燃?xì)獠膳療崴疇t全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)

摘 要

摘要：介紹了燃?xì)獠膳療崴疇t標(biāo)準(zhǔn)的要求，論述了燃?xì)獠膳療崴疇t全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：燃?xì)獠膳療崴疇t；測(cè)試系統(tǒng)；自動(dòng)采集；數(shù)據(jù)處理 Study on Fully Automatic Test S
摘要：介紹了燃?xì)獠膳療崴疇t標(biāo)準(zhǔn)的要求，論述了燃?xì)獠膳療崴疇t全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：燃?xì)獠膳療崴疇t；測(cè)試系統(tǒng)；自動(dòng)采集；數(shù)據(jù)處理  
Study on Fully Automatic Test System for Gas-fired Heating and Hot Water Combi-boiler
    GAO Shuo，YANG Li-jie，HU Yu，HE Gui-long，SONG Huan-chen
Abstract：The requirements in the standard for gas-fired heating and hot water combi-boiler are introduced. The design of software and hardware of fully automatic test system for gas-fired heating and hot water combi-boiler is discussed.
Key words：gas-fired heating and hot water combi-boiler；test system；automatic sampling；data processing
    燃?xì)獠膳療崴疇t在中國(guó)的發(fā)展是從20世紀(jì)90年代末開始的，隨著國(guó)內(nèi)供暖市場(chǎng)快速發(fā)展，國(guó)外主要品牌進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)也不斷增多，燃?xì)獠膳療崴疇t已成為繼燃?xì)庠罹?、燃?xì)鉄崴髦蟮牡谌笕季弋a(chǎn)品。在標(biāo)準(zhǔn)方面，開始階段國(guó)內(nèi)市場(chǎng)沒有相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)準(zhǔn)入制度，僅執(zhí)行《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌稧B 6932—2001的相關(guān)規(guī)定。2006年3月發(fā)布了CJ/T 228—2006《燃?xì)獠膳療崴疇t》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《燃?xì)獠膳療崴疇t》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)批稿已通過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)審查，將于2010年執(zhí)行。在《燃?xì)獠膳療崴疇t》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)批稿中，部分測(cè)試項(xiàng)目需要連續(xù)測(cè)量10 rain內(nèi)供暖水的水溫變化，靠人工記錄的方法已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；此外，還嚴(yán)格規(guī)定了測(cè)試臺(tái)的熱損失。因此，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不斷提高要求的情況下，迫切需要開發(fā)一套能夠適應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求、高精度的燃?xì)獠膳療崴疇t檢測(cè)設(shè)備，更好地為燃?xì)獠膳療崴疇t產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)。
1 方案設(shè)計(jì)
    目前市場(chǎng)上的燃?xì)獠膳療崴疇t熱輸入為18～70kW，氣源包括天然氣、液化石油氣、人工煤氣。燃?xì)獠膳療崴疇t熱輸入跨度大，氣源種類多，這就要求自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)適用范圍廣。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)試驗(yàn)時(shí)的供回水溫度、熱輸入都有嚴(yán)格規(guī)定，如GB 20665—2006《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級(jí)》規(guī)定：熱水額定熱負(fù)荷時(shí)溫升為(40±1)℃，50%及以下額定熱負(fù)荷時(shí)溫升為(30±1)℃；供暖額定熱負(fù)荷時(shí)供暖出水溫度為(80±2)℃，供暖回水溫度應(yīng)比供暖出水溫度低(20±1) ℃；50%及以下額定熱負(fù)荷時(shí)供暖出水溫度為(65±2)℃，供暖回水溫度應(yīng)比供暖出水溫度低(15±1)℃。又如《燃?xì)獠膳療崴疇t》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)批稿中部分負(fù)荷熱效率間接方法測(cè)試試驗(yàn)要求：將燃具調(diào)節(jié)到允許的最小熱輸入狀態(tài)，使出水溫度保持在(55±2)℃，回水溫度保持在(45±1)℃?？梢钥闯?，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)供回水溫度和供回水溫差都有詳細(xì)規(guī)定。如果測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠計(jì)算出各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)對(duì)應(yīng)的供水流量、冷卻水流量、燃?xì)鈮毫Φ葏?shù)，在調(diào)節(jié)的時(shí)候?qū)?huì)節(jié)省大量的時(shí)間和能源?；谝陨峡紤]，在設(shè)計(jì)中測(cè)試系統(tǒng)裝有多個(gè)板式換熱器和燃?xì)饬髁坑?jì)，滿足不同負(fù)荷和不同氣源的需要；軟件設(shè)計(jì)中加入理論計(jì)算功能，通過燃具的設(shè)計(jì)參數(shù)和公式計(jì)算出試驗(yàn)時(shí)的各種參數(shù)；數(shù)據(jù)采集方面對(duì)溫度、流量等試驗(yàn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示，幫助檢測(cè)人員更好地控制試驗(yàn)過程，并對(duì)最終的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算、存儲(chǔ)，生成報(bào)告。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中，左側(cè)點(diǎn)劃線內(nèi)為測(cè)控系統(tǒng)，右側(cè)點(diǎn)劃線內(nèi)為管路系統(tǒng)。虛線表示電路，細(xì)實(shí)線表示氣路，粗實(shí)線表示水路。
 
