基于STM32的工業(yè)鍋爐水垢監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳俊霖，郝一男，鄧 娟

(1.重慶移通學(xué)院，重慶 401520；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

0 引言

工業(yè)鍋爐在提高國(guó)家工業(yè)化水平過(guò)程中至關(guān)重要，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)到2022年我國(guó)的工業(yè)鍋爐將達(dá)到69萬(wàn)蒸發(fā)量噸[1]。鍋爐內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕、汽水共騰等現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致鍋爐的壽命減短、燃料浪費(fèi)和影響正常的水循環(huán)等[2]，其中鍋爐內(nèi)壁結(jié)垢的問(wèn)題最為常見，為了解決這種問(wèn)題，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，如程更生[3]對(duì)鍋爐排污及水垢的形成進(jìn)行了研究，得出了水垢產(chǎn)生的多種危害，范家彬[4]也淺析了水垢對(duì)鍋爐的危害及形成原因，兩者對(duì)水垢的形成和危害都進(jìn)行了深入探討，總結(jié)了水垢成因的幾點(diǎn)因素，但是未能給出可用的解決辦法；張兵等[5]開發(fā)了一種鍋爐除垢防腐劑，對(duì)水垢中的金屬離子有很好的溶解作用，張敏等[6]針對(duì)鍋爐腔內(nèi)壁上生成的碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽等混合水垢，采用堿煮轉(zhuǎn)化+酸洗相結(jié)合的方式進(jìn)行化學(xué)清洗取得了很好的效果，兩者在論文中提出了不同的水垢去除方式，取得了很好的效果，但是實(shí)施該方法時(shí)需要專業(yè)人員監(jiān)護(hù)，人力財(cái)力花費(fèi)巨大；徐江陵[7]開發(fā)了循環(huán)水腐蝕結(jié)垢在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)，能夠預(yù)測(cè)出水質(zhì)腐蝕結(jié)垢變化曲線，朱文嫻等[8]針對(duì)鍋爐水垢難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)采用模糊控制算法開發(fā)了水垢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路，基本實(shí)現(xiàn)水垢的預(yù)測(cè)，兩者都對(duì)水垢形成進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)，但是未能設(shè)計(jì)出一套智能除垢系統(tǒng)，難以在市場(chǎng)推廣應(yīng)用。

研究發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)鍋爐運(yùn)行中，為了達(dá)到阻垢除垢的目的，廠家大都在鍋爐中加入腐植酸鈉復(fù)合水處理藥劑，這種添加水處理的方法具有不增加設(shè)備和不改變循環(huán)水環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[9],但如何構(gòu)建使用腐植酸鈉進(jìn)行加藥以實(shí)現(xiàn)防垢除垢功能的鍋爐防垢系統(tǒng)還需要進(jìn)一步研究，特別是構(gòu)建智能化動(dòng)態(tài)水質(zhì)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍋爐的在線除垢防垢需要更深入的研究，基于上述分析，本文以傳感器采集水質(zhì)參數(shù)、以STM32為核心，設(shè)計(jì)開發(fā)一種集采集和控制為一體的終端設(shè)備，構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)的鍋爐水垢監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)而確保鍋爐的安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由水質(zhì)采集模塊、中央處理模塊和加藥與排污模塊3部分構(gòu)成。水質(zhì)采集模塊由進(jìn)、出水口水質(zhì)采集模塊組成，檢測(cè)該處水的多種質(zhì)量參數(shù)，作為系統(tǒng)終端；中央處理模塊負(fù)責(zé)4G網(wǎng)絡(luò)的組建、數(shù)據(jù)的處理、顯示和指令的控制，作為系統(tǒng)的控制中心。加藥與排污模塊根據(jù)上位機(jī)指令完成對(duì)鍋爐進(jìn)行加藥或排污動(dòng)作，作為系統(tǒng)控制終端。各個(gè)模塊間通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊。圖1為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由水質(zhì)采集模塊、中央處理模塊和加藥與排污模塊組成。圖2是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。其中中央處理模塊的硬件是購(gòu)買的串口轉(zhuǎn)無(wú)線透?jìng)髂K，這里不介紹。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 水質(zhì)采集模塊

