基于煙氣分析儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭文棟，楊耿煌，曹明哲

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

基于煙氣分析儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭文棟，楊耿煌，曹明哲

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的在線監(jiān)測(cè)與分析，便于生產(chǎn)運(yùn)行人員及時(shí)了解和調(diào)整鍋爐的運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)了一種基于煙氣分析儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程通信等功能，解決了人工離線錄入數(shù)據(jù)的難題，為性能優(yōu)化分析、指導(dǎo)運(yùn)行優(yōu)化操作提供了便利?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

煙氣分析儀；數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程通信；優(yōu)化分析

現(xiàn)階段，在火電廠、鋼鐵冶金、石油化工等企業(yè)中大多數(shù)工業(yè)鍋爐都采用煤炭作為主要燃料，為了保證鍋爐設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，重要的就是提高鍋爐燃燒率。為了使鍋爐的燃燒狀況實(shí)時(shí)適應(yīng)變工況，鍋爐運(yùn)行人員需要根據(jù)鍋爐運(yùn)行工況，對(duì)燃燒器出口的風(fēng)速、風(fēng)率和爐內(nèi)空氣系數(shù)等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，改變煙氣中的氧氣量來優(yōu)化鍋爐燃燒工況，提高燃燒效率，達(dá)到節(jié)約能源及減少環(huán)境污染的雙重效果[1-3]。

目前很多火電廠、煉鋼廠、石油化工等企業(yè)都是通過對(duì)煤炭燃燒后煙氣成分的測(cè)量來監(jiān)控鍋爐設(shè)備的運(yùn)行情況，順磁氧含量測(cè)試儀PMA10在煙氣成分中被普遍采用。但是該設(shè)備只能顯示測(cè)量結(jié)果，不具備數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)的功能，不便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信與監(jiān)控。因此，針對(duì)該煙氣成分分析儀，本文設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，具有良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單，體積小巧便于攜帶，具有很強(qiáng)的實(shí)用性與工程應(yīng)用價(jià)值[4]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)可以對(duì)順磁氧含量測(cè)試儀的2種不同組分煙氣成分測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示與存儲(chǔ)，具有較強(qiáng)的通用性與實(shí)用性。該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是順磁氧含量測(cè)試儀通過串口輸出的一連串?dāng)?shù)字信號(hào)序列，采集到的信號(hào)經(jīng)過微控制器，將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，使其成分與含量相對(duì)應(yīng)地實(shí)時(shí)顯示在LCD上，方便運(yùn)行人員及時(shí)了解和改善鍋爐運(yùn)行狀況。依據(jù)LCD上顯示的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過人機(jī)交互界面的控制按鈕選擇性地進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以供后期離線數(shù)據(jù)的分析與性能計(jì)算。利用無線模塊與上位機(jī)軟件建立遠(yuǎn)程通信，將信息實(shí)時(shí)傳遞給上位機(jī)，以便在監(jiān)控室的技術(shù)人員在線監(jiān)控鍋爐運(yùn)行情況，并且從宏觀上指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下6個(gè)模塊:電源模塊、微控制器模塊、無線模塊、串口通信、SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及液晶 LCD顯示模塊。信號(hào)經(jīng)過串口RS3232模塊輸入到微控制器，微控制器模塊一方面將信號(hào)輸出給LCD液晶顯示模塊，并根據(jù)需要選擇性地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；另一方面將數(shù)據(jù)通過無線模塊上傳給上位機(jī)。

2.1 微控制器模塊

本設(shè)計(jì)采用LPC2103FBD48的芯片作為微控制器，該微控制器是PHILIPS公司最新推出的基于ARM7TDMI-S的48管腳的LPC2103，最高工作頻率可達(dá)70 MHz，擁有32 kB的程序存儲(chǔ)器和8 kB的靜態(tài)RAM。LPC2103低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)立的電源和特定的32 768 Hz時(shí)鐘輸入，通用I/O口有32個(gè)。較小的封裝和較低的功耗使LPC2103特別適用于訪問控制和工業(yè)控制。它集成了多種功能模塊，如多個(gè)定時(shí)器、多功能串行接口（USART、I2C、SPI）、10位ADC和DAC、CAN總線接口等。微處理器LPC2103的硬件連接圖如圖2所示。

