燃?xì)獠膳療崴疇t全自動測試系統(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全自動測試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。關(guān)鍵詞：燃?xì)獠膳療崴疇t；測試系統(tǒng)；自動采集；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全自動測試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。
關(guān)鍵詞：燃?xì)獠膳療崴疇t；測試系統(tǒng)；自動采集；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在中國的發(fā)展是從20世紀(jì)90年代末開始的，隨著國內(nèi)供暖市場快速發(fā)展，國外主要品牌進(jìn)入中國市場，國內(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，開始階段國內(nèi)市場沒有相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和市場準(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》國家標(biāo)準(zhǔn)的報批稿已通過國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會審查，將于2010年執(zhí)行。在《燃?xì)獠膳療崴疇t》國家標(biāo)準(zhǔn)的報批稿中，部分測試項目需要連續(xù)測量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)定了測試臺的熱損失。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
    目前市場上的燃?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，這就要求自動測試系統(tǒng)適用范圍廣。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的多個試驗項目對試驗時的供回水溫度、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》規(guī)定：熱水額定熱負(fù)荷時溫升為(40±1)℃，50%及以下額定熱負(fù)荷時溫升為(30±1)℃；供暖額定熱負(fù)荷時供暖出水溫度為(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》國家標(biāo)準(zhǔn)的報批稿中部分負(fù)荷熱效率間接方法測試試驗要求：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)℃?？梢钥闯觯瑯?biāo)準(zhǔn)中對供回水溫度和供回水溫差都有詳細(xì)規(guī)定。如果測試系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)能夠計算出各個試驗項目時對應(yīng)的供水流量、冷卻水流量、燃?xì)鈮毫Φ葏?shù)，在調(diào)節(jié)的時候?qū)?jié)省大量的時間和能源?；谝陨峡紤]，在設(shè)計中測試系統(tǒng)裝有多個板式換熱器和燃?xì)饬髁坑嫞瑵M足不同負(fù)荷和不同氣源的需要；軟件設(shè)計中加入理論計算功能，通過燃具的設(shè)計參數(shù)和公式計算出試驗時的各種參數(shù)；數(shù)據(jù)采集方面對溫度、流量等試驗過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時曲線顯示，幫助檢測人員更好地控制試驗過程，并對最終的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動計算、存儲，生成報告。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。
 
