復用傳統(tǒng)儀表的火化機工況監(jiān)測系統(tǒng)

史 峰，朱 挺

（1.民政部一零一研究所，北京 100070；2.廣西科技大學 自動化學院，廣西 柳州 545006）

0 引言

火化機工況監(jiān)測系統(tǒng)是對火化機燃燒狀況、排放氣體等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)火化機質(zhì)量檢測、環(huán)保監(jiān)控等功能的智能化系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)為火化機技術的持續(xù)改進提供數(shù)據(jù)支撐，并促進殯葬行業(yè)“雙碳”目標的實現(xiàn)和“綠色殯葬”理念的貫徹落實[2]。

火化機工況監(jiān)測主要包括主燃室溫度、再燃室溫度、主燃室壓差、油耗、含氧量等燃燒狀況和一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等排放氣體的監(jiān)測[3?5]。火化機工況若要實現(xiàn)實時監(jiān)測，需利用物聯(lián)網(wǎng)技術將監(jiān)測儀表采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器端[6?8]。參照其他領域?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)，一般可采用具備聯(lián)網(wǎng)功能的智能儀表進行數(shù)據(jù)采集，但此方案成本較高，大范圍鋪開建設將極大地增加政府財政負擔[9?11]。同時，在現(xiàn)有火化機中，一般用于火化機燃燒控制的控制系統(tǒng)已包含主燃室溫度、再燃室溫度、主燃室壓差、油耗、含氧量等燃燒狀況的傳感器，用于火化機污染物排放檢測的檢測系統(tǒng)也包含了一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等氣體傳感器。若采用智能儀表替代方案，這些傳統(tǒng)儀表只能報廢處理，這將產(chǎn)生巨大的資源浪費。若能復用傳統(tǒng)儀表，火化機的智能化建設將能節(jié)約巨大的成本[12?13]?，F(xiàn)有火化機的溫度傳感器一般可輸出熱電偶電壓信號，壓差、油耗、氣體等傳感器一般可輸出電流信號。這些傳統(tǒng)儀表的信號輸出能力為其復用并進行智能化改造提供了可能。

對傳統(tǒng)儀表進行智能化改造并利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測的方法，在一些領域已有所應用。本文從低成本建設的角度出發(fā)，設計一種復用傳統(tǒng)儀表的火化機工況監(jiān)測系統(tǒng)。首先根據(jù)火化機工況監(jiān)測的需求進行系統(tǒng)總體設計，在此基礎上根據(jù)傳統(tǒng)儀表數(shù)據(jù)采集需求進行系統(tǒng)硬件設計，隨后進行系統(tǒng)軟件設計，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)設計完成后，進行系統(tǒng)精度測試和現(xiàn)場實際工況測試，驗證本文系統(tǒng)的準確性和有效性。

1 系統(tǒng)設計

火化機工況監(jiān)測系統(tǒng)由復用的傳統(tǒng)儀表、數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)服務器以及遠程監(jiān)測終端組成，如圖1 所示。

圖1 火化機工況監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

復用的傳統(tǒng)儀表包含主燃室和再燃室的溫度傳感器、主燃室壓差傳感器、用于油耗測量的流量傳感器、檢測含氧量的氣體傳感器以及排放口的一氧化碳、二氧化硫和氮氧化物氣體傳感器。其中，溫度傳感器輸出熱電偶電壓信號，其余傳感器輸出4～20 mA 電流信號。數(shù)據(jù)采集設備連接傳感器，采集電壓和電流信號，并根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換為溫度、壓差、油耗、含氧量以及各氣體含量等實際物理量；隨后將各實際物理量通過4G/WiFi 無線通信發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)數(shù)據(jù)服務器，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀表的智能化改造。用戶通過遠程監(jiān)測終端訪問數(shù)據(jù)服務器，利用Web 技術實現(xiàn)火化機工況的遠程實時監(jiān)測。

1.1 硬件設計

由系統(tǒng)總體框架可以看出，火化機工況監(jiān)測系統(tǒng)硬件中的傳統(tǒng)儀表、數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)測終端均為商業(yè)現(xiàn)貨，而數(shù)據(jù)采集設備需根據(jù)采用的傳統(tǒng)儀表進行定制設計。火化機工況監(jiān)測系統(tǒng)采用的傳統(tǒng)儀表包含熱電偶信號、電流信號等數(shù)據(jù)輸出，因此數(shù)據(jù)采集設備需具備這些信號的采集能力，并將原始信號轉(zhuǎn)換為實際物理量，通過4G/WiFi 發(fā)送出去。根據(jù)數(shù)據(jù)采集設備的需求，本文系統(tǒng)的硬件由主控模塊、存儲模塊、電源模塊、RS 232 模塊、4G 模塊、WiFi 模塊、熱電偶采集模塊、電流采集模塊等組成，結構圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集設備硬件設計

