電站鍋爐配風(fēng)無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

宋新超，李光輝，楊琦，馮連琨

(1.南京理工大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京，210094;2.大慶油田電力工程設(shè)計院，黑龍江 大慶，163453)

0 引言

影響鍋爐燃燒效率主要有以下因素，燃料因素，設(shè)備結(jié)構(gòu)因素，運行因素［1］。在鍋爐燃燒設(shè)備和煤質(zhì)一定的條件下，一次風(fēng)與二次風(fēng)的調(diào)節(jié)是決定火和燃盡過程的關(guān)鍵［2］。保持合理的風(fēng)煤配合，一、二次風(fēng)配合和送引風(fēng)配合具有重要的意義。過去鍋爐的運行監(jiān)控大部分由人工方式完成，由工作人員定時的巡回檢查，通過記錄溫度計和皮托管的讀數(shù)來得知鍋爐的工作狀態(tài)。這種人工方式具有很多缺點:人工讀數(shù)存在主觀的誤差;巡查時間間隔長而且不規(guī)律實時性比較差;歷史數(shù)據(jù)很難進(jìn)行有效管理［3］。WI-FI 無線通信技術(shù)作為新興的短程無線傳輸技術(shù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、能夠直接接入互聯(lián)網(wǎng)、具有良好的擴(kuò)展性等優(yōu)點?；谠摷夹g(shù)的應(yīng)用研究正在快速發(fā)展，WI-FI技術(shù)事實上正在成為物聯(lián)網(wǎng)重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，基于鍋爐配風(fēng)調(diào)節(jié)的實際需求結(jié)合Wi-Fi 通信技術(shù)構(gòu)建了調(diào)節(jié)閥的無線監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鍋爐配風(fēng)情況的無線監(jiān)測和控制，有效提高了鍋爐燃燒效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)管理監(jiān)控軟件，下位機(jī)數(shù)據(jù)采集，步進(jìn)電動機(jī)控制調(diào)節(jié)閥開度，WI-FI 通信，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)等五大部分組成;系統(tǒng)要完成的功能是通過分布在各風(fēng)口的風(fēng)速和溫度傳感器采集相關(guān)的風(fēng)溫，風(fēng)速，風(fēng)量，調(diào)節(jié)閥開度等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過無線的方式上傳到現(xiàn)場監(jiān)控計算機(jī)。由監(jiān)控計算機(jī)將這些數(shù)據(jù)顯示出來，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與管理，當(dāng)風(fēng)溫，風(fēng)速等數(shù)據(jù)超出正常范圍的時候，發(fā)出報警，可以由上位機(jī)控制調(diào)節(jié)閥的開度。使鍋爐始終工作在較好的狀態(tài)，提高效率。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

下位機(jī)主要完成的功能是采集傳感器數(shù)據(jù)并上傳，接收由上位機(jī)發(fā)送的指令對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行控制。硬件結(jié)構(gòu)主要包括:1)MCU 及其最小系統(tǒng)電路;2)總線以及傳感器電路;3)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路;4)WI-FI 通信電路;5)鍵盤，液晶接口電路。其中MCU 選用TI 公司F 系列16 位單片機(jī)MSP430F449。該單片機(jī)擁有豐富的片內(nèi)資源［4］具有兩個串口，將大量的CPU 外圍模塊集成在了片內(nèi)，集成了液晶驅(qū)動器、模擬比較器、14 位的ADC;單片機(jī)內(nèi)部含有60 KB 的flash，能夠滿足數(shù)據(jù)存儲要求不需要擴(kuò)展存儲器［4］。能夠?qū)崿F(xiàn)本處控制任務(wù)，綜合考慮選用此型號單片機(jī)。單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 WI-FI 模塊的設(shè)計

