鍋爐多路風(fēng)壓風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

風(fēng)量和煤粉的均勻分配是保障工業(yè)燃煤鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要條件，也是保證煤粉充分燃燒的決定性因素。鍋爐良好的燃燒狀態(tài)可有效避免爐內(nèi)火焰中心偏移、防止?fàn)t鏜兩側(cè)溫差過大、降低能耗及提高設(shè)備的使用壽命。因此，采用科學(xué)的方法，較為精確的實(shí)時(shí)監(jiān)控各噴燃器入口的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等參數(shù)，是工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必備前提。

在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，由于受測(cè)量手段等諸多因素的影響，目前國內(nèi)電廠對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐一、二次風(fēng)速的檢測(cè)普遍采用靜壓測(cè)量方式，因此不能正確反映一、二次風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速等狀況；此外，由于在單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入噴燃器的風(fēng)量不僅取決于壓力，還與風(fēng)速、溫度有著密切的關(guān)系，增加了測(cè)量難度。傳統(tǒng)的鍋爐參數(shù)測(cè)量多采用單通道、專門功能的計(jì)量儀表，不能滿足多通道的綜合檢測(cè)、集中監(jiān)控與數(shù)據(jù)比較分析的需要。本設(shè)計(jì)采用低成本的單片機(jī)和外圍監(jiān)測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐多通道風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示，并與上位機(jī)通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、打印與存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)組成和工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

本監(jiān)測(cè)儀采用89C52單片機(jī)作為核心控制器件，按照模塊化的設(shè)計(jì)原則，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為：CPU主控卡、通道控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、A／D轉(zhuǎn)換、放大電路、鍵盤及顯示等功能模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)果使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，便于維護(hù)，可靠性得到提高，而且也使系統(tǒng)的功能擴(kuò)展成為可能，可為系統(tǒng)預(yù)留一定的升級(jí)空間。

2.2 工作原理

鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理為：鍵盤／顯示模塊作為外設(shè)與CPU實(shí)現(xiàn)人一機(jī)信息交流；同時(shí)，CPU經(jīng)通道控制模塊選擇采集通道，對(duì)被選擇通道的數(shù)據(jù)相繼進(jìn)行信號(hào)采集、放大、A／D轉(zhuǎn)換后輸入CPU，在CPU內(nèi)部經(jīng)運(yùn)算、比較、數(shù)值轉(zhuǎn)換處理后輸出到鍵盤／顯示模塊，顯示所要監(jiān)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)要求顯示風(fēng)壓大小時(shí)，直接將采集的風(fēng)壓數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換即可；當(dāng)要求顯示風(fēng)速大小時(shí)，則須將采集的風(fēng)壓和溫度數(shù)據(jù)按照式(4)計(jì)算(軟件程序計(jì)算)后，送鍵盤／顯示模塊顯示相應(yīng)通道及風(fēng)速。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 通道選擇電路

本系統(tǒng)共有16路數(shù)據(jù)采集通道，表1為通道選擇真值表，可以通過89C52的P1口控制16個(gè)通道的選通狀態(tài)(Q1～Q4)。圖2為通道選擇控制電路，8D鎖存器74LS373的輸入引腳D1～D8與89C52的P1口連接，輸出腳Q1～Q6用于選擇控制16個(gè)通道，其中：Q4，Q5，Q6分別與A1(74LS138)的A、B、C腳相連；定義A1的輸出口Y0，Y1為A2或A3的片選控制信號(hào)，當(dāng)Y0為低電平時(shí)選擇A2芯片工作，當(dāng)Y1為低點(diǎn)平時(shí)選擇A3工作；74LS373的Q1，Q2，Q3則分別與A2，A3芯片的A，B，C腳直接相連，實(shí)現(xiàn)采集通道的8選1控制，再與Q4高／低電平2個(gè)狀態(tài)結(jié)合，就可實(shí)現(xiàn)16路通道的選擇。