水質(zhì)采集模塊由STM32外圍電路和水質(zhì)傳感器外圍電路構(gòu)成，通過(guò)RS485接口通信。

2.1.1 STM32外圍電路

圖3為水質(zhì)采集模塊STM32外圍電路圖，采用TTL轉(zhuǎn)RS485電平的方式與外部3個(gè)傳感器連接，使用USART方式直接與ZigBee模塊LRF215A_PA連接。RS485通訊方式具有接口簡(jiǎn)單、傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，單片機(jī)能夠通過(guò)串口直接向LRF215A_PA模塊發(fā)送AT指令控制該模塊，能夠縮短開發(fā)周期。在電平轉(zhuǎn)換電路中使用普遍應(yīng)用的SP3485轉(zhuǎn)換芯片，是一種低功耗半雙工RS485收發(fā)器，具有工作穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)，LRF215A_PA是一款無(wú)線轉(zhuǎn)串口透?jìng)髂K，串口指令上面封裝了所有無(wú)線相關(guān)的操作，主控芯片為CC2530，具有傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[10]。

圖3 STM32外圍電路

2.1.2 水質(zhì)傳感器

為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，傳感器將布置于鍋爐的進(jìn)水口和出水口，采集2個(gè)信道的數(shù)據(jù)，由于出水口循環(huán)水的溫度較高，一般傳感器需要外加很多的保護(hù)措施才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，設(shè)計(jì)復(fù)雜。本設(shè)計(jì)使用金屬?gòu)?fù)合材料傳感器探頭連接變送器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，金屬?gòu)?fù)合材料的傳感器探頭能夠在高溫下正常工作，變送器將傳感器探頭的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，方便讀取、顯示和傳輸。采用RMD-ISHC20型pH傳感器、RMD-ISEP10型電導(dǎo)率傳感器。鈣鎂離子復(fù)合電極水質(zhì)硬度傳感器，以上傳感器測(cè)量工作穩(wěn)定、范圍廣、精度高，采用RS485輸出型變送器。

2.2 加藥與排污模塊

加藥與排污模塊功能由單片機(jī)控制三極管的開關(guān)驅(qū)動(dòng)繼電器觸點(diǎn)的開、閉來(lái)實(shí)現(xiàn)。在電路中，單片機(jī)通過(guò)USART接收PC端發(fā)送的指令，GPIO發(fā)送的微弱信號(hào)由三極管放大控制繼電器觸點(diǎn)的開、合，繼電器觸點(diǎn)連接電磁閥實(shí)現(xiàn)加藥與排污閥門的打開和關(guān)閉，利用二極管的單向?qū)ㄐ员Ｗo(hù)繼電器的線圈。加藥與排污模塊電路圖見圖4。

圖4 加藥、排污模塊電路圖

2.3 電源模塊

因?yàn)樗|(zhì)采集模塊和中央處理模塊各芯片的適配電壓值多樣，同時(shí)考慮到系統(tǒng)功率因素，還要保證系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣情況下能正常供電，決定采用12 V/6 A的適配器作為電源，并使用MP2359和LM2576-3.3V芯片設(shè)計(jì)電源電路，電源電路圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)中各模塊的主芯片的VCC為5 V和3.3 V，據(jù)此設(shè)計(jì)了芯片的電源電路。如圖5所示。采用12 V的電源適配器，經(jīng)過(guò)MP2359和LM2576芯片降壓穩(wěn)壓后給各個(gè)模塊芯片供電。LM2576系列芯片是一種開關(guān)型穩(wěn)壓降壓芯片，它的內(nèi)部封裝有完整的過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)電路[11]，輸出電壓紋波小，輸出最大電流為3 A，使用少量的外接元器件就可以搭建穩(wěn)定的5 V降壓輸出電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由水質(zhì)檢測(cè)模塊、中央處理模塊和工業(yè)鍋爐水垢監(jiān)控系統(tǒng)可視化界面組成。

