徐连荣， 沈 英， 林柏辰， 胡文军

(1.湖州市特种设备检测研究院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州师范学院 信息工程学院， 浙江 湖州 313000)

基于炉水颜色和虚拟仪器的工业锅炉除垢防垢系统

徐连荣1， 沈 英1， 林柏辰2， 胡文军2

(1.湖州市特种设备检测研究院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州师范学院 信息工程学院， 浙江 湖州 313000)

腐殖酸钠可以有效整合工业锅炉炉水中的硬度物质，达到锅炉除垢防垢的目的，但何时添加腐殖酸钠关系到除垢防垢效果.针对该问题，利用检测炉水颜色构建工业锅炉除垢防垢的虚拟仪器监控系统.该系统包括颜色检测、负载控制和虚拟仪器系统三个部分，它们之间通过RS485进行通信，进而达到远程监测与控制的目的.实验结果表明，该系统可以有效跟踪显示炉水颜色和控制加药及排污.

工业锅炉； 炉水颜色； 除垢防垢； 虚拟仪器

目前，我国工业锅炉的使用率较高，全国在使用工业锅炉有60多万台，主要用于工业发电以及用气用水等.在锅炉工作时，因工业用水含有钙、镁等的溶解盐类和溶解气体，加热会发生物理化学反应，使锅炉发生腐蚀并在锅炉受热面形成沉淀物质，进而形成水垢[1-3].水垢的存在，一方面导致锅炉热量传导性能降低，造成能源浪费；另一方面影响水循环导致锅炉热胀冷缩不均，发生锅炉爆炸.因此，应对和解决锅炉的除垢防垢有着重要现实意义.

研究发现，在工业锅炉运行中，为了达到阻垢除垢的目的，需要加入水处理剂，这种添加水处理的方法具有不增加设备和不改变循环水环境等优点[4-6].腐植酸钠是从风化煤、褐煤等天然资源中分离出来的高分子物质，富含羧基、羟基等有机基团，具有离子交换、吸附、络合等性质及良好的分散性，是一种价格低的锅炉水处理药剂[7-8].目前，腐植酸钠广泛应用于工业锅炉，但其有效成分残余量的检测缺乏简单可行的方法，影响了加药量的准确性及阻垢除垢的效果.2014年以来，笔者选用腐植酸钠复合水处理剂，对工业锅炉除垢防垢效果、影响因素和控制指标进行了应用研究.研究发现，腐殖酸钠加入到炉水后，经过一系列的物理化学反应，炉水颜色会随有效成分的变化而变化.控制炉水pH值在一定范围内，根据炉水的颜色调整加药量，可以达到良好的除垢防垢目的.本文为增加水处理剂使用中的科学性和及时性，构建基于虚拟仪器(virtual instruments，VI)和颜色检测的锅炉除垢防垢系统，利用炉水颜色辅助调整加药量，确保腐植酸钠复合水处理剂的除垢防垢效果和经济性.

1 系统结构

该系统包括颜色检测模块、负载控制模块和虚拟仪器监控系统三个部分，如图1所示.其中，颜色检测模块用于实时检测工业锅炉炉水颜色；负载控制模块用于控制腐植酸钠药剂是否添加和排污口是否打开；虚拟仪器监控系统是基于PC机和虚拟仪器的后台监控软件，主要完成数据处理、分析、存储和人机交互等功能，包括从颜色检测模块中实时获取炉水颜色并显示、向负载控制模块发出负载控制指令等.

为了构建远程监控系统，本文采用RS485总线实现颜色检测模块与虚拟仪器监控系统之间、虚拟仪器监控系统与负载控制模块之间的通信.RS485总线支持多点数据通信，最大传输速率达10 Mbit/s，最大通信距离达1.2 km，共模干扰抑制性能好.另外，为了确保RS485总线传输的数据或数据包能够被识别，提高传输数据的抗干扰性，数据包采用Modbus协议进行传输.为了表述方便，将虚拟仪器监控系统(PC机)认为主机，颜色检测模块和负载控制模块认为从机，整个系统包括1台主机、2台从机，其具体协议定义如表1、表2所示.

表2 从机响应的数据格式

表1、表2中每列表示一个字节，校验码CRC是对地址至数据N所有数据进行的CRC校验数据，共两个字节.在表1中：地址是从机的地址，颜色检测模块地址为0x01，负载控制模块地址为0x02；命令字包括0x03和0x06两种，其中0x03用于读取颜色检测模块从机数据的命令，0x06用于向负载控制模块发送负载控制的命令；数据1～N是指从哪个寄存器开始及读取多少个字节数据.在表2中：地址是响应主机的从机地址；命令字接收到主机的命令字；数据长度是数据1～N的字节数，数据1～N是从机向主机返回的数据，若颜色检测模块返回则是炉水颜色数据(包括RGB三色数据)，若负载控制模块返回则是负载状态数据.

2 颜色检测

2.1 颜色检测电路

为了检测炉水颜色和考虑到安装工艺需要，颜色检测模块包括传感器板和信号采集变送板两部分，其原理如图2和图3所示，它们之间通过一根8芯电缆线链接.在图2中，传感器(图2中的GY-31)采用美国TAOS公司生产的TCS230型可编程颜色传感器，该传感器芯片集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，在S2和S3引脚的控制下，可以分别获得被测对象的R、G、B值[9].该传感器使用方便、检测精度高，常被用于工业检测、机器人技术等应用中[10-13].

