一种基于虚拟仪器的工业锅炉防垢系统的制作方法

本实用新型属于智能控制技术领域，尤其涉及一种基于虚拟仪器的工业锅炉防垢系统。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：我国目前对工业锅炉的使用率较高，全国有60多万台工业锅炉在使用，主要用于工业加热、发电以及用汽等，在工业实际使用中，由于管理不到位或处理不当等原因，水中含有的钙、镁、氯等离子以及溶解氧等会随给水进入锅炉内，经过不断蒸发、浓缩，就会有沉淀析出附着在锅炉的受热面上，继而形成水垢。水垢导热极差，它的存在会直接导致锅炉受热面传热效果和锅炉热效率的降低，从而造成能源的浪费，水垢越积越多会导致锅炉腐蚀、汽水共腾等现象,严重时还会发生爆炸。因此对于锅炉水的处理至关重要。传统的除垢技术主要采用机械除垢和化学清洗两种方式，都是在锅炉不使用的情况下进行处理，若通电的情况下进行除垢，就很容易发生事故，而且每次都要锅炉停产才能清洗，大大降低了企业的生产效率，不实际。传统的防垢技术通常是采用锅炉外水软化和锅炉内加药结合的方式，传统使用的药剂一般不能防止锅炉二次防垢而且药剂的利用率较低，需要专业人员监护，对相关工作人员要求较高，需要他们对水处理药剂的性能、用量、用法、加药时机、水处理设备的使用方法有足够的了解与经验，花费很大的人力及财力。超声波除垢技术能有效地改善锅炉结垢的问题，提高热传递效率，减少燃煤，延长锅炉的使用寿命。但是采用这种方法需要安装复杂的超声波发生装置，而且除垢不完全，还是会有一定的结垢现象。磁处理技术无毒无污染，能有效防止锅炉结构，且投资少，操作简单，缺点是此处理与磁场强度、水的流速等密切相关，磁场稳定性差。但如何构建使用腐植酸钠进行加药以实现防垢除垢功能的锅炉防垢系统还需要进一步研究，特别是构建智能化动态水质监护系统，实现锅炉的在线除垢防垢需要更深入的研究。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)传统的锅炉除垢需要人员手工除垢，这样人员易发生烫伤等危害人员安全的事故，并且检修每次都要锅炉停产才能清洗，大大降低了企业的生产效率，不符合实际生产。

(2)添加传统的除垢药剂不能防止锅炉二次防垢而且药剂的利用率较低，需要专业人员监护，对相关工作人员要求较高，花费很大的人力及财力。

(3)利用磁处理技术进行除垢，由于磁处理技术与磁场强度、水的流速等密切相关，磁场稳定性差。具体包括磁处理技术中磁材料稳定性、磁场强度的一致性、设备安装位置等。并且设备成本高，操作复杂，因此不能推广应用。

总体而言，传统除垢技术受到人为因素影响较大，包括人员责任心、人员专业技术水平以及人员使用的专业设备等。目前，腐植酸钠复合水处理药剂达到了工业锅炉运行中除垢防垢的目的，能降低耗煤至20％左右，水处理费用降低30％，防垢率提高40-70％，可大大提高水质的合格率，锅炉热效率平均提高8.98％，具有可行性和推广性。

但是解决上述技术问题的难度在于：1)腐植酸钠复合水处理剂的用量没有足够经济和科学化，仅凭经验给药；2)复合水处理剂的有效成分在炉水中无现成的检测方法及控制标准；3)人工的监护模式导致人员成本高，应用的效果受人为因素影响大，检测监护反馈加药延时性明显等。为此，本实用新型采用腐植酸钠复合水处理药剂和设计基于虚拟仪器自动化防垢系统解决上述技术缺陷。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种基于虚拟仪器的工业锅炉防垢系统。

本实用新型是这样实现的，一种基于虚拟仪器的工业锅炉防垢系统，所述基于虚拟仪器的工业锅炉防垢系统包括：

电脑，通过总线实时发送读取命令并显示进水数据采集模块和炉水数据采集及控制模块发来的指标数据，根据指标情况对炉水采集模块发送加药和排污控制命令；

进水数据采集模块，通过RS485总线与电脑通信，利用进水相关的检测仪将检测到的指标数据通过RS485总线发送给采集板，然后采集板将数据通过总线发送给电脑；

炉水数据采集及控制模块，通过RS485总线与电脑通信，根据电脑的命令对加药和排污负载模块进行开关控制。

所述进水数据采集模块进一步包括：进水数据采样板、pH值检测仪、氯离子浓度检测仪、电导率检测仪、钙镁离子浓度检测仪、流量计；进水数据采样板通过RS485总线与pH值检测仪、氯离子浓度检测仪、电导率检测仪、钙镁离子浓度检测仪、流量计通信。

