基于多傳感器的火電廠煤粉報(bào)警系統(tǒng)研究

陳節(jié)濤

(國(guó)家能源集團(tuán) 湖北漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川 431614)

火電廠高爐煤粉噴吹是火電發(fā)電的重要步驟[1-2]，高爐煤粉在噴吹過程中，會(huì)造成高爐內(nèi)煤粉濃度過高。在一定空間內(nèi)煤粉濃度超標(biāo)不僅危害工作人員身體健康，也存在較高的爆炸風(fēng)險(xiǎn)[3-5]。為規(guī)范火電廠發(fā)電步驟，保障發(fā)電設(shè)備和工作人員安全和健康，對(duì)高爐內(nèi)煤粉濃度超標(biāo)進(jìn)行報(bào)警十分有必要。包鵬贊等[6]設(shè)計(jì)了配煤系統(tǒng)中短信報(bào)警系統(tǒng)，其利用C#語言編程編寫報(bào)警程序，以調(diào)取煤粉濃度監(jiān)控?cái)?shù)值的形式實(shí)驗(yàn)煤粉濃度超標(biāo)報(bào)警。李劍波等[7]使用紅外傳感器采集兩相氣流數(shù)值，使用氣相色譜方式測(cè)定兩相氣流數(shù)值內(nèi)的煤粉濃度，然后利用用戶端的監(jiān)視器向用戶發(fā)送煤粉濃度報(bào)警信息。上述兩種系統(tǒng)雖均可實(shí)現(xiàn)煤粉濃度超標(biāo)報(bào)警，但前者對(duì)當(dāng)前煤粉濃度監(jiān)控效果需求較高，當(dāng)其煤粉濃度監(jiān)測(cè)效果不佳時(shí)，其報(bào)警效果不理想。后者則在使用氣相色譜檢測(cè)煤粉濃度時(shí)所需時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致煤粉超標(biāo)時(shí)報(bào)警效果不夠及時(shí)。為使煤粉濃度報(bào)警結(jié)果更為精準(zhǔn)和報(bào)警效果更佳，本文設(shè)計(jì)基于多傳感器的火電廠煤粉報(bào)警系統(tǒng)。利用多傳感器采集煤粉濃度信息，使其煤粉濃度數(shù)據(jù)更為全面和準(zhǔn)確。

1 火電廠煤粉報(bào)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

以B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)火電廠煤粉報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?；痣姀S煤粉報(bào)警系統(tǒng)使用多個(gè)電容傳感器采集高爐煤粉噴吹過程中的煤粉傳輸流量濃度數(shù)據(jù)后，使用ZigBee無線傳輸模塊你的路由器和協(xié)調(diào)器將其傳輸?shù)紺PU微控制器內(nèi)。CPU微控制器使用LCD顯示報(bào)警模塊內(nèi)的基于最小二乘法的多點(diǎn)數(shù)據(jù)處理算法繪制煤粉濃度分布曲面，當(dāng)濃度分布曲面超過設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，將報(bào)警信息反饋給CPU微控制器。CPU微控制器利用CAN通信模塊與CAN總線連接監(jiān)控主機(jī)，通過監(jiān)控主機(jī)向用戶發(fā)送煤粉超標(biāo)報(bào)警畫面和報(bào)警提示音。

圖1 火電廠煤粉報(bào)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure diagram of pulverized coal alarm system in thermal power plant

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳輸模塊是實(shí)現(xiàn)煤粉報(bào)警的關(guān)鍵，其是連接粉塵濃度傳感器與監(jiān)控主機(jī)的橋梁[8]。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)如圖2所示。ZigBee無線傳輸模塊的無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)由若干個(gè)粉塵傳感器采集點(diǎn)組成，使用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)粉塵傳感器節(jié)點(diǎn)，使其與路由器形成星型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的粉塵傳感器節(jié)點(diǎn)通信傳輸性能更為穩(wěn)定的同時(shí)，可較大程度地保障數(shù)據(jù)不出現(xiàn)丟失情況[9-10]。各個(gè)路由器之間互相連接形成路由器網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后與協(xié)調(diào)器相連。利用協(xié)調(diào)器與監(jiān)控主機(jī)相連形成火電廠煤粉報(bào)警系統(tǒng)完整的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。用戶通過監(jiān)控主機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送煤粉濃度采集命令后，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)并分配設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址、控制節(jié)點(diǎn)的加入和退出。路由器負(fù)責(zé)接收粉塵傳感器節(jié)點(diǎn)并將其傳輸給協(xié)調(diào)器。