圖2 微處理器LPC2103硬件連接圖

2.2 電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)中的各個(gè)元件提供工作電壓，一般的適配器輸出電壓為5 V，而STM32F103在正常工作時(shí)需要3.3 V和1.8 V兩種工作電壓，因此需要將5 V電壓通過電壓轉(zhuǎn)換芯片將電壓輸出為3.3 V和1.8 V以供芯片使用。

為了與STM32F103工作電壓保持一致，采用工作電壓為3.3 V的串口MAX3232驅(qū)動(dòng)芯片。電源模塊電路圖如圖3所示。

2.3 液晶LCD顯示模塊

本設(shè)計(jì)選用液晶LCD的型號(hào)為JLX240160G—666，這種液晶模塊由于使用方便、顯示清晰，因此被廣泛應(yīng)用于各種人機(jī)交流界面。它可以顯示240列× 160行點(diǎn)陣單色或者灰度級(jí)圖片，或者顯示7個(gè)/行×5行32×32點(diǎn)陣或顯示10個(gè)/行×6行24×24點(diǎn)陣的漢字，或者顯示15個(gè)/行×10行16×16點(diǎn)陣漢字。它的接口簡(jiǎn)單方便，可以選擇4線SPI串行接口或并行接口。

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，為了節(jié)省芯片的管腳，采用模擬4線SPI串行方式驅(qū)動(dòng)LCD。LCD與微控制器LPC2103的連接圖如圖4所示。

圖4 LCD的連接圖

2.4 SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

很多單片機(jī)系統(tǒng)都需要大容量的存儲(chǔ)設(shè)備，以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。綜合比較發(fā)現(xiàn)，SD卡最適合單片機(jī)系統(tǒng)，不僅容量很大，而且支持SPI接口，方便移動(dòng)。FAT32文件系統(tǒng)是一種完全開源的文件系統(tǒng)模塊，具有良好的硬件移植性，可以對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行讀/寫、文件新建與刪除等操作。

本系統(tǒng)采用SPI模式與LPC2103的硬件接線圖如圖5所示。當(dāng)觀察LCD顯示的數(shù)據(jù)符合要求需要記錄時(shí)，按下記錄按鍵，從此時(shí)開始液晶上顯示的數(shù)據(jù)會(huì)寫到SD卡中，同時(shí)指示燈會(huì)一直閃爍，直到按下保存鍵為止。按下記錄和保存時(shí)，系統(tǒng)均會(huì)提示是否需要記錄和保存，通過取消與確認(rèn)進(jìn)行選擇操作，防止錯(cuò)誤操作。記錄和保存過程中，LCD上均會(huì)顯示記錄中與保存中的字樣。

圖5 SD卡與LPC2103的硬件接線圖

2.5 無線模塊

無線模塊采用的主芯片是NRF24L01，該芯片具有2.4 G全球開放的ISM頻段，最高工作速率為2 Mbps，抗干擾能力強(qiáng)。125個(gè)可選頻道滿足系統(tǒng)中多點(diǎn)通信的需要。內(nèi)置CRC檢錯(cuò)和多點(diǎn)的通信地址控制，可設(shè)置自動(dòng)應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。該芯片通過SPI與外部的MCU進(jìn)行通信，確保傳輸?shù)目焖傩?。將采集的?shù)據(jù)經(jīng)過NRF2401無線模塊傳遞給相匹配的另外一個(gè)或者多個(gè)接收NRF2401無線模塊，接收的數(shù)據(jù)再通過微控制器轉(zhuǎn)換為串口輸出到上位機(jī)，通過上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)通過一對(duì)多的方式，將采集到的數(shù)據(jù)上傳給多個(gè)上位機(jī)，以供實(shí)時(shí)觀測(cè)煙氣中的成分，從而判斷鍋爐的運(yùn)行情況。無線模塊打破了物理線路的限制，可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的傳輸，在監(jiān)控室可以有效地了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行情況，為煙氣監(jiān)控與監(jiān)管提供了便利。

