基于LoRa通信的空冷凝汽器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

胡佳佳,李志斌，韓 祥，杜敏榮

(上海電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，上海 200090)

0 引言

直接空冷技術(shù)相比于濕冷技術(shù)，具有節(jié)約用水，經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，在富煤缺水地區(qū)的火力發(fā)電廠中得到廣泛應(yīng)用[1-2]?？绽淠骼美淇諝鈱嵴羝淠伤?，在冬季氣溫較低的北方，由于設(shè)備直接暴露在大氣環(huán)境中，冷凝水凍結(jié)造成散熱管束破裂的事件屢有發(fā)生，嚴重影響機組的運行，造成經(jīng)濟損失，并且維修成本高。

空冷凝汽器系統(tǒng)規(guī)模龐大，現(xiàn)場情況復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻等有線測溫方式，存在布線供電復(fù)雜，安裝困難，測量精度不高，造價高、維護困難等問題，很難大規(guī)模靈活的監(jiān)測空冷凝汽器的溫度場。針對上述問題，為有效的預(yù)防凍結(jié)現(xiàn)象，設(shè)計了基于LoRa無線通信的空冷凝汽器監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

基于LoRa通信的空冷凝汽器監(jiān)測系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和監(jiān)測界面等部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示，數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要通過傳感器采集空冷島A型塔的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等信息，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過LoRa無線發(fā)送裝置短距離發(fā)送到匯聚節(jié)點。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點與采集節(jié)點進行組網(wǎng)，接收所在區(qū)域內(nèi)的節(jié)點數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行整理后，透傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收LoRa匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，再通過TCP/IP協(xié)議上傳到上位機。同時擴展RS485接口，可通過ModBus協(xié)議接入電廠的DCS系統(tǒng)。上位機實時顯示空冷凝汽器A型塔的溫度場信息，根據(jù)工作人員設(shè)定的溫度閾值進行防凍預(yù)警，便于巡檢。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件分為3部分(數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點)，具體硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要包括控制器MSP430、SX1278LoRa模塊、STS35-Dis溫度傳感器、MPU6050傾角傳感器、HSTL-FSX03風(fēng)速風(fēng)向傳感器、電源供電模塊。數(shù)據(jù)采集節(jié)點最主要是溫度節(jié)點，采集空冷凝汽器上溫度信息、通過LoRa無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)?？紤]空冷凝汽器的空中運行安全問題，采用傾角傳感器MPU6050監(jiān)控它的擺動傾角。風(fēng)速及風(fēng)向是影響空冷機組的運行的重要因素，采用HSTL-FSX03風(fēng)速風(fēng)向傳感器進行測量。系統(tǒng)采用5 V鋰電池供電，設(shè)計時充分考慮的控制器、傳感器以及電路設(shè)計的低功耗。

數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點采用STM32F4為主控芯片，通過LoRa接收和發(fā)射模塊接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。此節(jié)點帶有數(shù)據(jù)存儲功能，若遇到LoRa遠距離無法上傳數(shù)據(jù)問題時，可緩存數(shù)據(jù)，等待再次上傳。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用ARM8芯片，通過LoRa接收匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)發(fā)送至上位機。預(yù)留485模塊，便于接入電廠DCS系統(tǒng)。

2.1 溫度測量

空冷凝汽器監(jiān)測系統(tǒng)主要考慮迎風(fēng)面低溫回流管束的情況，將在A型塔的冷卻管束迎風(fēng)面布置溫度測點，測點要求有一定密度，但是體積不能太大，太大會影響散熱管束的散熱效果。在溫度測量中，測量值要保證能最大限度的接近管束內(nèi)流體溫度，并安裝在最容易結(jié)冰的區(qū)域，從而預(yù)防凍結(jié)事件發(fā)生。本系統(tǒng)選用的STS35-Dis溫度傳感器是一種高精度的數(shù)字傳感器，體積小、功耗低，量程在-55～125 ℃，精度達到±0.1 ℃，滿足系統(tǒng)需求，采用I2C接口，轉(zhuǎn)換速度快，分辨率高。電路設(shè)計簡單，與MSP430相連只需要2個管腳，節(jié)約IO資源。具體電路圖如圖3所示。

圖3 溫度測量電路

2.2 溫度布點選擇

空冷機組正常運行時，在汽輪機做功后，會將蒸汽送入空冷凝汽器的蒸汽分配管道，并由蒸汽分配管道向各冷卻單元進行配汽。散熱管束可分為順流區(qū)和逆流區(qū)，管束內(nèi)蒸汽流動過程如圖4所示。空冷風(fēng)機將冷空氣自下往上吹，順流區(qū)管束內(nèi)蒸汽自上往下流動，與冷空氣充分換熱凝結(jié)成水，凝結(jié)水量在管束下方逐漸增多，在冬季環(huán)境溫度較低的情況下，順流區(qū)的蒸汽在管束下方完全凝結(jié)為水，極有可能發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象。逆流區(qū)管束內(nèi)蒸汽從凝結(jié)水聯(lián)箱自下而上進入，與冷空氣繼續(xù)換熱，管束上方蒸汽量逐漸減少，由于管束上方存在夾帶蒸汽不凝氣體，在空氣冷卻能力較強時，會出現(xiàn)絮狀結(jié)冰現(xiàn)象，嚴重時造成管束堵塞。