圖2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)示意Fig.2 Schematic diagram of ZigBee wireless network erection

2.2 多傳感器煤粉濃度采集電路設(shè)計(jì)

煤粉濃度采集為氣固相流范疇[11-13]。其采集方法眾多，其中電容法是以煤粉和空氣兩相流混合物的等效介電常數(shù)受煤粉濃度變化情況得到煤粉濃度的方式。電容法使用電容傳感器可做到非接觸式煤粉濃度信息采集，其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛[14]。在此選擇型號(hào)為RN20-M18T電容傳感器采集高爐煤粉噴吹過程中的煤粉傳輸流量濃度數(shù)據(jù)。電容法采集煤粉濃度時(shí)的電路如圖3所示。在多傳感器煤粉濃度采集電路中使用DDS信號(hào)發(fā)生器向電容傳感器內(nèi)置極板發(fā)出一組激勵(lì)信號(hào)和一組參考信號(hào)。其中激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過TIA跨組放大器放大后，再通過交流放大器進(jìn)行放大處理得到一組直流調(diào)制信號(hào)。直流調(diào)制信號(hào)和參考信號(hào)均輸入到模擬乘法器內(nèi)，經(jīng)過信號(hào)模擬和濾波處理后，經(jīng)由ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)轿⒖刂破鲀?nèi)備用。

圖3 多傳感器煤粉濃度采集電路示意Fig.3 Schematic diagram of multi-sensor pulverized coal concentration acquisition circuit

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

火電廠煤粉報(bào)警系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)是保證其正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序越穩(wěn)定，則系統(tǒng)的魯棒性越強(qiáng)[15-16]。在此使用DDK驅(qū)動(dòng)包內(nèi)的分層驅(qū)動(dòng)程序作為本文系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)周期較短且其運(yùn)行代碼數(shù)量少，驅(qū)動(dòng)運(yùn)行順暢。分層驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)流程如圖4所示。分層驅(qū)動(dòng)程序主要由上層過濾驅(qū)動(dòng)程序和下層驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成。當(dāng)用戶發(fā)出煤粉濃度采集、傳輸?shù)让顣r(shí)[17-19]，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃撁钷D(zhuǎn)換成請(qǐng)求派遣包。請(qǐng)求派遣包經(jīng)過上層過濾驅(qū)動(dòng)程序、下層驅(qū)動(dòng)程序后，被發(fā)送到總線驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)。利用總線驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)功能設(shè)備對(duì)象執(zhí)行相應(yīng)命令[20]，即完成整個(gè)系統(tǒng)指令的驅(qū)動(dòng)。

圖4 分層驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)流程示意Fig.4 Schematic diagram of layered driver driving process

3.2 基于最小二乘法的煤粉報(bào)警程序

火電廠煤粉報(bào)警系統(tǒng)的LCD顯示報(bào)警模塊接收到電容傳感器采集到的煤粉濃度信息后，使用最小二乘法對(duì)煤粉濃度信息進(jìn)行曲面擬合，并繪制不同時(shí)刻的煤粉濃度分布曲面，得到高爐煤粉噴吹過程中煤粉量濃度等級(jí)信息。然后設(shè)置煤粉超標(biāo)等級(jí)閾值將當(dāng)期高爐煤粉濃度等級(jí)與所設(shè)置的閾值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)其煤粉濃度超標(biāo)時(shí)，向用戶發(fā)出相應(yīng)的畫面報(bào)警和聲音報(bào)警。將上述過程以軟件編程方式寫入到系統(tǒng)的LCD顯示報(bào)警模塊內(nèi)，通過啟動(dòng)該模塊即可實(shí)現(xiàn)煤粉超標(biāo)報(bào)警，其軟件運(yùn)行過程如圖5所示。