所述炉水数据采集及控制模块进一步包括：炉水数据采集及控制板、pH值检测仪、氯离子浓度检测仪、电导率检测仪、色度检测装置、加药和排污负载模块；炉水数据采集及控制板通过RS485总线与pH值检测仪、氯离子浓度检测仪、电导率检测仪、色度检测装置、加药和排污负载模块通信。

综上所述，本实用新型的优点及积极效果为：本实用新型利用传感器技术、嵌入式系统和虚拟仪器等技术构建锅炉水质动态监护的智能化服务系统，使用无磷水处理剂，在工业锅炉正常安全运行情况下能够实现自动除垢，最终实现锅炉的无垢缓蚀运行；能够帮助企业减少燃煤，减少烟气污染物的排放、减少含磷废水的排放，确保锅炉的安全、节能、经济运行。在我国以中小企业为主体经济的环境下和中小企业转型升级过程中，具有重大的社会效益。

本实用新型基于腐植酸钠防垢剂和虚拟仪器技术构建锅炉防垢的监控系统，实现动态水质监视和智能除垢防垢，提高锅炉的工作效率并确保工业锅炉的安全，最终实现较低成本下的节能减排。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于虚拟仪器的工业锅炉防垢系统结构示意图；

图中：1、电脑；2、进水数据采集模块；3、炉水数据采集及控制模块。

图2是本实用新型实施例提供的采集板通信示意图。

图3是本实用新型实施例提供的232转485图。

图4是本实用新型实施例提供的负载控制模块电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型利用传感器、嵌入式系统和虚拟仪器等构建锅炉水质动态监护的智能化服务系统，主要包括采集器和后台控制系统两个模块，采集器负责数据采集和接收PC机命令并按照PC机命令发送数据和进行负载开关控制，后台控制系统负责实时显示进水和炉水的指标数据并保存，判断指标是否在正常范围内并控制负载。

如图1所示，本实用新型实施例提供的基于虚拟仪器的工业锅炉防垢系统包括：电脑1、进水数据采集模块2和炉水数据采集及控制模块3。

电脑1，通过总线实时发送读取命令并显示进水数据采集模块2和炉水数据采集及控制模块3发来的指标数据，根据指标情况对炉水采集模块发送加药和排污控制命令。

进水数据采集模块2，通过RS485总线与电脑1通信，利用进水相关的检测仪将检测到的指标数据通过RS485总线发送给采集板，然后采集板将数据通过总线发送给电脑1。

炉水数据采集及控制模块3，通过RS485总线与电脑1通信，根据电脑的命令对加药和排污负载模块进行开关控制。

进水数据采集模块2进一步包括：进水数据采样板、pH值检测仪、氯离子浓度检测仪、电导率检测仪、钙镁离子浓度检测仪、流量计；进水数据采样板通过RS485总线与pH值检测仪、氯离子浓度检测仪、电导率检测仪、钙镁离子浓度检测仪、流量计通信。

炉水数据采集及控制模块3进一步包括：炉水数据采集及控制板、pH值检测仪、氯离子浓度检测仪、电导率检测仪、色度检测装置、加药和排污负载模块；炉水数据采集及控制板通过RS485总线与pH值检测仪、氯离子浓度检测仪、电导率检测仪、色度检测装置、加药和排污负载模块通信。

炉水数据采集及控制模块3的进水数据采集模块利用流量计和多个检测仪实时检测进水的进水量、pH值、电导率、氯离子和钙镁离子，炉水数据采集及控制模块利用多个检测仪实时检测炉水的PH值、电导率、氯离子和色度，并根据PC端发出的负载控制命令对加药和排污负载模块进行控制。采集板将采集到的进水和炉水的指标数据分别保存在缓冲区，等待PC端的读取命令。

