鍋爐水位監測系統的設計與實現

武漢理工大學 能源與動力工程學院 武漢 430063

目前鍋爐水位的監控產品品種多，應用于船舶的主要是水位計和模擬表。隨著船舶自動化程度的提高和技術管理的日益復雜，更要求檢測系統能方便管理并與整個船舶控制系統緊密配合，因此設計了用差壓變送器和PC104板制成的鍋爐綜和檢測報警裝置，能完成對船舶鍋爐水位的檢測，并進行數據處理，完成顯示，報警等功能。

1 系統的組成與結構

在機艙自動控制系統中，用串行控制臺方式使用一個RS232端口與遠端機串行口相連，通過軟件的支持，使遠端機的鍵盤和顯示器同時作為PC/104系統的輸入輸出設備，從而使系統成為整個船舶監控的有機組成部分。

系統由三部分組成：信號采集裝置，數據處理裝置，顯示及執行裝置。信號采集裝置利用差壓變送器采集水位信號并將水位信號轉為4～20 mA的電流信號；數據處理裝置把從傳感器輸出的電流信號將送入采集板并轉變為數字信號; 顯示及執行裝置設有顯示屏，水位指示模擬表，控制按鈕，電磁閥等。根據用戶要求可用數據和圖形直觀地表現水位值。同時判斷水位是否正常并輸出相應信號，使執行機構動作。

系統電源設計由左右舷電力系統和應急供電系統供給，如圖1所示。

圖1 系統電源布置

當左舷失電而右舷有電時，其回路中的繼電器線圈失電，常開觸頭閉合并使接在右舷電回路中的繼電器通電；同理，當右舷失電而左舷有電時，將恢復左舷供電；左右舷的交流電經電壓轉換模塊24 V直流，當左右舷均失電時，用常閉繼電器自動切換為應急24 V電源供電。

2 水位采集模塊控制電路的設計

2.1 采集電路板的結構原理

圖2 采集板電路原理

如圖2所示，由地址譯碼電路，AD轉換電路，模擬量輸入輸出通道，驅動電路組成。選用以74HC688結合7位撥碼開關作為譯碼電路。可以根據微機實際所分配的端口地址號，靈活對板卡分配端口地址。用2片8路的多路開關組成16路模擬輸入通道，其中用2路接基準電壓實現裝置自檢功能；為了提高模擬信號的精度或線性度 ，頻率響應等特性，所有的模擬量輸入通到經過多路開關后，經過一線性隔離放大器然后送入AD轉換器，能有效的濾去輸入通道的各類干擾；選用驅動器控制繼電器的動作，作為鍋爐水位極限保護輸出接口。

2.2 模擬輸出通道

圖3 模擬量輸出電路

模擬量輸出通道采用4路輸入電壓范圍為正負5 V的模擬表顯示，如圖3所示，是用兩片運算放大器接成反相輸入電路，由于反相輸入電路存在虛地，因此對運算放大器的共模抑制比要求低，而且電路調整變得十分方便，但由于反相輸入電路輸入電阻不高。影響電流信號轉為電壓信號的精度。因此用一前置的電壓跟隨器隔開模擬輸出通道。為了防止過高的電壓輸入，采用穩壓管和一個起限流作用的電阻來完成，同時在穩壓管上并聯一電容，起到了很好的電壓濾波作用。

2.3 A/D轉換電路

A/D轉換器為采集板的核心芯片，系統選用LINEAR公司生產的具有采樣保持功能的16位高速LTC1606芯片。該ADC分辨率高，采樣速率高、功耗小 ，LTC1606在CS和R/C腳的共同作用下，可在當R/C腳為低電平時，在CS引腳的用脈沖下降沿啟動一次A/D轉換。如圖4所示，CPU先發出向AD轉換器寫的命令，地址選通信號和寫信號相或而成的低電平信號，使R/S變為低電平，此低電平信號經過與門使CS變為低電平，這2個信號的組合啟動AD轉換，然后CPU通過查詢到AD轉換結束的信號后，發出讀命令，同樣，地址選通信號和讀信號相或而成的低電平信號，使R/S變為低電平，此低電平信號經過與門使CS變為低電平，這2個信號的組合，使轉換數據能被讀入內存，值得注意的是，當R/C腳為低電平時，要啟動一次A/D轉換，在CS引腳的負跳變脈沖至少應持續40 ns。圖中在CS輸入端增加一個與門，這樣會使R/C和CS上的低電平該信號間隔時間增加為14 ns，保證了AD轉換的可靠性。

