電站鍋爐配風無線監控系統設計

宋新超，李光輝，楊琦，馮連琨

(1.南京理工大學，機械工程學院，江蘇 南京，210094;2.大慶油田電力工程設計院，黑龍江 大慶，163453)

0 引言

影響鍋爐燃燒效率主要有以下因素，燃料因素，設備結構因素，運行因素［1］。在鍋爐燃燒設備和煤質一定的條件下，一次風與二次風的調節是決定火和燃盡過程的關鍵［2］。保持合理的風煤配合，一、二次風配合和送引風配合具有重要的意義。過去鍋爐的運行監控大部分由人工方式完成，由工作人員定時的巡回檢查，通過記錄溫度計和皮托管的讀數來得知鍋爐的工作狀態。這種人工方式具有很多缺點:人工讀數存在主觀的誤差;巡查時間間隔長而且不規律實時性比較差;歷史數據很難進行有效管理［3］。WI-FI 無線通信技術作為新興的短程無線傳輸技術，具有傳輸距離遠、傳輸速率高、支持多種網絡協議、能夠直接接入互聯網、具有良好的擴展性等優點。基于該技術的應用研究正在快速發展，WI-FI技術事實上正在成為物聯網重要的技術標準。因此，基于鍋爐配風調節的實際需求結合Wi-Fi 通信技術構建了調節閥的無線監控系統，實現了對鍋爐配風情況的無線監測和控制，有效提高了鍋爐燃燒效率。

1 系統總體結構

該監控系統由上位機管理監控軟件，下位機數據采集，步進電動機控制調節閥開度，WI-FI 通信，調節閥結構等五大部分組成;系統要完成的功能是通過分布在各風口的風速和溫度傳感器采集相關的風溫，風速，風量，調節閥開度等數據，并將這些數據通過無線的方式上傳到現場監控計算機。由監控計算機將這些數據顯示出來，并對這些數據進行分析與管理，當風溫，風速等數據超出正常范圍的時候，發出報警，可以由上位機控制調節閥的開度。使鍋爐始終工作在較好的狀態，提高效率。系統整體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

2.1 單片機電路結構設計

下位機主要完成的功能是采集傳感器數據并上傳，接收由上位機發送的指令對步進電動機進行控制。硬件結構主要包括:1)MCU 及其最小系統電路;2)總線以及傳感器電路;3)步進電動機驅動電路;4)WI-FI 通信電路;5)鍵盤，液晶接口電路。其中MCU 選用TI 公司F 系列16 位單片機MSP430F449。該單片機擁有豐富的片內資源［4］具有兩個串口，將大量的CPU 外圍模塊集成在了片內，集成了液晶驅動器、模擬比較器、14 位的ADC;單片機內部含有60 KB 的flash，能夠滿足數據存儲要求不需要擴展存儲器［4］。能夠實現本處控制任務，綜合考慮選用此型號單片機。單片機電路結構如圖2 所示。

圖2 單片機電路結構圖

2.2 WI-FI 模塊的設計

使用無線網絡可以滿足移動，重定位，特殊網絡的要求，還能夠覆蓋有線網絡難以涉及的范圍［5］。IE802.11協議定義了無線局域網的標準;作為有線網絡的擴充，無線網的性能在很多方面已經達到有線網的水準。依據目前普遍使用的IE802.11g 標準，傳輸距離達到100 m，傳輸速率達到54 Mbit/s;Wi-Fi 是Wi-Fi 聯盟制造商的商標可做為產品的品牌認證，Wi-Fi 技術創建在IEEE 802.11 標準上;但IEEE 開發和出版這些標準，卻不測試符合他們的設備［6］。實現Wi-Fi 通信功能須至少支持以下三層協議［7］:1)802.11 PHY(物理層協議)以適應每個標準來執行載波偵聽，數據傳輸和接收消息帖;2)802.11 MAC(介質訪問控制)MAC 層執行許多服務，并且在無線介質和網絡中使用的協議棧，主機運行的OS 和應用軟件之間提供緩沖;3)TCP/IP(網絡通訊協議)由網絡層的IP 協議和傳輸層的TCP 協議組成。TCP/IP 定義了電子設備如何連入因特網，以及數據如何在它們之間傳輸的標準。通常這些工作需要由兩塊芯片和一個RF 收發器來完成:一是支持操作系統的MCU，操作系統能夠較好支持復雜的網絡協議;二是MAC 基帶芯片;如果應用系統采用的嵌入式操作系統來實現，那么實現通信功能只需無線基帶芯片即可;如果應用不運行操作系統，那么實現通信功能要使用集成有片上系統的無線模塊。本系統的MCU 采用的單片機并不運行操作系統，所以選用由海凌科公司生產的Uart-Wi-Fi 模塊，該模塊內置32 位CPU，硬件支持加密;符合GB15629 系列國家無線標準，支持中國無線局域網安全標準(WAPI)和IEEE802.11a/b/g/i 相關標準。即這個模塊能夠把對Wi-Fi 通信復雜的操作流程封裝起來，可以通過串口向Wi-Fi 模塊發送AT 命令來控制，發送與接收數據也通過串口來完成。電路結構如圖3 所示。

圖3 Uart-Wi-Fi 電路結構圖

2.3 執行電路設計

PC 機作為上位機，向下位機發送指令對網絡中八臺以主控制器對調節閥驅動裝置(步進電動機)進行控制。上位機可以對網絡中的各個閥門進行控制，并顯示閥門的開度數據，另外下位機控制器也可進行現場鍵盤控制。為避免系統實際工作時的運動誤差，導致調節實效，設置了反饋傳感器(角位移傳感器)構成閉環系統;結構如圖4 所示。