圖4 管束蒸汽流動示意圖

空冷凝汽器散熱管束的表面溫度客觀反映了蒸汽分配不合理以及管束凍結(jié)等情況，所以在對其進行溫度監(jiān)測時，采用均勻布點和集中布點相結(jié)合的方法，對順流區(qū)的下部以及逆流區(qū)的上部區(qū)域進行重點監(jiān)測，具體布點圖如圖5所示。

圖5 順逆流區(qū)布點示意圖

為準確采集散熱管束內(nèi)部溫度，必須保證傳感器與管束翅根接觸面積盡可能大，STS35-Dis溫度傳感器體積為2.6 mm×2.6 mm×1 mm，可以直接伸入翅片內(nèi)部與管壁貼合，從而實現(xiàn)準確測溫。

2.3 LoRa無線傳輸

相對于WiFi和ZigBee等無線通信方式，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸采用LoRa無線技術(shù)，傳輸距離更遠，功耗更低。本系統(tǒng)選擇高性能的SX1278系列射頻芯片，多通道傳輸，接收電流為9.9 mA，可以達到-148 dBm的高靈敏度，抗干擾性強，最遠通信距離長達15 km。系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)快捷?？紤]到距離過遠的丟包問題，系統(tǒng)會在合適的距離增加LoRa匯聚節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透傳。SX1278芯片具有256字節(jié)的FIFO，單片機MSP430可通過SPI總線控制SX1278的信道和使用頻段，頻段為433 MHz，當(dāng)MSP430采集完傳感器數(shù)據(jù)送入SX1278，由SX1278將數(shù)據(jù)上傳到匯聚節(jié)點，具體電路如圖6所示。

圖6 LoRa無線傳輸電路

3 軟件設(shè)計

空冷散熱器的監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件、網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件和上位機顯示界面組成。

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點

數(shù)據(jù)采集節(jié)點通電后，對系統(tǒng)進行初始化，檢查傳感器和LoRa無線模塊能否正常工作，每隔1 s采集傳感器信息，對數(shù)據(jù)進行平滑處理，將數(shù)據(jù)通過LoRa無線模塊發(fā)送定時到匯聚節(jié)點，具體流程圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件流程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件采用μC/OS-II小型操作系統(tǒng)實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，移植LWIP協(xié)議棧實現(xiàn)TCP/IP以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。網(wǎng)關(guān)節(jié)點上電后，對系統(tǒng)進行初始化，檢查LoRa模塊并進行組網(wǎng)，組網(wǎng)完成后，實時接收匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照一定格式通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。若要接入DCS系統(tǒng)時，則打開RS485通信模塊，以MODBUS協(xié)議格式向DCS系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。具體軟件流程如圖8所示。

圖8 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件流程

3.3 上位機設(shè)計

上位機采用C#語言編寫，包括系統(tǒng)管理、監(jiān)測界面、數(shù)據(jù)通信、記錄查詢等模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 上位機系統(tǒng)框圖

溫度場顯示模塊采用不同顏色顯示負溫度、低溫和正常溫度，工作人員可以非常直觀地判斷疑似故障點，再進行現(xiàn)場的排查。在防凍預(yù)警模塊中，每個區(qū)域可以人為設(shè)置溫度閾值，當(dāng)溫度超出閾值范圍時，會觸發(fā)報警，警示工作人員進行相應(yīng)的處理。數(shù)據(jù)管理采用MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，將每個觀測點的數(shù)據(jù)保存下來，為記錄查詢提供數(shù)據(jù)支持。

4 測試與實驗

4.1 測溫誤差分析

溫度采集節(jié)點在實際應(yīng)用中必須防水防風(fēng)，所以對STS35-Dis溫度傳感器進行了封裝，為降低封裝對傳感器測溫的誤差，進行恒溫測試，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測溫數(shù)據(jù)表 ℃

將傳感器節(jié)點放在恒溫槽中，先進行升溫測試，再進行降溫測試。實驗數(shù)據(jù)表明，誤差穩(wěn)定在0.3 ℃，對傳感器進行誤差補償，測溫精度得到提高。

4.2 LoRa通信測試分析

本文設(shè)計的基于LoRa通信的空冷散熱器監(jiān)測系統(tǒng)采用無線通信方式，保證系統(tǒng)傳輸信息的可靠性，穩(wěn)定性尤為重要。溫度采集節(jié)點每10 s向匯聚節(jié)點發(fā)送一次數(shù)據(jù)，通過改變采集節(jié)點與匯聚節(jié)點的安放距離，研究接收數(shù)據(jù)的丟包率和錯誤率，具體實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，LoRa無線傳輸數(shù)據(jù)過程中隨距離的增大而不穩(wěn)定，當(dāng)距離超過2 000 m時，發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤和丟包的現(xiàn)象。為保證其可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)應(yīng)在1 500 m以內(nèi)的范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸。

表2 LoRa傳輸數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計的基于LoRa通信的空冷凝汽器監(jiān)測系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)的有線測點，引入物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)，實現(xiàn)凝汽器溫度場的信息交互，提高了系統(tǒng)的靈活性。利用高精度的傳感器，準確采集溫度信息，并形象

的描繪出空冷散熱器的溫度場，有利于工作人員了解空冷凝汽器的運行情況，預(yù)防凍結(jié)問題。實際實驗表明，該系統(tǒng)采集精度高，實時性好，可靠性高，布點方便，維護高效簡單。