3.2 程控信號(hào)放大電路

傳感器輸出的電壓信號(hào)比較小，與A／D轉(zhuǎn)換輸入端口不匹配，必須在A／D轉(zhuǎn)換前加一個(gè)信號(hào)放大電路，選用超低漂移高精度運(yùn)算放大器OPO7。又由于通道數(shù)較多，各通道參數(shù)的精度、量程不同，因此，監(jiān)測(cè)到的信號(hào)需要根據(jù)不同的通道，選擇合適的放大倍數(shù)，更好地完成信號(hào)的放大處理，為A／D轉(zhuǎn)換器提供更為精確的采集信號(hào)。 圖3為放大電路，采用4路選擇開關(guān)CD4052芯片來選擇放大倍數(shù)Ki。用圖2中的74LS273的Q7，Q8輸出端口控制CD4052芯片，選擇X0，X1，X2，X3，實(shí)現(xiàn)電阻R1，R2，R3，R4的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改變放大倍數(shù)的目的。

放大倍數(shù)

3.3 A／D轉(zhuǎn)換電路

選用ADI公司的16位串行口的A／D轉(zhuǎn)換芯片AD7715，它使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A／D轉(zhuǎn)換過程，只有1路模擬輸入。逐次轉(zhuǎn)換各個(gè)通道數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，需要用時(shí)再取出來。該芯片具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，可以消除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。

圖4為AD7715與89CA2的連接，單片機(jī)的P2.2，P2.1，P2.0引腳分別與AD7715的SCLK、DRDY、DOUT(DIN)引腳連接。由于AD7715的輸入與輸出不同步，所以輸入與輸出引腳接在單片機(jī)的同一個(gè)引腳P2.0上。AD7715的片選信號(hào)(CS)直接接地，模擬信號(hào)由AIN(+)引腳進(jìn)入，經(jīng)轉(zhuǎn)A／D換后由DOUT輸出數(shù)字信號(hào)到單片機(jī)，而單片機(jī)運(yùn)算處理過的數(shù)據(jù)則由DIN輸入給AD7715，其中AIN(+)，AIN(-)，DIN，DOUT均是串行口。MCLKIN，MCLKOUT主時(shí)鐘信號(hào)端(即晶振連接端)。

3.4 鍵盤／顯示接口電路

采用8279鍵盤顯示專用芯片與單片機(jī)相連。在該設(shè)計(jì)中，一共設(shè)置了6個(gè)控制鍵，6個(gè)LED數(shù)碼顯示管(前2個(gè)用來顯示被測(cè)通道號(hào)，后4個(gè)用來顯示所監(jiān)測(cè)通道的具體數(shù)值)；其中6個(gè)按鍵的功能說明如下：

“設(shè)置”鍵：通電后儀表可隨時(shí)按“設(shè)置”鍵，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，輸入密碼，再次按“設(shè)置”鍵，可修改設(shè)置參數(shù)(密碼錯(cuò)誤時(shí)，按設(shè)置鍵將返回監(jiān)測(cè)狀態(tài))，當(dāng)該參數(shù)項(xiàng)不需要修改時(shí)，可直接按“設(shè)置”鍵，進(jìn)入下一個(gè)參數(shù)的設(shè)定。

“定點(diǎn)”鍵：按“定點(diǎn)”鍵，顯示方式將在固定顯示某一通道的參數(shù)和循環(huán)顯示各通道參數(shù)兩種方式間來回切換。如原來為定點(diǎn)方式，按“定點(diǎn)”鍵，將變?yōu)檠h(huán)顯示方式；如原來為循環(huán)方式，按“定點(diǎn)”鍵，將變?yōu)槎c(diǎn)顯示方式。

“∨”、“∧”鍵：設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道。在循環(huán)顯示方式時(shí)，按上下鍵無效，在定點(diǎn)方式時(shí)，通道號(hào)分別加減1。

“切換”鍵：可使顯示內(nèi)容為風(fēng)速、風(fēng)壓顯示兩個(gè)參數(shù)中的一種，如原來顯示風(fēng)速，按“切換”鍵，數(shù)碼顯示管將顯示風(fēng)壓值。