    整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由供暖水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成?，F(xiàn)以測(cè)量供暖熱效率為例，說明本檢測(cè)系統(tǒng)的操作過程。供暖水系統(tǒng)通過板式換熱器和冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行水-水換熱。調(diào)節(jié)供暖水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥控制供回水溫度差達(dá)到20℃，調(diào)節(jié)冷卻水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥2控制供暖回水溫度。供暖水流量qV由電磁流量計(jì)測(cè)量，在最靠近供暖出水口和供暖回水口的位置安裝溫度傳感器測(cè)量出水溫度θ1和回水溫度θ2，通過燃?xì)饬髁坑?jì)測(cè)量消耗燃?xì)獾捏w積V數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過安裝有檢測(cè)軟件的計(jì)算機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)采集控制模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供暖出回水溫度與流量、燃?xì)庀牧康葦?shù)據(jù)。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計(jì)算采暖爐熱效率，公式為：
 
式中η——采暖熱效率，%
m——修正后實(shí)測(cè)出熱水量，kg
θ1——供暖出水溫度，℃
θ2——供暖回水溫度，℃
Q——對(duì)應(yīng)平均出水溫度下的測(cè)試裝置熱損失，kJ
V——基準(zhǔn)狀態(tài)(15℃、101.3kPa)下燃?xì)庀牧浚琺3
 QL——燃?xì)庠诨鶞?zhǔn)狀態(tài)下的低熱值，kJ/m3
qV——供暖水流量，m3/s
ρ——供暖水密度，kg/m3
f——測(cè)量時(shí)間，
根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算出熱效率并將最終測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生成報(bào)告。
2 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)
   ① 硬件設(shè)計(jì)
   該系統(tǒng)硬件包括水路、氣路和電路。在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，水路的設(shè)計(jì)是非常重要的。由于這套系統(tǒng)適應(yīng)燃?xì)獠膳療崴疇t的熱輸入跨度大、氣源種類多、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)多，要完成的試驗(yàn)項(xiàng)目多，測(cè)量點(diǎn)也比較多，并且為了節(jié)省測(cè)量?jī)x器，所以管路必然比較復(fù)雜，容易產(chǎn)生氣阻和阻力大的問題。所謂氣阻就是指在供暖系統(tǒng)中有空氣，阻力大的原因有氣阻、管路太長(zhǎng)、水流向頻繁改變等等。這兩者都可能使得系統(tǒng)供暖水循環(huán)不暢，或者試驗(yàn)條件達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，在管路的適當(dāng)位置設(shè)置循環(huán)水泵，并在合適的位置安裝排氣閥，可以在氣阻的情況下將氣體排出循環(huán)系統(tǒng)外，增加了系統(tǒng)的靈活性。此外，水路系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作與自動(dòng)操作的切換，使系統(tǒng)同時(shí)滿足手動(dòng)操作和自動(dòng)操作的需求。氣路設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)不同氣源、不同負(fù)荷下燃?xì)夤艿篮土髁坑?jì)的切換。