3 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用NI公司開發(fā)的LabVIEW進(jìn)行編程，LabVIEW即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境，是一種典型的圖形化編程語言（G語言）。它具有圖形化編程高性能與靈活性，以及專為測(cè)試、測(cè)量與自動(dòng)化控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，因此它能夠完成本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示等功能。本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)分別為SO2、CO、NO、H2O、CO2、NO2這6種成分的含量，如果采集數(shù)據(jù)有些成分沒有，就會(huì)在相應(yīng)項(xiàng)那欄中顯示***，這使得該設(shè)備具有一定的普適性。根據(jù)顯示的要求，利用LabVIEW設(shè)計(jì)合理的上位機(jī)軟件，以便直觀地顯示。設(shè)計(jì)的上位機(jī)通信界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件

4 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

在嵌入式設(shè)計(jì)過程中，數(shù)據(jù)采集模塊可以采用中斷或查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采用中斷方式進(jìn)行接收，這種方式使得CPU的利用率較高[5～6]；與人機(jī)相關(guān)的采用查詢的方式進(jìn)行查詢，可輪回查詢按鍵的狀態(tài)，根據(jù)按鍵的狀態(tài)執(zhí)行其相對(duì)應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

數(shù)據(jù)采集與處理的步驟:將串口接收到的連續(xù)一串?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)成分進(jìn)行分類實(shí)現(xiàn)右對(duì)齊方式顯示，采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD上。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，按下記錄，系統(tǒng)就會(huì)檢查SD卡是否有文件夾與目前的日期相吻合，如果不存在，就以實(shí)際的年月日命名新建一個(gè)文件夾；如果存在，就在此文件夾中新建一個(gè)txt文件，以實(shí)際的時(shí)、分命名。新建文件的同時(shí)檢查是否有同名文件，如果有同名的文件就在文件名后面加自增的后綴來命名。文件建好后，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)就不斷向其寫入。當(dāng)按下保存，系統(tǒng)就會(huì)提示是否保存，選擇確定，此txt文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)就會(huì)結(jié)束；選擇取消，數(shù)據(jù)還會(huì)繼續(xù)向其寫入。如果需要?jiǎng)h除目前txt文件，只需再次按下記錄鍵，選擇按鈕即可。如果一開始按下的不是記錄鍵，系統(tǒng)就會(huì)提示，請(qǐng)按記錄。SD每次寫入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢查SD卡是否寫滿（容量小于512字節(jié)），如果寫滿，系統(tǒng)就會(huì)在液晶上提示SD已經(jīng)寫滿。系統(tǒng)顯示如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)顯示圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于煙氣分析儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是面向?qū)嶋H生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度直接影響數(shù)據(jù)分析和性能計(jì)算的精度。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠有效指導(dǎo)鍋爐運(yùn)行、檢修和改造，同時(shí)還具備性能優(yōu)化分析和指導(dǎo)運(yùn)行操作等功能，從而提高火力發(fā)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，減少對(duì)環(huán)境的污染，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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［3］李蔚，任浩仁，盛德仁，等.300MW火電機(jī)組在線能耗分析系統(tǒng)的研制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002（11）:154-155.

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Design of data acquisition and processing system based on gas analyzer

ZHENG Wen-dong，YANG Geng-huang，CAO Ming-zhe
（Tianjin Key Laboratory of Information Sensing and Intelligent Control，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In order to realize the on-line monitor and analyze the industrial boiler operation economy，to facilitate operating personnel of the production who can keep abreast of the situation and adjust the boiler operation，the data acquisition and processing system based on gas analyzer are designed in this paper.The device can accurately capture real-time data，and implement the data display，storage，remote communication，etc.It solves the problem of manual offline data entry and provides convenience for performance optimization analysis，optimization operation guidance.The results at fields indicate that the system design is rational and valid.

gas analyzer；data acquisition；remote communication；optimization analysis

TK226.1；TP274

A

2095－0926（2015）02－0011－04

2015-03-24

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（YC14-11）.

鄭文棟（1989—），男，碩士研究生；楊耿煌（1978—），男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚砑夹g(shù)和電力系統(tǒng)自動(dòng)化.