“復(fù)位”鍵：將外部512 B RAM中的數(shù)據(jù)傳送給上位PC機(jī)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)打印。

3.5 可編程看門狗監(jiān)控E2PROM X25045電路

89C52單片機(jī)有8 kB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間，256 B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。系統(tǒng)的程序量不大，8 kB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，無需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器；多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)頻繁、數(shù)據(jù)量比較大的系統(tǒng)，256 B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間達(dá)不到要求，需要外擴(kuò)效據(jù)存儲(chǔ)器來保存和處理采集的數(shù)據(jù)。

采用串行E2PROM器件X25045芯片作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其主要特點(diǎn)為：利用低VCC檢測(cè)電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響；存儲(chǔ)器部分是CMOS的串行E2PROM，內(nèi)部按512×8組織，10萬次寫人次數(shù)，100年數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；看門狗定時(shí)器對(duì)單片機(jī)提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。圖5是X25045與單片機(jī)的連接圖。在整個(gè)工作期內(nèi)，片選CS端為低電平；WP端為高電平時(shí)，所有寫保護(hù)功能正常。SCK，SI，SO分別接單片機(jī)的P2.4，P2.5，P2.6。其中SCK串行時(shí)鐘輸入，上升沿寫入數(shù)據(jù)或命令，下降沿輸出數(shù)據(jù)；SI串行輸入，由此引腳逐位寫入數(shù)據(jù)或命令；SO串行輸出，由此引腳逐位輸出數(shù)據(jù)。

3.6 檢測(cè)電路

該系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)風(fēng)壓與風(fēng)速2個(gè)參數(shù)，而風(fēng)速是有風(fēng)壓與溫度計(jì)算得到的，計(jì)算公式見式(4)。

在風(fēng)壓監(jiān)測(cè)時(shí)，將采集到的電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，電壓大小等于該電阻上的電壓，得到的電壓信號(hào)通過放大器放大，輸入到A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，再根據(jù)存儲(chǔ)在RAM中的數(shù)據(jù)查找到相應(yīng)的壓力即可得到相對(duì)的壓力大小。

在溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，見圖6，采用熱電阻的三線接法來監(jiān)測(cè)溫度，這樣可以消除導(dǎo)線電阻RL引起的監(jiān)測(cè)誤差，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更精確。測(cè)得Rt如下：

其中V3，R1，V0都為已知數(shù)，V3為電阻R1上的電壓。

由熱電阻阻值跟溫度的關(guān)系可得溫度t。

R0為溫度為0℃時(shí)熱電阻的電阻值。

風(fēng)速：

其中：K為測(cè)速管標(biāo)定系數(shù)；P為風(fēng)壓；t為熱風(fēng)溫度。

在實(shí)際應(yīng)用中，事先將溫度平均分成很多段，用中值法算出每段中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值，然后根據(jù)這些點(diǎn)描出電阻一溫度的曲線，通過軟件部分制成表，放入單片機(jī)的RAM中，然后在巡測(cè)過程中通過查表可以知道此電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。

4 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)用單片機(jī)內(nèi)部RAM及其中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集、暫時(shí)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及其他的輔助功能。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，考慮到程序的可讀性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及升級(jí)的需要，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一定的功能，這樣模塊與模塊之問能相對(duì)獨(dú)立，使得程序結(jié)構(gòu)清晰。程序設(shè)計(jì)主要分主程序模塊、A／D采集模塊、鍵盤處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)顯示模塊等幾個(gè)部分。

圖7為主程序模塊的流程圖。

5 結(jié) 語

該設(shè)計(jì)以低成本集成單片機(jī)為核心，組成軟件與硬件相結(jié)合，數(shù)字技術(shù)與模擬技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)環(huán)境中多通道的溫度、風(fēng)壓、風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示，在需要打印的時(shí)候還可以打印出需要的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、操作方便、性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的證明能夠滿足工業(yè)燃煤鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度的檢測(cè)工藝需要。