    整個測試系統(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)以測量供暖熱效率為例，說明本檢測系統(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由電磁流量計測量，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量出水溫度θ1和回水溫度θ2，通過燃?xì)饬髁坑嫓y量消耗燃?xì)獾捏w積V數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過安裝有檢測軟件的計算機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)采集控制模塊，實(shí)時監(jiān)測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)測出熱水量，kg
θ1——供暖出水溫度，℃
θ2——供暖回水溫度，℃
Q——對應(yīng)平均出水溫度下的測試裝置熱損失，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——測量時間，
根據(jù)公式(1)、(2)計算出熱效率并將最終測試數(shù)據(jù)存儲、生成報告。
2 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計
   ① 硬件設(shè)計
   該系統(tǒng)硬件包括水路、氣路和電路。在管路系統(tǒng)設(shè)計中，水路的設(shè)計是非常重要的。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、檢測標(biāo)準(zhǔn)多，要完成的試驗項目多，測量點(diǎn)也比較多，并且為了節(jié)省測量儀器，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、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)手動操作與自動操作的切換，使系統(tǒng)同時滿足手動操作和自動操作的需求。氣路設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)不同氣源、不同負(fù)荷下燃?xì)夤艿篮土髁坑嫷那袚Q。
    電路設(shè)計要根據(jù)測試系統(tǒng)中所選用的儀器儀表來進(jìn)行。溫度測量采用德國原產(chǎn)溫度傳感器與變送器，Pt100精度等級1/3B，4線制；溫度測量范圍為0～150℃，具有響應(yīng)時間短、測量精度高等特點(diǎn)，輸出信號4～20mA。流量測量采用德國原產(chǎn)ProcessMaster系列電磁流量計、五點(diǎn)標(biāo)定后精度為0.2%。電磁流量計根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計，流量正比于介質(zhì)流速和磁通密度，以及電極間的距離。電壓信號用變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，方便數(shù)據(jù)采集，而且電磁流量計無節(jié)流部件，壓力損失小，減少能耗，只與被測流體的平均速度有關(guān)，測量范圍寬。只需經(jīng)水標(biāo)定后即可測量其他介質(zhì)，無須修正，相比于浮子流量計精度大大提高。壓力測量采用德國原產(chǎn)壓力傳感器，測壓范圍為0～3MPa，精度為0.15%，輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號。燃?xì)庀牧繙y量采用日本品川濕式氣體流量計，既可以通過流量計的機(jī)械表盤讀取燃?xì)庀牧?，也可以通過其發(fā)出的電信號經(jīng)過處理后得到燃?xì)庀牧?。燃?xì)鈮毫y量用壓力表量程為0～5kPa，輸出相應(yīng)的電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。流量調(diào)節(jié)閥選用電動調(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，各組分都有對應(yīng)的電信號輸出。數(shù)據(jù)采集模塊選用ADAM系列模塊對各參數(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)測控部分設(shè)計中，主要采用計算機(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語言對其進(jìn)行編程。模塊可提供多種功能，如對信號的濾波、對輸入信號放大倍數(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。信號采集模塊將采集到的信號轉(zhuǎn)換成485信號，信號轉(zhuǎn)換器再將485信號轉(zhuǎn)換成232信號，計算機(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
   軟件設(shè)計方面，該系統(tǒng)是一個實(shí)時監(jiān)測控制系統(tǒng)，要求軟件具有實(shí)時、可靠、靈活的特點(diǎn)。實(shí)時是指計算機(jī)能及時處理從被控對象送來的消息，并輸出相應(yīng)的控制信息到被控對象?？煽渴侵笐?yīng)用程序中沒有隱藏的錯誤，如溢出、偏差值反號、程序錯誤分支、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。靈活就是指在整個程序結(jié)構(gòu)不作變化的情況下，能對應(yīng)用程序方便地做出補(bǔ)充或修改。
    軟件設(shè)計采用VB.net編程工具，由于此系統(tǒng)涉及的試驗眾多，所以將每個試驗以模塊化的方法分別對其編程，每個試驗都有其單獨(dú)的操作界面，不至于由于試驗眾多而顯得界面凌亂復(fù)雜，最后將這些試驗?zāi)K顯示于一個綜合的界面上，采用彈出窗口的方式設(shè)計。報表打印部分是根據(jù)各個試驗檢測的結(jié)果，訪問數(shù)據(jù)庫，打印出最后的檢測報告。
    為了進(jìn)一步說明系統(tǒng)軟件設(shè)計過程，下面以供暖性能試驗中的供暖熱效率試驗為例加以詳細(xì)闡述。該試驗過程需要采集的數(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?、時間等，要控制冷卻水流量、供暖水流量。試驗控制流程見圖3。
 
   從圖3可以看出，試驗基本上都是順序進(jìn)行的，整個試驗過程都在計算機(jī)的監(jiān)控之下。其中，所有的判斷都是依據(jù)計算機(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閥門的調(diào)節(jié)。程序界面見圖4。
 
    從圖4可以看出，在試驗進(jìn)行中，工作人員可以根據(jù)界面曲線圖了解試驗中各參數(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)，并對其進(jìn)行實(shí)時曲線顯示，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)自動變換、數(shù)據(jù)庫存儲，并對最后的測量結(jié)果求取平均值。相比人工操作時只讀取某一時刻數(shù)值，本系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，提高了檢測精度。
3 結(jié)論
   燃?xì)獠膳療崴疇t全自動測試系統(tǒng)在選用高精度檢測儀表的同時，軟件設(shè)計上達(dá)到較高程度的自動化。通過公式計算出各個試驗項目對應(yīng)的供暖水流量、冷卻水流量、燃?xì)鈮毫Φ葏?shù)，在調(diào)節(jié)時將會節(jié)省大量的時間和能源。對檢測過程參數(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，提高了檢測的精度，實(shí)現(xiàn)對檢測過程中水溫及水流量等重要參數(shù)進(jìn)行高精度實(shí)時曲線顯示，幫助檢測人員更好地了解和掌握試驗過程中參數(shù)的變化，并對曲線圖進(jìn)行自動存儲，完成人工操作無法實(shí)現(xiàn)的功能?？梢宰詣由稍囼炗涗洷恚∪チ巳斯ぬ顚懺囼炗涗浀姆爆嵐ぷ?，提高了工作效率。
    此外，燃?xì)獠膳療崴疇t全自動測試系統(tǒng)有廣泛適用性，可同時滿足的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》、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》國家標(biāo)準(zhǔn)的報批稿要求。
參考文獻(xiàn)：
[1] 楊麗杰，王啟，劉彤，等.燃?xì)庠罹邫z測自動控制系統(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.中國市政工程華北設(shè)計研究總院 天津 300074；2.日照杉浦熱能有限公司 山東日照 276800)