圖5 LCD顯示報(bào)警模塊報(bào)警流程Fig.5 Alarm flow of LCD display alarm module

4 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

以某火電廠的高爐為測(cè)試對(duì)象，使用本文系統(tǒng)對(duì)該高爐煤粉噴吹過程中的煤粉傳輸流量濃度超標(biāo)進(jìn)行報(bào)警。為既簡(jiǎn)化測(cè)試過程又保障測(cè)試結(jié)果具備較高的可靠性，使用Matlab仿真軟件模擬高爐煤粉噴吹過程，并設(shè)置不同測(cè)試環(huán)境，以驗(yàn)證本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

4.1 通信性能測(cè)試

頻譜效率是指信息在傳輸過程中每秒每Hz速率，其是衡量通信傳輸指標(biāo)之一。以頻譜效率為衡量指標(biāo)，分析本文系統(tǒng)在不同數(shù)量通信節(jié)點(diǎn)情況下，其通信頻譜效率理想值與實(shí)際值曲線，結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知，本文系統(tǒng)在通信時(shí)的頻譜效率數(shù)值與通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系。其中在通信節(jié)點(diǎn)不超過1 000個(gè)，系統(tǒng)通信時(shí)的頻率效率數(shù)值與理想值存在一定差距，但相差數(shù)值不大。此時(shí)理想的頻譜效率數(shù)值和本文系統(tǒng)實(shí)際的頻譜效率數(shù)值曲線表現(xiàn)為較大幅度上升趨勢(shì)。當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過1 000個(gè)之后，理想的頻譜效率和本文系統(tǒng)實(shí)際的頻率效率數(shù)值呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)二者曲線逐漸重合，說明此時(shí)系統(tǒng)通信時(shí)的頻譜效率數(shù)值為理想數(shù)值。綜上所述，本文系統(tǒng)在通信過程中通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，其通信效果越符合理想數(shù)值，其較為適合傳輸較大的數(shù)據(jù)量，具備較好的通信性能。

圖6 通信性能測(cè)試結(jié)果Fig.6 Communication performance test results

4.2 及時(shí)性測(cè)試

在Matlab仿真軟件內(nèi)設(shè)置10次煤粉濃度超標(biāo)狀況，并設(shè)置報(bào)警閾值不得超過30 s。測(cè)試本文系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間與發(fā)生煤粉濃度超標(biāo)狀況時(shí)間，分析系統(tǒng)煤粉濃度報(bào)警的及時(shí)性，結(jié)果見表1。由表1可知，在10次煤粉濃度超標(biāo)報(bào)警測(cè)試中，系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間與發(fā)生煤粉濃度超標(biāo)時(shí)間之差最大為16 s，最小僅為3 s。其中最大數(shù)值較所設(shè)閾值低14 s。該數(shù)值說明本文系統(tǒng)可有效在煤粉濃度發(fā)生超標(biāo)時(shí)及時(shí)向用戶發(fā)出報(bào)警提示，且其報(bào)警時(shí)間較為及時(shí)。

表1 煤粉濃度超標(biāo)報(bào)警及時(shí)性測(cè)試結(jié)果Tab.1 Timeliness test results of over standard alarm of pulverized coal concentration

