīng)用中[10-13].

信號(hào)采集變送板功能：控制TCS230傳感器分別輸出被測(cè)對(duì)象的R、G、B值，以及接收虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)命令和向虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)返回傳感器的顏色數(shù)據(jù).如圖3所示，信號(hào)采集變送板包括三個(gè)部分，左邊部分是與傳感器板連接的8芯連接端子；中間部分是單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括復(fù)位電路、晶振和STC12C5201AD單片機(jī)[14]；右邊部分是與虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)(PC機(jī))通信的9針串行端口，使用MAX232將TTL電平與232電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，9針端口需要通過一個(gè)RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊才能與虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)(PC機(jī))連接.

2.2 顏色檢測(cè)軟件

為了得到被測(cè)對(duì)象顏色的RGB值，STC12C5201AD單片機(jī)需要控制TCS230傳感器紅色濾波器、綠色濾波器和藍(lán)色濾波器分別工作，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)輸出對(duì)應(yīng)顏色的脈沖數(shù).本文對(duì)每種顏色統(tǒng)計(jì)500ms的脈沖數(shù)，讀取紅色值的程序流程見圖4.TCS230的S2、S3是由STC12C5201AD單片機(jī)P1.6、P1.7控制，OUT是由STC12C5201AD單片機(jī)P3.3外部中斷引進(jìn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).另外，顏色檢測(cè)模塊還負(fù)責(zé)與虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)(PC機(jī))通信，包括接收虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)包和向虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)，具體根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)包格式和串行通信方式完成.

3 負(fù)載控制

負(fù)載控制模塊需要從虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)接收控制命令，并根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)控制，因此它包括虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)通信接口和負(fù)載控制兩個(gè)部分，其中虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)通信接口部分與圖3最右邊部分一樣.負(fù)載控制模塊也采用STC12C5201AD單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)，其最小系統(tǒng)與圖3中間部分一樣.本系統(tǒng)負(fù)載控制是指控制腐植酸鈉藥劑添加與否，以及鍋爐排污口打開與否，具體通過繼電器控制一個(gè)電磁閥實(shí)現(xiàn)，電磁閥導(dǎo)通開始加藥，否則電磁閥關(guān)閉停止加藥，繼電器控制電路如圖5所示，排污口的控制與其相似.KZ端口連接單片機(jī)引腳，當(dāng)此引腳輸出高電平時(shí)，繼電器動(dòng)作，電磁閥導(dǎo)通，否則電磁關(guān)閉.圖5中的二極管D11是為了將繼電器線圈上的能量進(jìn)行釋放，起續(xù)流作用.

4 監(jiān)控系統(tǒng)

本監(jiān)控系統(tǒng)利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW編制，LabVIEW是一種基于圖形化語(yǔ)言(Graphic語(yǔ)言，簡(jiǎn)稱G語(yǔ)言)的開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器(NationalInstruments，NI)公司研制.虛擬儀器功能主要由軟件來定義，其硬件只是作為信號(hào)的輸入輸出，而開發(fā)環(huán)境LabVIEW提供了非常友好的界面設(shè)計(jì)和功能豐富的信號(hào)與信息處理模塊，因此虛擬儀器越來越多地被用于測(cè)控領(lǐng)域.

監(jiān)控系統(tǒng)界面主要包括兩個(gè)部分：爐水顏色的實(shí)時(shí)顯示、加藥和排污操作控制，如圖6所示.使用時(shí)，首先要選擇通信端口，以確保系統(tǒng)與顏色檢測(cè)模塊、負(fù)載控制模塊通信正常，然后點(diǎn)擊啟動(dòng)/停止按鈕啟動(dòng)或停止系統(tǒng)工作.為了減小監(jiān)控系統(tǒng)與顏色檢測(cè)模塊、負(fù)載控制模塊通信過程中發(fā)生干擾的概率，監(jiān)控系統(tǒng)每3s通信一次，具體為：監(jiān)控系統(tǒng)先與顏色檢測(cè)模塊通信，3s后與負(fù)載控制模塊通信，再3s后與顏色檢測(cè)模塊通信，以此循環(huán).本監(jiān)控系統(tǒng)中，爐水實(shí)時(shí)狀況是根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)從顏色傳感器模塊獲得的顏色RGB值進(jìn)行表示，為此本系統(tǒng)直接顯示相應(yīng)的R、G、B值，同時(shí)為了直觀，還將RGB值混合后的顏色作為最終爐水顏色(如圖6中以爐水顏色命名的顏色盒).另外，操作人員通過實(shí)時(shí)觀察爐水顏色，進(jìn)而通過界面上的加藥按鈕開關(guān)、排污按鈕開關(guān)來控制加藥或排污與否.

