燃氣采暖熱水爐全自動測試系統(tǒng)研發(fā)

摘 要

摘要：介紹了燃氣采暖熱水爐標準的要求，論述了燃氣采暖熱水爐全自動測試系統(tǒng)的軟硬件設計。關鍵詞：燃氣采暖熱水爐；測試系統(tǒng)；自動采集；數(shù)據(jù)處理 Study on Fully Automatic Test S
摘要：介紹了燃氣采暖熱水爐標準的要求，論述了燃氣采暖熱水爐全自動測試系統(tǒng)的軟硬件設計。
關鍵詞：燃氣采暖熱水爐；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
    燃氣采暖熱水爐在中國的發(fā)展是從20世紀90年代末開始的，隨著國內(nèi)供暖市場快速發(fā)展，國外主要品牌進入中國市場，國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)也不斷增多，燃氣采暖熱水爐已成為繼燃氣灶具、燃氣熱水器之后的第三大燃具產(chǎn)品。在標準方面，開始階段國內(nèi)市場沒有相應的產(chǎn)品標準和市場準入制度，僅執(zhí)行《家用燃氣快速熱水器》GB 6932—2001的相關規(guī)定。2006年3月發(fā)布了CJ/T 228—2006《燃氣采暖熱水爐》行業(yè)標準，《燃氣采暖熱水爐》國家標準的報批稿已通過國家標準化管理委員會審查，將于2010年執(zhí)行。在《燃氣采暖熱水爐》國家標準的報批稿中，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準要求；此外，還嚴格規(guī)定了測試臺的熱損失。因此，在產(chǎn)品標準不斷提高要求的情況下，迫切需要開發(fā)一套能夠適應產(chǎn)品標準要求、高精度的燃氣采暖熱水爐檢測設備，更好地為燃氣采暖熱水爐產(chǎn)品質(zhì)量把關。
1 方案設計
    目前市場上的燃氣采暖熱水爐熱輸入為18～70kW，氣源包括天然氣、液化石油氣、人工煤氣。燃氣采暖熱水爐熱輸入跨度大，氣源種類多，這就要求自動測試系統(tǒng)適用范圍廣。產(chǎn)品標準的多個試驗項目對試驗時的供回水溫度、熱輸入都有嚴格規(guī)定，如GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》規(guī)定：熱水額定熱負荷時溫升為(40±1)℃，50%及以下額定熱負荷時溫升為(30±1)℃；供暖額定熱負荷時供暖出水溫度為(80±2)℃，供暖回水溫度應比供暖出水溫度低(20±1) ℃；50%及以下額定熱負荷時供暖出水溫度為(65±2)℃，供暖回水溫度應比供暖出水溫度低(15±1)℃。又如《燃氣采暖熱水爐》國家標準的報批稿中部分負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)℃?？梢钥闯觯瑯藴手袑┗厮疁囟群凸┗厮疁夭疃加性敿氁?guī)定。如果測試系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的設計參數(shù)能夠計算出各個試驗項目時對應的供水流量、冷卻水流量、燃氣壓力等參數(shù)，在調(diào)節(jié)的時候?qū)?jié)省大量的時間和能源。基于以上考慮，在設計中測試系統(tǒng)裝有多個板式換熱器和燃氣流量計，滿足不同負荷和不同氣源的需要；軟件設計中加入理論計算功能，通過燃具的設計參數(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鍵參數(shù)進行實時曲線顯示，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)點劃線內(nèi)為測控系統(tǒng)，右側(cè)點劃線內(nèi)為管路系統(tǒng)。虛線表示電路，細實線表示氣路，粗實線表示水路。
 