信号采集变送板功能：控制TCS230传感器分别输出被测对象的R、G、B值，以及接收虚拟仪器监控系统命令和向虚拟仪器监控系统返回传感器的颜色数据.如图3所示，信号采集变送板包括三个部分，左边部分是与传感器板连接的8芯连接端子；中间部分是单片机最小系统，包括复位电路、晶振和STC12C5201AD单片机[14]；右边部分是与虚拟仪器监控系统(PC机)通信的9针串行端口，使用MAX232将TTL电平与232电平进行相互转换，9针端口需要通过一个RS232/RS485转换模块才能与虚拟仪器监控系统(PC机)连接.

2.2 颜色检测软件

为了得到被测对象颜色的RGB值，STC12C5201AD单片机需要控制TCS230传感器红色滤波器、绿色滤波器和蓝色滤波器分别工作，进而统计输出对应颜色的脉冲数.本文对每种颜色统计500ms的脉冲数，读取红色值的程序流程见图4.TCS230的S2、S3是由STC12C5201AD单片机P1.6、P1.7控制，OUT是由STC12C5201AD单片机P3.3外部中断引进进行统计.另外，颜色检测模块还负责与虚拟仪器监控系统(PC机)通信，包括接收虚拟仪器监控系统发来的数据包和向虚拟仪器监控系统的响应，具体根据表1和表2的数据包格式和串行通信方式完成.

3 负载控制

负载控制模块需要从虚拟仪器监控系统接收控制命令，并根据命令执行相应控制，因此它包括虚拟仪器监控系统通信接口和负载控制两个部分，其中虚拟仪器监控系统通信接口部分与图3最右边部分一样.负载控制模块也采用STC12C5201AD单片机设计开发，其最小系统与图3中间部分一样.本系统负载控制是指控制腐植酸钠药剂添加与否，以及锅炉排污口打开与否，具体通过继电器控制一个电磁阀实现，电磁阀导通开始加药，否则电磁阀关闭停止加药，继电器控制电路如图5所示，排污口的控制与其相似.KZ端口连接单片机引脚，当此引脚输出高电平时，继电器动作，电磁阀导通，否则电磁关闭.图5中的二极管D11是为了将继电器线圈上的能量进行释放，起续流作用.

4 监控系统

本监控系统利用虚拟仪器开发平台LabVIEW编制，LabVIEW是一种基于图形化语言(Graphic语言，简称G语言)的开发环境，由美国国家仪器(NationalInstruments，NI)公司研制.虚拟仪器功能主要由软件来定义，其硬件只是作为信号的输入输出，而开发环境LabVIEW提供了非常友好的界面设计和功能丰富的信号与信息处理模块，因此虚拟仪器越来越多地被用于测控领域.

监控系统界面主要包括两个部分：炉水颜色的实时显示、加药和排污操作控制，如图6所示.使用时，首先要选择通信端口，以确保系统与颜色检测模块、负载控制模块通信正常，然后点击启动/停止按钮启动或停止系统工作.为了减小监控系统与颜色检测模块、负载控制模块通信过程中发生干扰的概率，监控系统每3s通信一次，具体为：监控系统先与颜色检测模块通信，3s后与负载控制模块通信，再3s后与颜色检测模块通信，以此循环.本监控系统中，炉水实时状况是根据监控系统从颜色传感器模块获得的颜色RGB值进行表示，为此本系统直接显示相应的R、G、B值，同时为了直观，还将RGB值混合后的颜色作为最终炉水颜色(如图6中以炉水颜色命名的颜色盒).另外，操作人员通过实时观察炉水颜色，进而通过界面上的加药按钮开关、排污按钮开关来控制加药或排污与否.

5 实验研究

本实验采用标准液体，包括pH值为4.01(±0.01@25oC)和10.0(±0.01@25oC)两种，并与自来水混合构成一定颜色的水质，然后使用本文提出的监控系统实时监控水质颜色.通过8h不间断实验，本系统能够实时跟踪炉水颜色，同时，通过加药开关和排污开关的控制，可以准确实现负载的远程控制和动作.实验结果表明，颜色的跟踪响应时间和负载控制的响应时间均≤3s，达到预期效果.因此，该系统通过实时跟踪炉水颜色并在用户界面实时显示后，可以辅助用户根据炉水颜色指标数据以及通过加药开关和排污开关对炉水实施远程监控.

6 结 论

本文针对工业锅炉中除垢和防垢的应用需求，利用虚拟仪器和RS485通信技术构建了基于颜色的除垢防垢监控系统.该系统包括颜色检测模块、负载控制模块和虚拟仪器监控系统三个部分，其中颜色检测模块由TCS230颜色传感器和STC12C5201AD单片机构成，负载控制模块由继电器、电磁阀和STC12C5201AD单片机构成，虚拟仪器监控系统是利用NI公司的LabVIEW设计开发，三个部分组成了分布式远程监控系统.实验结果表明，该系统可以有效跟踪显示炉水颜色和控制加药及排污，响应时间低于3s，达到控制要求.但由于腐殖酸钠加药量与炉水颜色的对应关系还与给水指标和锅炉型号等参数相关，故目前系统还不能准确依靠这种对应关系实现全自动工作，挖掘这种对应关系将是后续研究的重点.

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[14]宏晶科技.STC12C5201AD单片机数据手册[EB/OL].(2016-09-28).http://www.stcmcu.com.

[责任编辑 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

国家质量监督检验检疫总局科技项目(2015QK090);湖州市科技局生态文明先行示范区重大专项主动设计项目(2015GZ01).

胡文军，博士，副教授，研究方向：模式识别与智能系统.E-mail：huwenjun@zjhu.edu.cn

TP27

A

1009-1734(2017)02-0042-05