圖4 步進電動機控制結構框圖

圖5 步進電動機控制框圖

使用、控制步進電動機必須有環形脈沖，功率放大電路，結構如圖5 所示。脈沖信號一般由單片機產生，脈沖信號的占空比為0.3～0.4 左右，步進電動機轉速越高，占空比則越大。使用脈沖分配器芯片，來進行步進電動機通電換相的控制。由于采用了脈沖分配器，單片機只需提供步進脈沖，進行速度控制和轉向控制，步進電動機選型主要考慮步距角(涉及到相數)、靜轉矩、及電流三大要素。根據以上選型原則，為步進電動機選用RORZE 公司的M26213S 兩相步進電動機，該電動機的步距角為1.8°，電流為3 A/相［6］。其驅動器就選用與之配套的兩相細分步步進電動機驅動器RD-0234M。RD-234M 與M23216S 步進電動機的接線情況如圖6 所示。

傳感器具體選擇HY-65D360 型，傳感器信號傳輸為標準RS-485 串行通訊，本處設計采用被動式傳輸方式。是當上位機發出位移采集命令時，傳感器才進行數據采集并將數據采集結果上傳。可以直接與單片機RS-485 接口相連進行數據通訊或者是通過RS-232/485 變換裝置直接與上位機RS-232 串口連接。

圖6 驅動器接線圖

3 軟件設計

下位機軟件采用IAR 編譯環境，軟件設計主要包括以下幾個部分:主程序設計、Wi-Fi 通訊程序設計、鍵盤鍵入及顯示程序設計、電機控制程序設計及數據采集程序設計等。系統通電后首先進行各部分的初始化，然后進入Wi-Fi 通訊程序循環等待，當收到上位機命令時，對命令幀進行解析，如果是數據采集命令則依次采集各傳感器信號，然后組幀發送給上位機，幀格式按照事先定義的格式;如果上位機控制命令時，對命令進行解析，調用步進電動機控制程序，完成后將運行結果傳送至上位機。然后繼續進行循環等待。

3.1 步進電動機控制程序設計

該部分完成步進電動機的運動控制以及運動參數監測處理。步進電動機控制命令由上位機控制軟件發出，在上位機監控軟件中輸入位移值、速度值，按下“運行”按鈕，將控制數據組成命令幀通過Wi-Fi 模塊傳送到單片機控制器，單片機將控制要求轉化為相應的脈沖數發給步進電動機驅動器。步進電動機閉環控制以及上位機關于閥門開度的顯示是通過角位移傳感器對絲桿的角位移測量來實現。角位移傳感器采用被動式采集方式，只有發出采集命令以后才會進行數據采集，步進電動機完成步進量以后即進行位移量采集，然后將數值存入存儲器為其處理做準備，當運行結束時，下位機返回一個字符串至串口，該字符串包括了運動結果的信息，上位機機收到這些數據后會進行處理并顯示出來。如此就完成了一個調節操作。軟件設計流程如圖7 所示。

圖7 步進電動機控制流程圖

3.2 Wi-Fi 通信程序的設計

本系統中用Wi-Fi 通信模塊來實現上位機監控軟件與下位機控制器的通信。通信采用基礎方式(路由器以及無線AP 是網絡的中心)組網，能夠直接接入以太網，單片機通過串口向Wi-Fi 模塊發送AT 命令來實現相應的網絡操作，操作成功時Wi-Fi 模塊都會返回特定的字符串;因此流程每進行一步都要解析返回值，正確則繼續，不正確則返回Wi-Fi 程序起點重新開始;Wi-Fi 模塊常置于接受模式即tcp server 模式，當收到數據時直接通過串口傳送給單片機;當需要上傳數據時，將Wi-Fi 模塊置于發送模式，即tcp client 模式［4］;該模塊支持最多8 個tcp client 連接，支持最多3 個tcp server 連接。發送數據時，模塊會自動按照tcp/ip 協議進行組幀發送。具體發送流程如圖8 所示。

圖8 Wi-Fi 通信程序流程圖

4 運行結果

運行結果表明，可以由上位機采集鍋爐配風的數據，并能夠根據所采集數據對調節閥進行控制;滿足設計要求。上位機監控界面由爐鍋爐配風監控界面，調節閥控制界面組成;爐配風監控界面，由溫度和風速以及閥門位置等顯示部分組成。調節閥控制界面，由閥位顯示和閥位控制部分組成;即直接鍵入開度值，進行調節;鍋爐配風監控界面如圖9 所示。

圖9 上位機監控單元界面

結語

本文闡述了調節閥無線監控系統的整體結構，軟硬件設計;重點論述了系統整體設計思想以及Wi-Fi 通信模塊和電動機執行模塊的設計。下位機采用MSP430 設計的控制器，外圍器件少，性價比高。整個系統具有結構簡單、擴展性好、開發周期短、可靠性高、使用方便、通用性強和控制精度高等特點，運行平穩，控制效果好。

［1］樊泉桂.鍋爐原理［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］王清成，羅永浩，等.二次風對層燃爐燃燒特性影響的實驗研究［J］.動力工程，2006，(6):780-783.

［3］楊琦.鍋爐配風監控技術研究［D］.南京:南京理工大學，2007.

［4］魏小龍.MSP430 系列單片機接口技術及系統設計實例［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

［5］李昭智，張樺，于長云.數據通信與計算機網絡［M］.北京:電子工業出版社，2001.150-154，218-220.

［6］http://zh.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi.

［7］Ron Price.Fndamentals of Networking Wirelss［M］.北京:清華大學出版社，2008.