使用無線網(wǎng)絡(luò)可以滿足移動，重定位，特殊網(wǎng)絡(luò)的要求，還能夠覆蓋有線網(wǎng)絡(luò)難以涉及的范圍［5］。IE802.11協(xié)議定義了無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn);作為有線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充，無線網(wǎng)的性能在很多方面已經(jīng)達(dá)到有線網(wǎng)的水準(zhǔn)。依據(jù)目前普遍使用的IE802.11g 標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離達(dá)到100 m，傳輸速率達(dá)到54 Mbit/s;Wi-Fi 是Wi-Fi 聯(lián)盟制造商的商標(biāo)可做為產(chǎn)品的品牌認(rèn)證，Wi-Fi 技術(shù)創(chuàng)建在IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)上;但I(xiàn)EEE 開發(fā)和出版這些標(biāo)準(zhǔn)，卻不測試符合他們的設(shè)備［6］。實現(xiàn)Wi-Fi 通信功能須至少支持以下三層協(xié)議［7］:1)802.11 PHY(物理層協(xié)議)以適應(yīng)每個標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行載波偵聽，數(shù)據(jù)傳輸和接收消息帖;2)802.11 MAC(介質(zhì)訪問控制)MAC 層執(zhí)行許多服務(wù)，并且在無線介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)中使用的協(xié)議棧，主機(jī)運行的OS 和應(yīng)用軟件之間提供緩沖;3)TCP/IP(網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議)由網(wǎng)絡(luò)層的IP 協(xié)議和傳輸層的TCP 協(xié)議組成。TCP/IP 定義了電子設(shè)備如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。通常這些工作需要由兩塊芯片和一個RF 收發(fā)器來完成:一是支持操作系統(tǒng)的MCU，操作系統(tǒng)能夠較好支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;二是MAC 基帶芯片;如果應(yīng)用系統(tǒng)采用的嵌入式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，那么實現(xiàn)通信功能只需無線基帶芯片即可;如果應(yīng)用不運行操作系統(tǒng)，那么實現(xiàn)通信功能要使用集成有片上系統(tǒng)的無線模塊。本系統(tǒng)的MCU 采用的單片機(jī)并不運行操作系統(tǒng)，所以選用由海凌科公司生產(chǎn)的Uart-Wi-Fi 模塊，該模塊內(nèi)置32 位CPU，硬件支持加密;符合GB15629 系列國家無線標(biāo)準(zhǔn)，支持中國無線局域網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)(WAPI)和IEEE802.11a/b/g/i 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。即這個模塊能夠把對Wi-Fi 通信復(fù)雜的操作流程封裝起來，可以通過串口向Wi-Fi 模塊發(fā)送AT 命令來控制，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)也通過串口來完成。電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 Uart-Wi-Fi 電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 執(zhí)行電路設(shè)計

PC 機(jī)作為上位機(jī)，向下位機(jī)發(fā)送指令對網(wǎng)絡(luò)中八臺以主控制器對調(diào)節(jié)閥驅(qū)動裝置(步進(jìn)電動機(jī))進(jìn)行控制。上位機(jī)可以對網(wǎng)絡(luò)中的各個閥門進(jìn)行控制，并顯示閥門的開度數(shù)據(jù)，另外下位機(jī)控制器也可進(jìn)行現(xiàn)場鍵盤控制。為避免系統(tǒng)實際工作時的運動誤差，導(dǎo)致調(diào)節(jié)實效，設(shè)置了反饋傳感器(角位移傳感器)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng);結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 步進(jìn)電動機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

圖5 步進(jìn)電動機(jī)控制框圖

使用、控制步進(jìn)電動機(jī)必須有環(huán)形脈沖，功率放大電路，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。脈沖信號一般由單片機(jī)產(chǎn)生，脈沖信號的占空比為0.3～0.4 左右，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。使用脈沖分配器芯片，來進(jìn)行步進(jìn)電動機(jī)通電換相的控制。由于采用了脈沖分配器，單片機(jī)只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，步進(jìn)電動機(jī)選型主要考慮步距角(涉及到相數(shù))、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素。根據(jù)以上選型原則，為步進(jìn)電動機(jī)選用RORZE 公司的M26213S 兩相步進(jìn)電動機(jī)，該電動機(jī)的步距角為1.8°，電流為3 A/相［6］。其驅(qū)動器就選用與之配套的兩相細(xì)分步步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器RD-0234M。RD-234M 與M23216S 步進(jìn)電動機(jī)的接線情況如圖6 所示。

傳感器具體選擇HY-65D360 型，傳感器信號傳輸為標(biāo)準(zhǔn)RS-485 串行通訊，本處設(shè)計采用被動式傳輸方式。是當(dāng)上位機(jī)發(fā)出位移采集命令時，傳感器才進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)采集結(jié)果上傳。可以直接與單片機(jī)RS-485 接口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊或者是通過RS-232/485 變換裝置直接與上位機(jī)RS-232 串口連接。