采用的检测仪都是可以从市场上直接购买的，pH检测仪的型号为WPH-2000，可测量pH的范围为-2.00～16.00。电导率检测仪的型号为WCON-2000，可测量0～200mS/cm的电导率。氯离子和钙镁离子检测仪均选用WION-2000型号离子计，测量范围为0～20000ppm。具体参数可参考www.waterinst.com/products/tiber-online-control/。流量计购买的是翔腾的XT-LUG型号的锅炉给水流量计，其具体参数可参考www.cntrades.com/b2b/jsxsyb188/sell/itemid-35713272.html。色度检测的装置是基于市场上购买的颜色传感器TCS230进行设计开发的。

色度检测装置通过TCS230传感器测量R、G、B三者的脉冲，然后500ms依次统计其中一个的脉冲数，取三次统计的平均值后分别得到R、G、B的值保存至缓冲区，等待采集板的读取命令。TCS230传感器中带有红色滤波器、绿色滤波器以及蓝色滤波器的光电二极管各有16个，还有16个不带有任何滤波器的，能最大限度地提高颜色识别的精确度，减少误差。色度检测装置接收到采集板的读取命令后，对命令进行校验，校验成功则将缓冲区的RGB值发送给采集板。

炉水数据采集板是基于STM32微控制器开发的，STM32处理器采用ARM最先进的系统架构Cortex-M3，采用数据与程序相互独立的哈佛结构，是一中低功耗的ARM嵌入式芯片。它实现了Thumb-2指令集结构，具有很高的代码密度，可降低系统对存储器的要求，16位的代码密度几乎接近32位指令的性能。该处理器具有单周期乘法和硬件除法指令，大幅度提高了浮点运算的处理能力，内置快速中断控制器NVIC，极低的中断处理时间，能满足高速、临界控制的需求。STM32处理器具有较强的处理器性能，其运行速度比其他芯片要快很多，能满足实时采集和通信的要求。炉水数据采集板与PC端进行通信时，为了使用方便以及为了与其他设备通用，因此炉水数据采集板设置成232接口的，而且PC机默认的只有RS232端口，但是232接口具有传输速率低，抗干扰能力弱和传输距离短的缺点，而RS485总线刚好能弥补这些不足，因此炉水数据采集板与PC端的通信以及炉水数据采集板与检测仪之间的通信均采用232转485的方式进行通信，如图2所示。

加药和排污负载模块对排污和加药进行控制，加药口就一个，而排污，对于不同的锅炉型号有1～3个的排污口，因此负载控制模块设置了四个端口，各通过一个继电器进行控制，每一个端口控制的方式是一样的，因此只放一个端口的电路图。如图4所示，继电器线圈的两个端子分别接在二极管的两头，二极管的作用是为了让线圈的能量进行释放，所以此二极管是一个续流二极管。

本实用新型实施例提供的基于虚拟仪器的工业锅炉防垢系统的各个模块之间以及数据采集板和响应的检测仪之间均通过RS485总线进行相互通信。进水数据采集模块利用进水相关的检测仪将检测到的指标数据通过RS485总线发送给采集板，然后采集板将数据通过总线发送给电脑。炉水数据采集模块的炉水数据采集板与炉水指标检测仪之间也通过RS485总线进行通信，同时，炉水数据采集板根据电脑的命令对加药和排污负载模块进行开关控制。后台控制系统通过总线实时发送读取命令并显示数据采集模块发来的指标数据，然后根据指标情况对炉水采集模块发送加药和排污控制命令。RS485总线是半双工的工作方式，支持多点数据通信，抑制共模干扰，总线最大传输速率可以达到10Mbit/s，最大的通信距离为1.2km左右，可用于构建远程测控系统。

本实用新型实施例提供的基于虚拟仪器的工业锅炉防垢方法的数据采集板包括进水和炉水两块，数据采集板的程序主要由PC端通讯驱动及命令响应程序、传感器通讯驱动及传感器数据采集程序和采集板命令发送程序构成。PC端通讯驱动及命令响应主要负责与PC端通讯，在接收到PC端的命令之后，识别命令内容，并执行相应的操作，如发送相应指标的数据，或者打开或关闭相应的负载开关。传感器通讯驱动及传感器数据采集程序负责与采集板通信，在接收到采集板的读取命令后，将相应传感器的数据，放到相应采集板的缓冲区中。采集板命令发送程序按照一定的规律轮流向不同的传感器发送数据上传的命令。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。