圖4 AD芯片接線圖

3 水位監測報警的軟件設計

3.1 信號的采集處理程序設計

系統對每通道的刷新時間不少于1 ms，在程序中采用對數據邊采集邊處理的流程。由于各通道的數據所需的處理時間不同，因此，如果程序中AD轉換的切換時間太快，實際多路開關的切換動作還未完成，則會采集到錯誤的數據。因此本系統采用查詢法進行AD轉換，對數據的采集和處理時序進行有效的控制。為適應船用鍋爐水位信號的變化特點，對采集的數據采用了消抖濾波法，設置了一個計數器，將每次采樣值與當前有效值比較，如果采樣值等于當前有效值，則計數器清零，如果采樣值不等于當前有效值，則計數器加1，并判斷計數器是否超過上限即溢出，如果計數器溢出,則將本次值替換當前有效值,并將計數器清零，這種方法可避免在臨界值附近顯示器上數值抖動[1]；在顯示屏上用光柱圖型表現水位時，則根據實際要求設計動畫效果，對實際爐中的水位進行仿真，以方便監控人員的管理。

3.2 其他子程序設計

為適應系統工作狀況的改變，在程序中循環檢查控制面板上的按鈕信息而轉為執行相應的子功能程序。如需要與其他計算機相連時，則執行數據發送程序，于是在另一臺計算機上實行顯示報警等功能，可以方便地由機艙集控站對本系統進行多種復雜的功能控制；當船在海上航行并出現船舶搖晃和鍋爐水位波動時，會頻繁使水位達到高或低水位報警值，產身誤報警，為克服這一現象，采用了報警延時的方法，每采集到報警信號后開始計時，報警信號持續達到規定時間才產生報警信號，若實際使用時不需報警延時，則可通過程序模式的切換解除此功能。

水位信號的主要影響因數是鍋爐負荷、給水量和爐膛容積熱負荷變化，只需與蒸汽壓力、蒸汽溫度等參數進行邏輯判斷即可對水位的顯示、報警信號的產生做出有效的修正。如進行水位變化過快的識別時，則根據溫度，壓力，蒸汽流量等的變化情況進行判斷；為了克服假水位的影響，則用蒸汽壓力的變化對實際水位信號的顯示進行修正；通過查詢過去一段時期采集的數據，可以了解到某一具體時段鍋爐運行狀態和所有采集到的參數值，在趨勢分析中，通過數學模型，綜和分析鍋爐當前所采集的參數，將得到對應鍋爐各個狀態參數的曲線，從而可以預測近期鍋爐的狀態趨勢，提前對可能產生的故障作出應有的準備[2]。

4 結論

基于操作人員的現場操作經驗，將水位檢測和控制功能結合起來，設計了綜合檢測報警系統。該系統實現了對水位，蒸汽壓力，燃燒狀況等多參數的檢測，方便了操作人員對鍋爐的控制與管理；該系統利用有效的防干擾技術，使系統性能可靠 ，同時在故障預測和報警上能很好地適應船用鍋爐的實際特點，經現場投入運行平穩，適應各類復雜工況，特別適宜現代船舶的輪機技術管理。

[1] 倪 娜.工業鍋爐微機控制系統的研究與設計[D]. 長春：吉林大學，2005：68-69.

[2] 林德樹.鍋爐監控系統的開發研究[J]. 科技信息：學術版,2006(9): 156-157.