圖6 驅(qū)動器接線圖

3 軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件采用IAR 編譯環(huán)境，軟件設(shè)計主要包括以下幾個部分:主程序設(shè)計、Wi-Fi 通訊程序設(shè)計、鍵盤鍵入及顯示程序設(shè)計、電機(jī)控制程序設(shè)計及數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計等。系統(tǒng)通電后首先進(jìn)行各部分的初始化，然后進(jìn)入Wi-Fi 通訊程序循環(huán)等待，當(dāng)收到上位機(jī)命令時，對命令幀進(jìn)行解析，如果是數(shù)據(jù)采集命令則依次采集各傳感器信號，然后組幀發(fā)送給上位機(jī)，幀格式按照事先定義的格式;如果上位機(jī)控制命令時，對命令進(jìn)行解析，調(diào)用步進(jìn)電動機(jī)控制程序，完成后將運行結(jié)果傳送至上位機(jī)。然后繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)等待。

3.1 步進(jìn)電動機(jī)控制程序設(shè)計

該部分完成步進(jìn)電動機(jī)的運動控制以及運動參數(shù)監(jiān)測處理。步進(jìn)電動機(jī)控制命令由上位機(jī)控制軟件發(fā)出，在上位機(jī)監(jiān)控軟件中輸入位移值、速度值，按下“運行”按鈕，將控制數(shù)據(jù)組成命令幀通過Wi-Fi 模塊傳送到單片機(jī)控制器，單片機(jī)將控制要求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖數(shù)發(fā)給步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電動機(jī)閉環(huán)控制以及上位機(jī)關(guān)于閥門開度的顯示是通過角位移傳感器對絲桿的角位移測量來實現(xiàn)。角位移傳感器采用被動式采集方式，只有發(fā)出采集命令以后才會進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，步進(jìn)電動機(jī)完成步進(jìn)量以后即進(jìn)行位移量采集，然后將數(shù)值存入存儲器為其處理做準(zhǔn)備，當(dāng)運行結(jié)束時，下位機(jī)返回一個字符串至串口，該字符串包括了運動結(jié)果的信息，上位機(jī)機(jī)收到這些數(shù)據(jù)后會進(jìn)行處理并顯示出來。如此就完成了一個調(diào)節(jié)操作。軟件設(shè)計流程如圖7 所示。

圖7 步進(jìn)電動機(jī)控制流程圖

3.2 Wi-Fi 通信程序的設(shè)計

本系統(tǒng)中用Wi-Fi 通信模塊來實現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控軟件與下位機(jī)控制器的通信。通信采用基礎(chǔ)方式(路由器以及無線AP 是網(wǎng)絡(luò)的中心)組網(wǎng)，能夠直接接入以太網(wǎng)，單片機(jī)通過串口向Wi-Fi 模塊發(fā)送AT 命令來實現(xiàn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)操作，操作成功時Wi-Fi 模塊都會返回特定的字符串;因此流程每進(jìn)行一步都要解析返回值，正確則繼續(xù)，不正確則返回Wi-Fi 程序起點重新開始;Wi-Fi 模塊常置于接受模式即tcp server 模式，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時直接通過串口傳送給單片機(jī);當(dāng)需要上傳數(shù)據(jù)時，將Wi-Fi 模塊置于發(fā)送模式，即tcp client 模式［4］;該模塊支持最多8 個tcp client 連接，支持最多3 個tcp server 連接。發(fā)送數(shù)據(jù)時，模塊會自動按照tcp/ip 協(xié)議進(jìn)行組幀發(fā)送。具體發(fā)送流程如圖8 所示。

圖8 Wi-Fi 通信程序流程圖

4 運行結(jié)果

運行結(jié)果表明，可以由上位機(jī)采集鍋爐配風(fēng)的數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)所采集數(shù)據(jù)對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制;滿足設(shè)計要求。上位機(jī)監(jiān)控界面由爐鍋爐配風(fēng)監(jiān)控界面，調(diào)節(jié)閥控制界面組成;爐配風(fēng)監(jiān)控界面，由溫度和風(fēng)速以及閥門位置等顯示部分組成。調(diào)節(jié)閥控制界面，由閥位顯示和閥位控制部分組成;即直接鍵入開度值，進(jìn)行調(diào)節(jié);鍋爐配風(fēng)監(jiān)控界面如圖9 所示。

圖9 上位機(jī)監(jiān)控單元界面

結(jié)語

本文闡述了調(diào)節(jié)閥無線監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，軟硬件設(shè)計;重點論述了系統(tǒng)整體設(shè)計思想以及Wi-Fi 通信模塊和電動機(jī)執(zhí)行模塊的設(shè)計。下位機(jī)采用MSP430 設(shè)計的控制器，外圍器件少，性價比高。整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展性好、開發(fā)周期短、可靠性高、使用方便、通用性強(qiáng)和控制精度高等特點，運行平穩(wěn)，控制效果好。

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