二氧化碳捕集過程溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽理工大學(xué) 楊 威

二氧化碳捕獲、利用與封存(CCUS)是一種以減少大氣中溫室氣體排放及利用為目標(biāo)的全新技術(shù)。據(jù)調(diào)查，大部分基于CCUS技術(shù)的二氧化碳捕集項(xiàng)目，缺少完善的溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、快速的掌握二氧化碳的溫度和壓力信息。針對(duì)此種情況提出一種結(jié)合4G無線傳輸技術(shù)的溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103C8T6芯片為主控器，對(duì)捕集過程中二氧化碳的溫度和壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合4G無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｔ撓到y(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)性的運(yùn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氧化碳溫度和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為建立一種完善的溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了可行方案。

全球溫室氣體排放量逐年增加，導(dǎo)致惡劣天氣頻出，嚴(yán)重影響人們的正常生活。為應(yīng)對(duì)氣候變化，現(xiàn)實(shí)減排目標(biāo)，CCUS技術(shù)作為一種有效減少二氧化碳排放的技術(shù)手段，國(guó)際能源署面向全球大力推廣。我國(guó)也通過一系列相關(guān)政策積極推動(dòng)CCUS技術(shù)的發(fā)展和示范項(xiàng)目的建設(shè)。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)早年建立的一些CCUS項(xiàng)目大部分采用的是傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是靠工作人員到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)并上報(bào)給監(jiān)測(cè)部門，然后監(jiān)測(cè)部門根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)判定監(jiān)測(cè)參數(shù)是否處于安全范圍內(nèi)。這種工作方式既繁瑣又容易產(chǎn)生紕漏，無法實(shí)時(shí)掌握各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確值。倘若出現(xiàn)工作人員記錄錯(cuò)誤或者無法記錄更容易出現(xiàn)安全問題。

如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠結(jié)合4G無線傳輸技術(shù)，并采用高精度傳感器。不僅可以實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，還提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、精確度和反應(yīng)速度，大大節(jié)省了人工成本。因此，本文設(shè)計(jì)了一套具有高精度、高速度、可靠性強(qiáng)的二氧化碳捕集過程溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用STM32F103C8T6為主控芯片，結(jié)合4G無線傳輸技術(shù)，不僅可以高效地完成多種重復(fù)性工作，還使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加精確，也提高了二氧化碳捕集過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)主要有三大組成部分，分別為：罐內(nèi)采集模塊、4G無線傳輸模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。總體系統(tǒng)如圖1所示。

罐內(nèi)采集模塊對(duì)二氧化碳的溫度和壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)首先通過微控制器進(jìn)行初步處理和分析，并且將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH閃存中，然后通過4G無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。倘若數(shù)據(jù)值出現(xiàn)異常則立刻通過蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。

在工業(yè)復(fù)雜惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下，周圍環(huán)境中的溫度和壓力就會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。例如生產(chǎn)設(shè)備在滿負(fù)荷的工作狀態(tài)下，自生產(chǎn)生的大量熱量在一瞬間向外圍環(huán)境中釋放，對(duì)溫度傳感器的冷端信號(hào)采集造成影響，無法收集正確的低溫對(duì)比信號(hào)。因此系統(tǒng)對(duì)收集到的信號(hào)要進(jìn)行放大、濾波和模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)處理。這樣有利于A/D轉(zhuǎn)換（模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)）的準(zhǔn)確性，并提高了效率，避免了復(fù)雜信號(hào)的干擾。

圖1 二氧化碳捕集過程中溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 罐內(nèi)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

罐內(nèi)采集模塊硬件主要實(shí)現(xiàn)（溫度、壓力）信號(hào)采集處理、數(shù)據(jù)傳輸、提前預(yù)警的功能。系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，它是一款基于Advanced RISC Machinew為內(nèi)核的STM32芯片系列的微控制器，采用容量為64KB的程序存儲(chǔ)空間，穩(wěn)定工作電壓在2V～2.6V之間。罐內(nèi)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 采集模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 壓力變送器電路

通用型壓阻式壓力變送器CS-PT300 G型是一款可進(jìn)行全溫區(qū)數(shù)字補(bǔ)償、三線制電壓輸出的壓力變送器。具有高精度、高可靠性、高性價(jià)比、量程可變的特性。廣泛用于氣體、液體壓力檢測(cè)的工業(yè)環(huán)境。CS-PT300 G型變送器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，需要配合一個(gè)AD7765轉(zhuǎn)換芯片一起使用，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后傳送給STM32微控制器。壓力變送器電路如圖3所示。

圖3 壓力變送器電路

2.1.2 溫度傳感器電路

本系統(tǒng)采集的是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳捕集過程中的高溫二氧化碳?xì)怏w，所以采用WRN-130 K型熱電偶溫度傳感器，并結(jié)合MAX6675芯片對(duì)采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行處理。熱電偶式溫度傳感器采集采用二線制信號(hào)輸出，得到的信號(hào)值比較小，需要通過MAX6675芯片進(jìn)行濾波和放大處理，并且將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，再傳送給單片機(jī)。溫度傳感器電路如圖4所示。

圖4 溫度傳感器電路

2.2 4G無線傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸通過4G無線傳輸模塊完成，考慮到工廠的復(fù)雜環(huán)境和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用由中國(guó)移動(dòng)推出的TEL Cat1新型模塊ML302，通過串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)主要是由兩大部分組成，分別為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)。結(jié)合實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，本設(shè)計(jì)采用眾山云服務(wù)器作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，其超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，大大滿足了設(shè)計(jì)對(duì)其快速計(jì)算、高速處理、超大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。在結(jié)合4G無線數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算出二氧化碳的溫度和壓力數(shù)值，并通過大屏幕在線實(shí)時(shí)顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

二氧化碳捕集過程溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件需要完成罐內(nèi)信號(hào)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、溫度和壓力補(bǔ)償計(jì)算、監(jiān)測(cè)界面在線顯示等功能。軟件編程系統(tǒng)基于Keil uvision4開發(fā)環(huán)境，采用MySQL數(shù)據(jù)庫，利用C++語言進(jìn)行編程開發(fā)。

二氧化碳捕集過程溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在初始化和參數(shù)配置完成后，啟動(dòng)罐內(nèi)采集模塊完成溫度、壓力的采集，并通過4G無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，服務(wù)器儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)并上傳給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，得出實(shí)際的溫度和壓力值并在線顯示。監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件流程圖

結(jié)論：本文完成了二氧化碳捕集過程溫壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不僅滿足了基本設(shè)計(jì)要求，而且具有較高的靈活性，有利于以后的系統(tǒng)升級(jí)，能夠適應(yīng)更多、更為復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。