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虚拟仪器在锅炉监控系统中的应用


中国石油大学(华东)现代远程教育

毕业设计(论文)



目: 虚拟仪器在锅炉监控系统中的应


学习中心: 年级专业: 学生姓名: 指导教师: 导师单位: 学 号: 职 称:

中国石油大学(华东)远程与继续教育学院
论文完成时间: 2010 年 12 月 20 日

摘要:虚拟仪器是利用现有的 pc 计算机,加上特殊设计的仪器硬件和专用软件,形成 既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器所没有的特殊功能,高档低价的新型仪器。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统,且功能灵活,很容易构 建,所以应用面积极为广泛。为此,本文探讨将虚拟仪器技术应用到锅炉监控系统 中,应用虚拟仪器技术,用软件实现部分系统功能。 关键词:虚拟仪器,温度监测,数据融合

1 研究背景及意义
锅炉是一个耗能设备,尤其我国北方城市,每年有近五个月的时间处在采暖期, 供热期较长,由此可以想象,投在其中的资金、人力、物力是很多的。目前,我国分 散式锅炉供热所占比重较大,供热质量的好坏将对减少城市环境污染、节约能源起到 重要作用。 从供热的角度考虑,应在节省能源的条件下使用户感到舒适为目标。为了满足这 一要求,可以通过控制锅炉出口的一次高温水的流量和温度,使一次高温水和热交换 站交换后的二次低温水的温度随室外温度而变化。同时,从控热燃烧的角度来看,应 在满足供热量的前提下使燃料充分燃烧,达到节煤、节点和减少环境污染的效果。优 化燃烧环境要求燃烧室的含氧量稳定并保持基本恒定的负压值(过大的负压值将造成 能量的浪费)。温度的调节最终是通过控制炉排电机的转速来改变煤层厚度,以此来 改变燃烧的共给量,并辅之鼓引风量的变化来实现。 利用 LabVIEW 的 CIN 模块实现与 c 语言的接口,将采样数据和系统各电机的运行 参数写入数据库,这样可以用 Vc++的 ADO 对象管理工程数据库,便于对系统供热的全 部历史数据进行统计分析。

2 锅炉的工作原理
供热锅炉通过燃煤燃烧释放热量,使水汽变成蒸汽,以供供热需要。锅炉从供热 的角度考虑,应在节省能源的条件下使用户感到舒适为目标。为了满足这一要求,可以 通过控制锅炉出口的一次高温水的流量和温度,使一次高温水和热交换站交换后的二 次低温水的温度随室外温度而变化。同时,从控热燃烧的角度来看,应在满足供热量 的前提下使燃料充分燃烧,达到节煤、节点和减少环境污染的效果。优化燃烧环境要 求燃烧室的含氧量稳定并保持基本恒定的负压值(过大的负压值将造成能量的浪

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费)。温度的调节最终是通过控制炉排电机的转速来改变煤层厚度,以此来改变燃烧 的共给量,并辅之鼓引风量的变化来实现。

3 虚拟仪器的应用
3.1 虚拟检测技术
检测系统的发展过程可分为四个阶段,即模拟监测系统、数字化检测系统、以计 算机为核心的自动检测系统和以软件为核心的虚拟检测系统。模拟检测系统的自动化 程度低,系统结构复杂,以模拟技术处理检测信号。数字化检测系统将模拟信号转换 为数字信号,利用数字技术处理检测信号。 随着计算机技术的发展,20 世纪 70 年代出现了以计算机为核心的自动检测系统, 使检测系统在智能化方面迈开了一大步,也为虚拟检测系统打诞生奠定了基础。传统 的检测系统都具有独立的机箱和操作面板,面板上装有开关、旋钮、显示窗等,功能 有系统设计生产单位给定,一般用户不能自己更改系统的功能和结构。20 世纪 80 年代 中 期 美 国 NI 公 司 ( NationaL Instrument ) 提 出 来 虚 拟 仪 器 的 概 念 。 虚 拟 仪 器 (Virtual Instruments 简称 VI)技术迅速得到发展。所谓虚拟仪器就是以计算机作 为仪器统一的硬件平台,所有测量测试仪器的主要功能可由数据采集、数据测试和分 析、结果输出显示等三大部分组成,其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的 软件系统来完成,充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智 能化功能,因此只要另外提供一定的数据采集硬件,就可构成基于计算机组成的测量 测试仪器。同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,使之与计算机结合构成 一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同,同时又充分享用了计算机智能资源的 全新仪器系统。 与传统仪器相比,虚拟仪器有许多优点:对测试量的处理和计算机可耕复杂且处 理速度更快,测试结果的表达方式更加丰富多样,可以方便的存储和交换测试数据, 价格低,技术更新更快。虚拟检测系统的出现是建立在计算机技术发展的基础上的, 它彻底打破了传统检测设备由厂家定义、用户无法改变的模式。它的最大特点就是把 仪器生产厂家定义仪器功能的方式改变为由用户自己定义仪器功能,随心所欲地组织 仪器的前面板,然后通过简单的连线操作,就可以组成一个检测与控制系统,满足多 种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化,任何使用 者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模,这充分体现了软件就是仪器