數(shù)據(jù)采集設備主控模塊由主控芯片和相關外圍電路組成。主控芯片采用意法半導體的STM32F407，該芯片具有Cortex?M4 內(nèi)核，集成了高性能的DSP 浮點運算單元，且工作頻率達到了168 MHz，能夠滿足工況監(jiān)控的需要。外圍電路包括用于計時的晶振、用于復位的復位電路以及用于調(diào)試的JTAG 接口，另外還有一些匹配的電阻、電容、LED 等。

數(shù)據(jù)采集設備使用DC 24 V 進行供電，而內(nèi)部主控模塊、熱電偶模塊、WiFi模塊等的工作電源為DC 3.3 V，4G 模塊工作電源為DC 12 V，電流采集和熱電偶采集的信號隔離模塊采用5 V 和-5 V 供電。因此，電源模塊使用24 V 轉(zhuǎn)12 V DC?DC 模塊提供12 V 4G 模塊電源，使用24 V 轉(zhuǎn)5 V DC?DC 模塊并使用5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 低壓差線性穩(wěn)定器提供3.3 V 電源，使用24 V 轉(zhuǎn)5 V DC?DC 模塊產(chǎn)生5 V 和-5 V 電源供信號隔離使用。

數(shù)據(jù)采集設備中設計了存儲模塊，用于保存系統(tǒng)的參數(shù)。存儲模塊采用FLASH 存儲器W25Q128，F(xiàn)LASH存儲器是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。因此，F(xiàn)LASH 存儲器適合作為系統(tǒng)參數(shù)的存儲器，可在斷電后繼續(xù)保存數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)運行時使用。W25Q128 芯片通過SPI 總線與主控模塊進行通信，主控模塊可將數(shù)據(jù)寫入存儲器，并在需要時從存儲器讀取數(shù)據(jù)。

熱電偶采集模塊用于采集K 型熱電偶的毫伏電壓信號，并根據(jù)K 型熱電偶分度表計算當前溫度。熱電偶采集模塊以ADS1118 芯片為核心采集熱電偶電壓信號。ADS1118 是一款高精度、低功耗的16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），集成了可編程增益放大器（PGA）、電壓基準、振蕩器和高精度溫度傳感器。熱電偶采集模塊通過SPI總線與主控模塊進行通信。

電流采集模塊使用采樣電阻的方式將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，并通過線性光電耦合器進行光耦隔離，保證電路的安全性。模塊采用150 Ω 采樣電阻，將4～20 mA電流值轉(zhuǎn)換為0.6～3 V 電壓值，通過隔離后，再使用高精度AD 采集芯片進行采樣和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)高精度的電流信號采集。

另外，數(shù)據(jù)采集設備采用SP3232 接口芯片構建RS 232 通信模塊，用于將USART 信號轉(zhuǎn)換為RS 232 信號，作為系統(tǒng)的配置接口進行參數(shù)配置；采用WH?LTE?7S4 V2 模組構建4G 模塊，用于系統(tǒng)的4G 通信；采用ESP?07S 模組構建WiFi模塊，用于系統(tǒng)的WiFi通信。

1.2 軟件設計

火化機工況監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要包含數(shù)據(jù)采集設備嵌入式軟件和數(shù)據(jù)服務器服務端軟件。數(shù)據(jù)采集設備嵌入式軟件主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設備的功能，包括功能模塊初始化、系統(tǒng)自檢、參數(shù)配置、網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)采集及通信等步驟。軟件設計具體流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集設備軟件流程

數(shù)據(jù)服務器服務端軟件運行于數(shù)據(jù)服務器中，包含接收數(shù)據(jù)采集設備上傳的數(shù)據(jù)，為監(jiān)測終端提供Web服務以及數(shù)據(jù)和任務的綜合管理。服務端軟件總體框架如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)服務器服務端軟件框架

2 數(shù)據(jù)采集原理

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集主要包含熱電偶電壓信號和4～20 mA 電流信號這兩大類。采集電壓、電流后，又根據(jù)指定的協(xié)議轉(zhuǎn)換為實際物理量，完成各個數(shù)據(jù)的采集。

2.1 熱電偶數(shù)據(jù)采集

火化機主燃室和再燃室溫度主要采用K 型熱電偶進行測量，因此本系統(tǒng)以K 型熱電偶為對象進行溫度數(shù)據(jù)的采集。熱電偶可以將冷端（也稱參考端）和熱端（也稱工作端）的溫度差轉(zhuǎn)換為毫伏電壓信號輸出，不同規(guī)格的熱電偶會有相應的分度表，分度表描述了主要溫差點和電壓的關系，根據(jù)分度表做線性插值可計算出冷熱端的實際溫差[14?16]。冷端通?？梢圆捎脺y溫芯片直接測量出實際溫度，這樣便可獲得熱端的實際溫度，實現(xiàn)溫度測量。本文系統(tǒng)采用ADS1118 芯片采集毫伏電壓信號，并根據(jù)K 型熱電偶分度表計算當前冷熱端溫差，測量的溫度計算公式如下：