4.3 報(bào)警效果測(cè)試

在仿真軟件內(nèi)設(shè)置煤粉濃度超標(biāo)狀況，測(cè)試本文系統(tǒng)畫面報(bào)警效果，結(jié)果如圖7所示。分析圖7可知，在煤粉濃度報(bào)警畫面中，用戶可觀察到火電廠高爐當(dāng)前壓力數(shù)值，以及該壓力開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間以及保持該壓力的剩余時(shí)間。還有煤粉濃度閾值和當(dāng)前濃度數(shù)值。從煤粉當(dāng)前濃度數(shù)值可看出該數(shù)值已超過所設(shè)置的煤粉濃度閾值，因此本文系統(tǒng)向用戶發(fā)出濃度已超標(biāo)紅色報(bào)警框，且為用戶呈現(xiàn)了報(bào)警等級(jí)。綜上所述，本文系統(tǒng)可有效在高爐煤粉濃度超標(biāo)時(shí)向用戶發(fā)出畫面報(bào)警。

圖7 系統(tǒng)畫面報(bào)警測(cè)試結(jié)果Fig.7 System screen alarm test results

為更充分呈現(xiàn)本文系統(tǒng)報(bào)警效果，下面從語音報(bào)警角度展開測(cè)試。在Matlab仿真軟件內(nèi)設(shè)置8次煤粉濃度超標(biāo)情況，測(cè)試本文系統(tǒng)語音報(bào)警功能，結(jié)果見表2。

表2 煤粉濃度超標(biāo)語音報(bào)警測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of voice alarm for excessive pulverized coal concentration

分析表2可知，本文系統(tǒng)在煤粉濃度超標(biāo)時(shí)，可有效向用戶發(fā)送語音報(bào)警信息，并播報(bào)當(dāng)前煤粉濃度和已超標(biāo)數(shù)值，便于用戶及時(shí)調(diào)整火電廠高爐吹煤相關(guān)參數(shù)。且每次語音報(bào)警在用戶未手動(dòng)終止情況下均播報(bào)3次，每次持續(xù)1 min，能有效提醒工作人員注意報(bào)警。

綜上所述，本文系統(tǒng)的語音播報(bào)能力較好，具備較強(qiáng)的應(yīng)用性。

4.4 兼容性測(cè)試

首先驗(yàn)證本文系統(tǒng)的兼容性。系統(tǒng)的兼容性是描述其軟件和硬件適用于多種運(yùn)行環(huán)境內(nèi)的適應(yīng)度，由于火電廠設(shè)備環(huán)境不同，計(jì)算機(jī)裝機(jī)配置不同，因此對(duì)系統(tǒng)兼容性要求較高。在此分別從軟件、版本、網(wǎng)絡(luò)的兼容角度展開測(cè)試，分析本文系統(tǒng)的兼容性，結(jié)果如圖8所示。分析圖8可知，本文系統(tǒng)在軟件和網(wǎng)絡(luò)方面的兼容度數(shù)值較高，其中軟件的兼容度已達(dá)到98%左右，而網(wǎng)絡(luò)兼容度為97%左右。版本的兼容度稍低，說明本文系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)對(duì)瀏覽器以及硬件版本存在一定需求。但其兼容度數(shù)值依然達(dá)到85%左右，說明本文系統(tǒng)支持大多數(shù)的計(jì)算機(jī)運(yùn)行環(huán)境，在應(yīng)用過程中無須更換火電廠現(xiàn)有計(jì)算機(jī)軟硬件，其具備較好的兼容性。

圖8 系統(tǒng)兼容性測(cè)試結(jié)果Fig.8 System compatibility test results

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)基于多傳感器的火電廠煤粉報(bào)警系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)使用若干個(gè)電容傳感器采集火電廠高爐煤粉噴吹過程中的煤粉濃度。電容傳感器通過連接采集電路，以采集煤粉和空氣兩相流混合物的等效介電常數(shù)形式描述當(dāng)前煤粉濃度。該種煤粉濃度采集方法為無接觸式采集方法且不受環(huán)境影響。使用Matlab仿真軟件搭建仿真環(huán)境測(cè)試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，測(cè)試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)在不同運(yùn)行環(huán)境下具備較強(qiáng)的兼容性；通信傳輸時(shí)的頻譜效率在通信節(jié)點(diǎn)超過1 000個(gè)后接近理想數(shù)值；具備較好的煤粉濃度畫面報(bào)警和語音報(bào)警功能，應(yīng)用性良好。