    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)、燃氣系統(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，通過燃氣流量計測量消耗燃氣的體積V數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過安裝有檢測軟件的計算機經(jīng)數(shù)據(jù)采集控制模塊，實時監(jiān)測供暖出回水溫度與流量、燃氣消耗量等數(shù)據(jù)。待系統(tǒng)運行穩(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——修正后實測出熱水量，kg
θ1——供暖出水溫度，℃
θ2——供暖回水溫度，℃
Q——對應平均出水溫度下的測試裝置熱損失，kJ
V——基準狀態(tài)(15℃、101.3kPa)下燃氣消耗量，m3
 QL——燃氣在基準狀態(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)硬件及軟件設計
   ① 硬件設計
   該系統(tǒng)硬件包括水路、氣路和電路。在管路系統(tǒng)設計中，水路的設計是非常重要的。由于這套系統(tǒng)適應燃氣采暖熱水爐的熱輸入跨度大、氣源種類多、檢測標準多，要完成的試驗項目多，測量點也比較多，并且為了節(jié)省測量儀器，所以管路必然比較復雜，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，或者試驗條件達不到標準的要求。因此，在管路的適當位置設置循環(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。氣路設計主要實現(xiàn)不同氣源、不同負荷下燃氣管道和流量計的切換。
    電路設計要根據(jù)測試系統(tǒng)中所選用的儀器儀表來進行。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℃，具有響應時間短、測量精度高等特點，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、五點標定后精度為0.2%。電磁流量計根據(jù)法拉第電磁感應定律設計，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)換成標準信號，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，測量范圍寬。只需經(jīng)水標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%，輸出標準電流信號。燃氣消耗量測量采用日本品川濕式氣體流量計，既可以通過流量計的機械表盤讀取燃氣消耗量，也可以通過其發(fā)出的電信號經(jīng)過處理后得到燃氣消耗量。燃氣壓力測量用壓力表量程為0～5kPa，輸出相應的電信號進行數(shù)據(jù)采集。流量調(diào)節(jié)閥選用電動調(diào)節(jié)閥，進行遠程控制。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)測控部分設計中，主要采用計算機和各種數(shù)據(jù)采集模塊相互配合，實現(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或終端上。在模塊與主機間的通信中使用了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，計算機通過串行通信的方式與各模塊實現(xiàn)通信。
   ② 軟件設計
   軟件設計方面，該系統(tǒng)是一個實時監(jiān)測控制系統(tǒng)，要求軟件具有實時、可靠、靈活的特點。實時是指計算機能及時處理從被控對象送來的消息，并輸出相應的控制信息到被控對象。可靠是指應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。這就需要在實際系統(tǒng)或模擬系統(tǒng)上進行充分調(diào)試。靈活就是指在整個程序結(jié)構(gòu)不作變化的情況下，能對應用程序方便地做出補充或修改。
    軟件設計采用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的操作界面，不至于由于試驗眾多而顯得界面凌亂復雜，最后將這些試驗模塊顯示于一個綜合的界面上，采用彈出窗口的方式設計。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。
    為了進一步說明系統(tǒng)軟件設計過程，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、燃氣消耗量、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行的，整個試驗過程都在計算機的監(jiān)控之下。其中，所有的判斷都是依據(jù)計算機采集各傳感器的數(shù)據(jù)來進行的，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，軟件實現(xiàn)了每100ms采集一次水溫和水流量的數(shù)據(jù)，并對其進行實時曲線顯示，根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行坐標自動變換、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)更準確，提高了檢測精度。
3 結(jié)論
   燃氣采暖熱水爐全自動測試系統(tǒng)在選用高精度檢測儀表的同時，軟件設計上達到較高程度的自動化。通過公式計算出各個試驗項目對應的供暖水流量、冷卻水流量、燃氣壓力等參數(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)進行高頻率采樣并取平均值的方式進行數(shù)據(jù)處理，提高了檢測的精度，實現(xiàn)對檢測過程中水溫及水流量等重要參數(shù)進行高精度實時曲線顯示，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，并對曲線圖進行自動存儲，完成人工操作無法實現(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，燃氣采暖熱水爐全自動測試系統(tǒng)有廣泛適用性，可同時滿足的GB 6932—2001《家用燃氣快速熱水器》、GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》、CJ/T228—2006《燃氣采暖熱水爐》、EN 483:1999《集中燃氣采暖鍋爐額定熱輸入小于等于70kW的C型爐》和《燃氣采暖熱水爐》國家標準的報批稿要求。
參考文獻：
[1] 楊麗杰，王啟，劉彤，等.燃氣灶具檢測自動控制系統(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計研究總院 天津 300074；2.日照杉浦熱能有限公司 山東日照 276800)