5 實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)液體，包括pH值為4.01(±0.01@25oC)和10.0(±0.01@25oC)兩種，并與自來水混合構(gòu)成一定顏色的水質(zhì)，然后使用本文提出的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)顏色.通過8h不間斷實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤爐水顏色，同時(shí)，通過加藥開關(guān)和排污開關(guān)的控制，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)負(fù)載的遠(yuǎn)程控制和動(dòng)作.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顏色的跟蹤響應(yīng)時(shí)間和負(fù)載控制的響應(yīng)時(shí)間均≤3s，達(dá)到預(yù)期效果.因此，該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)跟蹤爐水顏色并在用戶界面實(shí)時(shí)顯示后，可以輔助用戶根據(jù)爐水顏色指標(biāo)數(shù)據(jù)以及通過加藥開關(guān)和排污開關(guān)對(duì)爐水實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控.

6 結(jié) 論

本文針對(duì)工業(yè)鍋爐中除垢和防垢的應(yīng)用需求，利用虛擬儀器和RS485通信技術(shù)構(gòu)建了基于顏色的除垢防垢監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)包括顏色檢測(cè)模塊、負(fù)載控制模塊和虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分，其中顏色檢測(cè)模塊由TCS230顏色傳感器和STC12C5201AD單片機(jī)構(gòu)成，負(fù)載控制模塊由繼電器、電磁閥和STC12C5201AD單片機(jī)構(gòu)成，虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)是利用NI公司的LabVIEW設(shè)計(jì)開發(fā)，三個(gè)部分組成了分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效跟蹤顯示爐水顏色和控制加藥及排污，響應(yīng)時(shí)間低于3s，達(dá)到控制要求.但由于腐殖酸鈉加藥量與爐水顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系還與給水指標(biāo)和鍋爐型號(hào)等參數(shù)相關(guān)，故目前系統(tǒng)還不能準(zhǔn)確依靠這種對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)工作，挖掘這種對(duì)應(yīng)關(guān)系將是后續(xù)研究的重點(diǎn).

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[責(zé)任編輯 高俊娥]

Removing & Preventing Fouling System of Industrial Boiler Based on Color of Boiler Water and Virtual Instruments

XU Lianrong1， SHEN Ying1， LIN Baichen2， HU Wenjun2

(1.Huzhou Special Equipment Inspection Research Institute, Huzhou 313000， China； 2.School of Information Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000， China)

Sodium humate can be used to effectively integrate the hard material in boiler water, and then the fouling can be removed and prevented in the industrial boiler. However, when to add sodium humate has a strong relation with the effectiveness of removing and preventing fouling. Therefore, the monitoring and controlling system is designed for removing and preventing fouling, which is based on the color of boiler water and virtual instruments (VI). It contains the color detecting, the load controlling and the VI's system. They communicate with each other through RS485, thus they can be applied to the construction of the remote monitoring and controlling system. Experimental results show that the designed system can effectively track and display the color of boiler water, and effectively control appending sodium humate and boiler blowdown.

industrial boiler； color of boiler water； removing & preventing fouling； virtual instruments (VI)

2016-11-12

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技項(xiàng)目(2015QK090);湖州市科技局生態(tài)文明先行示范區(qū)重大專項(xiàng)主動(dòng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目(2015GZ01).

胡文軍，博士，副教授，研究方向：模式識(shí)別與智能系統(tǒng).E-mail：huwenjun@zjhu.edu.cn

TP27

A

1009-1734(2017)02-0042-05