烟气余热回收监控系统的设计
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摘要：文章介绍了一种应用于烟气余热回收的监控系统，其主要对温度、压力、液位进行监控。系统采用单片机作为下位机对参数进行采样；上位机使用工控机进行数据处理、显示及控制；通信采用RS-485总线通信方式。
关键词：余热回收；监控系统；RS-485通信；Visual Baisc 2005
中图分类号：TK229 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）22-0076-03
工业锅炉、冶炼炉、冶金炉、加热炉的烟气排放温度普遍高达180℃以上，既污染了环境，又浪费了宝贵的烟气余热资源。利用热管换热技术，可有效回收这部分受污染的烟气余热资源，用来预热锅炉助燃空气；预热锅炉给水生产蒸汽，变废为宝，项目的经济效益和社会效益非常
显著。
该锅炉烟气余热回收监控系统是通过智能数据采集系统（下位机）对生产过程各个参数、状态进行采集，通过RS-485总线传送到工控机（上位机）。计算机对传送的信息进行处理，还可通过与下位机的通讯对生产现场的设备进行控制。
1 系统分析
1.1 现场设备结构
烟气余热回收基本工作原理如下：
在排烟管道安装热管余热锅炉，它通过具有很高热效率的热管与烟气管道相连。将烟气的热量转变为把水的热量产生蒸汽，提供给生产车间使用。锅炉烟气中带有大量的灰尘，在烟道安装了五个声波清灰器，用于及时清理管道积灰，通过检测余热锅炉的水位，用高压水泵给锅炉补水，不断产生蒸汽。
1.2 需要测量参数、状态和被控对象
测量的参数：烟气的进口温度、出口温度、气包压力
测量的状态：水位高低状态、声波清灰器工作状态、高压水压力状态
被控对象：高压主﹑备水泵
2 硬件结构
2.1 数据采集模块设计
在目标系统中，监控的对象主要是压力、温度、液位等参数。其中，水温度、烟气温度测量使用铂电阻。汽包压力测量使用远传压力表，以上的温度、压力测量信号均为模拟量。泵口压力的测量主要使用电接点压力表，它与声波清灰器状态和水位等级的测量均返回开关量信号。
系统原理框图如图1。采集系统的核心是89C51单片机，这里选用了AD转换芯片MC14433对模拟信号进行采集。系统中模拟多路开关4051对多个模拟量进行分时采样，它将过程数据逐路分时进行A/D处理。
采集系统要对水位状态、声波清灰器工作状态、高压水压力表的状态等开关量进行采样，开关量有20多个，考虑到单片机的I/O口有限，所以使用了74LS138译码器来对多组光耦芯片的选通，分时对多组开关量进行采集，只需要8个I/0口，不用对单片机I/O口进行扩展。
为了提高数据采集系统的可靠性，系统带有硬件看门狗X25045。X25045芯片集看门狗、电压监视及掉电数据保存等功能于一体。
2.2 通讯模块设计
单片机与PC机之间的通信方式很多，如RS-232C、RS-485、CAN等。而现在工业检测与控制系统中，常常具有距离远、干扰噪声大等特点。RS-232总线通信已不能满足通信要求。而后期发展起来的如RS-485、Can、LonWorks等总线能很好地解决这类问题。目前广泛应用的RS-485串行接口总线就是为了适应这种需要而产生的。该数据采集系统离PC机大约有500米远，可以选用RS-485总线。RS485总线硬件简单，开发费用低，与PC机相接很容易，且还具有抑制共模干扰及降低对噪音的敏感程度等
特点。
2.3 水位自动控制模块
余热锅炉水位由高压水泵控制。水位有5种状态：极高、高、中、低、极低。当水位低或极低时，打开高压水泵；当水位高或极高时，关闭高压水泵。此外，在水位极高或极低时还必须给出报警信号。高压水泵的控制主要依靠水箱控制器，同时单片机也参与控制。当单片机系统发生故障时，仍可以保证余热锅炉正常工作，这样消除了全局性故障点，提高了系统的可靠性。
3 单片机采样系统软件设计
单片机软件设计主要包括以下几个部分：单片机系统初始化，看门狗芯片初始化，模拟量数据的采样，开关量数据的采样，数据预处理，数据发送，数据接收，泵