式中：Tc為被測對象溫度，單位為℃；vt為熱電偶輸出電壓，單位為mV；v1為分度表中最靠近vt的左端電壓點，單位為mV；T1為v1對應的溫度，單位為℃；v2為分度表中最靠近vt的右端電壓點，單位為mV；T2為v2對應的溫度，單位為℃；T0為冷端實際溫度，單位為℃。

火化機主燃室和再燃室溫度均采用K 型熱電偶進行采集，量程均為0～1 300 ℃，其數(shù)據(jù)采集原理一致。

2.2 電流量數(shù)據(jù)采集

電流信號的采集一般使用采樣電阻的方式將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，之后采用AD 芯片進行采集。本文系統(tǒng)采用150 Ω 采樣電阻，將4～20 mA 電流值轉(zhuǎn)換為0.6～3 V 電壓值，通過隔離后，再使用高精度AD 采集芯片進行采樣和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)高精度的電流信號采集。

采集的電流值計算公式如下：

式中：Ic為信號電流值，單位為mA；vc為AD 采集到的電壓值，單位為V；R為標定后的采樣電阻精確值，單位為Ω；I0為電流零偏值，單位為mA。

系統(tǒng)采集到電流值后，根據(jù)指定的協(xié)議將4～20 mA電流值轉(zhuǎn)換為實際物理量，實現(xiàn)相應數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)中，主燃室壓差、油耗、含氧量、一氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物等信息均采用電流信號進行采集，具體對應關系如表1 所示。

表1 電流信號與實際物理量對應關系

實際物理量可根據(jù)電流信號與其對應的線性關系計算得出，公式如下：

式中：Val 為采集的物理量；Valmax為協(xié)議中該物理量的最大值；Valmin為協(xié)議中該物理量的最小值；Ic為采集的電流值，單位為mA。

3 系統(tǒng)測試及分析

為精確測試系統(tǒng)的監(jiān)測指標，采用高精度儀表模擬火化機傳統(tǒng)儀表的輸出，再接入系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設備，并將系統(tǒng)終端讀數(shù)與高精度儀表輸出進行對比，分析系統(tǒng)監(jiān)測精度。

系統(tǒng)測試主要分為熱電偶信號測試和電流量信號測試兩種。由于火化機主燃室和再燃室溫度的采集原理一致，僅對其中一個熱電偶信號通道進行測試。熱電偶信號測試采用熱電偶信號發(fā)生器——鵬合電子THS10，作為激勵源模擬熱電偶輸出。該發(fā)生器輸出精度可達0.2%。測試時，將信號發(fā)生器接入熱電偶采集通道，如圖5 所示，并在發(fā)生器設置輸出的溫度值，隨后在系統(tǒng)終端讀取采集的溫度值，選取關鍵溫度點進行測試。測試結果如表2 所示。

表2 熱電偶信號測試結果

圖5 熱電偶信號測試連線圖

電流量信號測試是采用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)限流電阻模擬電流信號的輸出，并串接電流表進行電流測量，將其作為標準值。電流表采用Fluke F289C，其電流測量精度可達0.15%。測試中，將直流穩(wěn)壓源、限流電阻和電流表串接，并接入系統(tǒng)電流量采集通道，如圖6所示，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源至所需電流，同時讀取電流表讀數(shù)和系統(tǒng)終端讀數(shù)進行對比。由于各電流量采集原理類似，本文僅展示主燃室壓差的測試結果，如表3 所示。

表3 主燃室壓差測試結果

圖6 電流量信號測試連線圖

經(jīng)測試，油耗、含氧量、一氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物的滿量程誤差均在1%F.S.以內(nèi)。綜上所述，系統(tǒng)熱電偶信號和電流量信號各個數(shù)據(jù)量的采集精度均在1%F.S.以內(nèi)，可滿足火化機工況監(jiān)測的要求。

4 結語

文中基于低碳建設需求，設計了一種復用傳統(tǒng)儀表的火化機工況監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可復用傳統(tǒng)的溫度傳感器、壓差傳感器、油耗傳感器及相關氣體傳感器。通過對火化機燃燒狀況和氣體排放數(shù)據(jù)進行采集，并實時上傳至數(shù)據(jù)服務器，實現(xiàn)終端用戶對火化機工況的實時監(jiān)測。測試結果表明，該系統(tǒng)能滿足火化機工況的實時監(jiān)測需求和精度要求，可為殯葬行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供扎實的技術基礎。