3.1 水質(zhì)檢測(cè)模塊

水質(zhì)檢測(cè)模塊具體流程如圖6所示。水質(zhì)檢測(cè)模塊端程序的主要作用是周期性的檢測(cè)多種水質(zhì)信號(hào)參數(shù)，并將參數(shù)的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給中央處理模塊的ZigBee模塊。

圖6 水質(zhì)監(jiān)測(cè)軟件流程圖

系統(tǒng)首先初始化，建立網(wǎng)絡(luò)連接，然后傳感器通過(guò)內(nèi)部集成器件檢測(cè)到水質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)后通過(guò)串口將信號(hào)傳送給STM32，STM32將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送到ZigBee模塊，ZigBee模塊通過(guò)Z-Stack協(xié)議棧將數(shù)據(jù)發(fā)送至中央處理模塊，最后檢測(cè)是否接收到加藥或排污指令，若有，通過(guò)GPIO控制繼電器進(jìn)行相應(yīng)指令操作，否則，開始新一輪檢測(cè)工作。

3.2 中央處理模塊

中央處理模塊的流程圖如圖7所示，通過(guò)購(gòu)買的串口轉(zhuǎn)無(wú)線透?jìng)髂K硬件接收水質(zhì)檢測(cè)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包解碼后顯示各采集點(diǎn)水質(zhì)的真實(shí)值，向排污與加藥模塊發(fā)送指令，在線修改各種水質(zhì)閾值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加藥、排污功能，也能夠通過(guò)人工判斷進(jìn)行手動(dòng)加藥、排污。

圖7 中央處理模塊流程圖

3.3 可視化界面

為了實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，便于工作人員對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的后續(xù)采集和分析。設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)可視化界面軟件，該軟件具有數(shù)據(jù)可視化和存儲(chǔ)功能。軟件通過(guò)PYQT設(shè)計(jì)，PYQT是一個(gè)創(chuàng)建GUI應(yīng)用程序的工具包。它是Python編程語(yǔ)言和Qt庫(kù)的成功融合，PYQT設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件具有開發(fā)周期短、插件豐富等優(yōu)點(diǎn)。

4 測(cè)試與分析

依據(jù)上述對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件的研究分析，本文研發(fā)了基于STM32的工業(yè)鍋爐水垢監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)系統(tǒng)的功能和測(cè)量精度進(jìn)行了模擬測(cè)試，按照?qǐng)D8的方式建立了測(cè)試平臺(tái)，以2.5 L的玻璃燒杯模擬鍋爐，并在進(jìn)水口和出水口處安裝了水質(zhì)檢測(cè)模塊。開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用水泵向燒杯中注水，形成工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)，在循環(huán)過(guò)程中觀察系統(tǒng)界面是否正常顯示水質(zhì)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。圖9為系統(tǒng)測(cè)試時(shí)某個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)界面截圖，將記錄的數(shù)據(jù)同標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，誤差結(jié)果如表1所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖9 可視化界面

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差表

由圖9看出，系統(tǒng)測(cè)量的電導(dǎo)率值、pH值、硬度值都正常地顯示在了界面上，并在后臺(tái)進(jìn)行了保存，點(diǎn)擊命令窗口的“開始加藥”按鈕與“開始排污”按鈕后，加藥與排污模塊的繼電器觸點(diǎn)吸合，點(diǎn)擊結(jié)束按鈕后對(duì)應(yīng)的繼電器觸點(diǎn)斷開，證明系統(tǒng)預(yù)計(jì)的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。觀察表1的數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)檢測(cè)的水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)儀表測(cè)量的數(shù)據(jù)的誤差較小，全部保持在5%以下，表明系統(tǒng)的檢測(cè)精度較高。基于以上分析可得，系統(tǒng)在功能實(shí)現(xiàn)和測(cè)量精度上都能滿足設(shè)計(jì)的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于STM32的工業(yè)鍋爐水垢監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將嵌入式與ZigBee技術(shù)結(jié)合，采用多點(diǎn)測(cè)量和多項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)采集相融合的方式檢測(cè)循環(huán)水水質(zhì)。對(duì)硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了系統(tǒng)的可行性。