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的设计思想。虚拟仪器技术综合运用了计算机软件技术、智能测试技术、模板及总线 标准化技术、数字信号处理( DSP)技术、图形处理(GPS )技术及高速专用集成电路 (ASIC)制造技术等,是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件与软件平台 的一个完全开放的系统。主要有以下特点:
1) 性价比较高:基于通用个人计算机的虚拟仪器和仪器集成系统。可以实现仪器共享

计算机资源,从而大大增强了功能和降低了仪器成本。
2) 开放系统:用户能根据测控任务,随心所欲地组成仪器或系统。 3) 智能化程度高:虚拟仪器是基于计算机的仪器,其软件具有强大的分析、计算、逻

辑判断功能,可以再计算机上建立一个普通的智能仪器到智能专家系统。
4) 界面友好,使用简便:数台仪器及仪器功能显示于虚拟仪器面板上,用鼠标即可完

成一切操作,人机界面友好。仪器功能选择、参数设置、数据处理、结果显示等, 均可通过友好对话进行。这种定义的系统同传统的检测相比,自然灵活,功能更 强,更能满足用户不断变化的需求。

3.2 数据采集系统
外部现实对象(广义的外部设备)通过接口和计算机交换信息,在现实对象中, 信息表现为不同的形式并有明确的物理意义,输入到计算机内部后变成二进制数,统 称为数据,数据经计算机的加工处理在输出到显示对象,又变成具体的物理信号。完 成上述整个过程的接口电路成为数据采集系统,它是计算机与现实对象进行信息交换 的基础。因此可以说,计算机数据采集是当前信息技术实现的基础。无论是在个人计 算机 、自动检测系统,还是在其它的数字信号处理领域,数据采集系统都得到了广

泛的应用。而且,今后数据采集系统将在各个领域得到更广泛的应用。

3.3 工业控制计算机
随着现代科学技术的迅猛发展,工厂自动化的规模越来越大,要求控制技术水平 愈来愈高,原来常规模式的仪表控制方式以满足不了先进控制水平的需求。在这种形 势下,工业控制计算机及其系统伴随着这种需要而日新月异地发展。可以说所有先进 的工厂无不装备工业控制计算机,并以它作为控制和管理的主要工具。 我国工业控制计算机从 20 世纪 60 年代开始,经历了 50 多年的历史从晶体管工业 控制机到中小规模集成电路工业控制机,以及今天的大规模集成电路的工业控制机, 经历了三代的变化,体积越来越小,功能越来越强,工业控制机也工业计算机 IPC(以