    電路設(shè)計(jì)要根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)中所選用的儀器儀表來進(jìn)行。溫度測(cè)量采用德國(guó)原產(chǎn)溫度傳感器與變送器，Pt100精度等級(jí)1/3B，4線制；溫度測(cè)量范圍為0～150℃，具有響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，輸出信號(hào)4～20mA。流量測(cè)量采用德國(guó)原產(chǎn)ProcessMaster系列電磁流量計(jì)、五點(diǎn)標(biāo)定后精度為0.2%。電磁流量計(jì)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計(jì)，流量正比于介質(zhì)流速和磁通密度，以及電極間的距離。電壓信號(hào)用變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，方便數(shù)據(jù)采集，而且電磁流量計(jì)無節(jié)流部件，壓力損失小，減少能耗，只與被測(cè)流體的平均速度有關(guān)，測(cè)量范圍寬。只需經(jīng)水標(biāo)定后即可測(cè)量其他介質(zhì)，無須修正，相比于浮子流量計(jì)精度大大提高。壓力測(cè)量采用德國(guó)原產(chǎn)壓力傳感器，測(cè)壓范圍為0～3MPa，精度為0.15%，輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。燃?xì)庀牧繙y(cè)量采用日本品川濕式氣體流量計(jì)，既可以通過流量計(jì)的機(jī)械表盤讀取燃?xì)庀牧?，也可以通過其發(fā)出的電信號(hào)經(jīng)過處理后得到燃?xì)庀牧俊Ｈ細(xì)鈮毫y(cè)量用壓力表量程為0～5kPa，輸出相應(yīng)的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。流量調(diào)節(jié)閥選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。煙氣分析儀采用多組分煙氣分析儀，各組分都有對(duì)應(yīng)的電信號(hào)輸出。數(shù)據(jù)采集模塊選用ADAM系列模塊對(duì)各參數(shù)進(jìn)行高精度采集與控制。系統(tǒng)電路連接見圖2。
 
    系統(tǒng)測(cè)控部分設(shè)計(jì)中，主要采用計(jì)算機(jī)和各種數(shù)據(jù)采集模塊相互配合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和控制。所選用的ADAM系列數(shù)據(jù)采集模塊是一種傳感器到計(jì)算機(jī)的智能接口模塊，該系列模塊具有內(nèi)置的微處理器，可以獨(dú)立提供智能信號(hào)處理、模擬量I/O、數(shù)字量I/O和RS-485通信等功能[1]，可掛接在RS-485總線上被連接到任何一種計(jì)算機(jī)或終端上。在模塊與主機(jī)間的通信中使用了ASCII格式命令，從而可方便地使用任何一種高級(jí)語言對(duì)其進(jìn)行編程。模塊可提供多種功能，如對(duì)信號(hào)的濾波、對(duì)輸入信號(hào)放大倍數(shù)的調(diào)整、A/D和D/A變換、數(shù)據(jù)比較以及數(shù)據(jù)通信等。信號(hào)采集模塊將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成485信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換器再將485信號(hào)轉(zhuǎn)換成232信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過串行通信的方式與各模塊實(shí)現(xiàn)通信。
   ② 軟件設(shè)計(jì)
   軟件設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，要求軟件具有實(shí)時(shí)、可靠、靈活的特點(diǎn)。實(shí)時(shí)是指計(jì)算機(jī)能及時(shí)處理從被控對(duì)象送來的消息，并輸出相應(yīng)的控制信息到被控對(duì)象?？煽渴侵笐?yīng)用程序中沒有隱藏的錯(cuò)誤，如溢出、偏差值反號(hào)、程序錯(cuò)誤分支、內(nèi)存單元被沖以及死循環(huán)等。這就需要在實(shí)際系統(tǒng)或模擬系統(tǒng)上進(jìn)行充分調(diào)試。靈活就是指在整個(gè)程序結(jié)構(gòu)不作變化的情況下，能對(duì)應(yīng)用程序方便地做出補(bǔ)充或修改。
    軟件設(shè)計(jì)采用VB.net編程工具，由于此系統(tǒng)涉及的試驗(yàn)眾多，所以將每個(gè)試驗(yàn)以模塊化的方法分別對(duì)其編程，每個(gè)試驗(yàn)都有其單獨(dú)的操作界面，不至于由于試驗(yàn)眾多而顯得界面凌亂復(fù)雜，最后將這些試驗(yàn)?zāi)K顯示于一個(gè)綜合的界面上，采用彈出窗口的方式設(shè)計(jì)。報(bào)表打印部分是根據(jù)各個(gè)試驗(yàn)檢測(cè)的結(jié)果，訪問數(shù)據(jù)庫，打印出最后的檢測(cè)報(bào)告。
    為了進(jìn)一步說明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程，下面以供暖性能試驗(yàn)中的供暖熱效率試驗(yàn)為例加以詳細(xì)闡述。該試驗(yàn)過程需要采集的數(shù)據(jù)有供暖出水溫度、供暖回水溫度、供暖水流量、燃?xì)庀牧?、時(shí)間等，要控制冷卻水流量、供暖水流量。試驗(yàn)控制流程見圖3。
 