控制。
其中单片机系统初始化包括对单片机片内使用串口、中断的初始化。看门狗芯片初始化主要是设置复位时间。模拟量数据的采样包括4051对被测信号通道的选通、A/D转换及数据的读取。开关量数据的采样包括使用138译码器来对多组光耦芯片的选通和数据的读取。数据预处理主要就是对采样回来的开关量进行处理，得出状态量以便后续传送及控制；另一方面就是预先生成好校验数据。泵控制由单片机和外电路共同构成，主控由外电路进行，测试由单片机进行，测试实现过程为通过I/O口线对继电器控制而后进行压力开关量采集。
主程序的流程图如图1所示：
对于以上各个功能块，都对其作为独立的函数进行编写。其中初始化可作为一个模块，信号的采集可作为一个模块，数据预处理作为一个模块，通信发送与接收作为一个模块，泵测试作为一个模块。每个模块均为一单独C文件，最后由主程序模块中的main函数分别调用。模块化的代码书写方式有利于代码的维护及提高其可重用性。
4 上位机监控软件设计
本系统上位机监控软件的设计开发，使用微软最新的开发工具Visual Basic 2005。Visual Basic 2005是在Visual Studio 2005中的一种开发语言工具。而Visual Studio 2005拥有完善应用开发特性的集成开发环境，这些特性包括改进的可视化设计器、代码编辑器以及最具编程效率的程序设计语言。通常新的开发工具的确会给软件的开发带来不少的便利。
上位机软件的主要功能包括对被测量进行实时监控（其中包括各种故障报警），绘制曲线图表，历史数据表查询以及打印、导出待分析时间段数据及泵控制测试等。而以上功能中，实时监控、曲线（包括烟气入口温度、烟气出口温度曲线）、历史数据查询、泵测试等均作为子窗体来设计。而主窗体则包含了切换各个窗体的按钮和常驻报警状态栏。
作为监控系统的上位机软件，首先要解决的是通信问题。在Visual Studio 2005中，微软重新又引入了一个新的串口通讯控件SerialPort，与其关联的是System.IO.Ports.SerialPort类。例如要想打开串口1，并设置其波特率为9600，数据8位，无奇偶校验，1停止位，则代码如下：
My.Computer.Ports.OpenSerialPort（"COM1"，9600，IO.Ports.Parity.None，8，IO.Ports.StopBits.One）
在报警声播放方面，My关键字再次带来不少的便捷，使用My.Computer.Audio.Play（"C：＼Temp.wav"，AudioPlayMode.BackgroundLoop）就可以轻松地实现在后台循环播放位与C分区名为Temp的声音文件。
接下来的问题就是数据存储。系统设计要求每分钟记录一次数据，数据量是比较大的。而如Access这种适于小型数据量的桌面型关系数据库对于操作如此大的数据量并不太适合。Access中一个数据库就是一个文件，它在数据量大的时候其操作性能效率比起SQL Server这样中型的DBMS相差较大。本次设计数据库系统方面选择了SQL Server 2005。SQL Server是一种高效的关系数据库，它于Windows NT/2000即Windows 9x等操作系统紧密集成。数据库用户可以利用索引快速访问数据库表中的特定信息。
在曲线图表显示，使用第三方chart控件ZedGraph。ZedGraph是一个开源的.NET图表类库，并且全部代码都是用C#开发。它可以利用任意的数据集合创建2D的线性和柱形图表。它的类库具有很高的灵活性。
软件设计中，还使用了多线程技术来解决多任务执行与用户界面响应的问题。
5 结语
本监控系统使用了51单片机作为下位机对数据进行数据采集，具有结构简单、成本低、便于维护等特点，且具有一定的典型性。通过单片机系统和外电路共同对设备进行监控，提高了系统的可靠性。上位机程序使用Visual Basic 2005开发，与使用组态软件进行二次开发相比，更具有灵活性。
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