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下简称工程机)。它主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作,与通用的计算机 相比有许多不同点,其主要特点如下: 可靠性高工程机通常用于控制不间断的生产过程,在运行期间不允许停车检修,一 旦发生故障将会导致质量事故,甚至生产事故。因此要求工程机具有很高的可靠性, 也就是说要有许多提高安全可靠性的措施,以确保平均无故障工作时间( MTBF)达到 几万小时,同时尽量缩短故障修复时间(MTTR),以达到很高的运行效率。 实时性好工程机对生产过程进行实时控制与监测,因此要求它必须实时地响应控制 对象各种参数的变化。当过程参数出现偏差或故障时,工程机能及时响应,并能实时 的进行报警和处理。为此工程机需配有实时多任务操作系统(RTDOS)。 环境适应性强工业现场环境恶劣,电磁干扰严重,供电系统也常受到大负荷设备启 停的干扰,其它“地”系统,共模及串模干扰大。因此要求工程机具有很强的环境适 应能力,如对温度湿度变化范围要求高;要求防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力;要 有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力以及高共模抑制能力。 过程输入和输出配套较好工程机要具有丰富的多功能的过程输入和输出配套的模 板,如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入和输出模板。具有多种类型信号调理 功能:如隔离型和非隔离型信号调理;各类热电偶、热电阻信号输入调理;电压和电 流信号输入和输出信号的调理等。 系统扩充性好随着工业自动化水平的提高,控制规模也不断扩大因此要求工程机具 有灵活的扩充性。 系统开放性要求工程机具有开放性体系结构,也就是说在主机接口、网络通信、软 件兼容升级等方面遵守开放性原则,以便于系统扩充、异地机连接、软件的可一直和 互换。 控制软件包功能强工程软件包要具有入机交互方便,画面丰富、实时性好等性能; 具有系统组态和系统生成功能;具有实时及历史的趋势记录与显示功能;具有实时报 警及事故追忆功能。此外尚须具有丰富的控制算法,除了常规 PID 控制算法外,还具 有一些高级控制算法,如模糊控制、神经元网络、优化、自适应、自整定等算法,并 具有在线诊断功能。目前一个优秀的控制软件往往将连续控制功能与断续控制功能相 结合。 系统通信功能强具有串行通信,网络通信功能。由于实时性要求高,因此要求工程 机通信网络速度高,并且符合国际标准通信协议,如 IEEESO2.4、IEEE802.3 协议等。
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有了强有力的通信功能,工程机可构成更大的控制系统,如 DCS 分散控制系统,CIMS 计算机集成制造系统等。 后备措施齐全包括供电后备,存储信息保护,手动/自动操作后备,紧急事故切换 装置等。 具有亢余性要求更高的场合,要求有双机工作及亢余系统,包括双控制站、双操作 站、双网通信、双供电系统、双电源等,具有双机切换功能,双机监视软件等,以确 保系统长期不问断地运行。 宗旨是一组互联信号的集合,是一种在各种模块间的传递信息的公共通道,微型 计算机系统大都采用总线结构,利用总线这一组公共信号线作为计算机部件之间的通 信线,即实现芯片内部、印刷电路板各部件之间、机箱内各插件板之间、主机与外部 设备之间或系统之间的链接与通信。广义地说,总线就是连接两个以上数字系统的信 息通路。从这个意义上讲,卡式仪器所使用的芯片间、插件板之间、插件板与微机之 间、乃至卡式仪器系统之间的连接,都可以理解为是通过总线进行的。标准总线式人 们在把不同的模块组成系统时所要遵守的总线规范。它为各模块互联提供透明的标准 界面,界面的任何一方只需总线标准要求实现和完成接口的功能,而不必考虑另外一 方的接口方式。 总之,PCI 局部总线具有高性能、兼容性好、不受微处理器的品种限制、适合各式 机种,低成本和高效益及预留发展空间等优点,因此,本传统采用 PCI 总线。本系统 采用 PCI 总线工程机以及一些 I/O 接口卡构成虚拟仪器的硬件,与传统仪器组建的测 试系统相比,基于 PCI 总线的虚拟仪器测试系统在性能、灵活性、易用性和低价格等 方面具有绝对优势。其仪器硬件为插卡式,具有与计算机插卡相同的尺寸,将硬件直 接插入计算机的 PCI 槽上即可构成测试系统,充分利用计算机的资源来实现数据采集 及处理,故障分析诊断和过程控制等职能测控。与基于其它总线的虚拟仪器测试系统 相比,价格低廉的特点使其在工业、军工、教育和科研领域得到了广泛的应用。

4 结论
虚拟仪器技术在测控领域的应用中,给系统的开发与集成带来了极大的益处,大 幅度的缩减了开发周期、提高开发质量。通过控制锅炉一次出水温度和流量以及炉膛 的燃烧环境可有效地实现控制目标。利用 AutoPID 控制算法具有良好的自适应控制能 力,能够保证实现锅炉运行系统的自动控制。可以采用 NI 公司的数据采集卡并采用

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LabvIEw 为开发工具,软硬开发调试周期为 3 周,而类似的系统如果次用普通开发工具 如 C/C++等,至少要两个月以上的时间,可见 LabVIEW 在缩短开发周期和提高工程 质量方面取得了卓越的成就。在系统运行中,当个别参数短时间超越门限值时,系统 既能正常生产,也能保证系统不造成损坏,充分反映出系统的技术先进性,其经济效 益是显而易见的。 参考文献 [1] 赵德永,雷振山.基于虚拟仪器技术的锅炉侠热自动控制系统[J].计算机自动测量 与控制,2008.6 [2] 贾功贤,刘成康,等.基于 PC 虚拟仪器的发展趋势[J].电子设计应用,1999 [3] 滕召胜,罗隆福,等.智能检测系统与数据融合[M].机械工业出版社,1999 [4] 王时龙,等.基于软插件技术的 DNC 通信系统研究[J].机械工程学报,1999

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