   從圖3可以看出，試驗(yàn)基本上都是順序進(jìn)行的，整個(gè)試驗(yàn)過程都在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控之下。其中，所有的判斷都是依據(jù)計(jì)算機(jī)采集各傳感器的數(shù)據(jù)來進(jìn)行的，而控制則是通過采集控制模塊輸出模擬量來完成對(duì)閥門的調(diào)節(jié)。程序界面見圖4。
 
    從圖4可以看出，在試驗(yàn)進(jìn)行中，工作人員可以根據(jù)界面曲線圖了解試驗(yàn)中各參數(shù)變化過程。在數(shù)據(jù)采集方面，軟件實(shí)現(xiàn)了每100ms采集一次水溫和水流量的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)自動(dòng)變換、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，并對(duì)最后的測(cè)量結(jié)果求取平均值。相比人工操作時(shí)只讀取某一時(shí)刻數(shù)值，本系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，提高了檢測(cè)精度。
3 結(jié)論
   燃?xì)獠膳療崴疇t全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在選用高精度檢測(cè)儀表的同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)上達(dá)到較高程度的自動(dòng)化。通過公式計(jì)算出各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的供暖水流量、冷卻水流量、燃?xì)鈮毫Φ葏?shù)，在調(diào)節(jié)時(shí)將會(huì)節(jié)省大量的時(shí)間和能源。對(duì)檢測(cè)過程參數(shù)進(jìn)行高頻率采樣并取平均值的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高了檢測(cè)的精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)過程中水溫及水流量等重要參數(shù)進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)曲線顯示，幫助檢測(cè)人員更好地了解和掌握試驗(yàn)過程中參數(shù)的變化，并對(duì)曲線圖進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，完成人工操作無法實(shí)現(xiàn)的功能?？梢宰詣?dòng)生成試驗(yàn)記錄表，省去了人工填寫試驗(yàn)記錄的繁瑣工作，提高了工作效率。
    此外，燃?xì)獠膳療崴疇t全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)有廣泛適用性，可同時(shí)滿足的GB 6932—2001《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌?、GB 20665—2006《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級(jí)》、CJ/T228—2006《燃?xì)獠膳療崴疇t》、EN 483:1999《集中燃?xì)獠膳仩t額定熱輸入小于等于70kW的C型爐》和《燃?xì)獠膳療崴疇t》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)批稿要求。
參考文獻(xiàn)：
[1] 楊麗杰，王啟，劉彤，等.燃?xì)庠罹邫z測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J].煤氣與熱力，2007，27(6)：37-39.
 
(本文作者：高碩1 楊麗杰1 胡宇1 何貴龍1 宋煥臣2 1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074；2.日照杉浦熱能有限公司 山東日照 276800)