二氧化碳捕集過程溫壓監測系統設計

安徽理工大學 楊 威

二氧化碳捕獲、利用與封存(CCUS)是一種以減少大氣中溫室氣體排放及利用為目標的全新技術。據調查，大部分基于CCUS技術的二氧化碳捕集項目，缺少完善的溫壓監測系統，無法實時準確、快速的掌握二氧化碳的溫度和壓力信息。針對此種情況提出一種結合4G無線傳輸技術的溫壓監測系統。系統以STM32F103C8T6芯片為主控器，對捕集過程中二氧化碳的溫度和壓力進行監測，并結合4G無線傳輸模塊實現信號采集、信號處理、數據傳輸等功能。該系統經過系統性的運行測試，實現了對二氧化碳溫度和壓力的實時監測，為建立一種完善的溫壓監測系統提供了可行方案。

全球溫室氣體排放量逐年增加，導致惡劣天氣頻出，嚴重影響人們的正常生活。為應對氣候變化，現實減排目標，CCUS技術作為一種有效減少二氧化碳排放的技術手段，國際能源署面向全球大力推廣。我國也通過一系列相關政策積極推動CCUS技術的發展和示范項目的建設。據調查，國內早年建立的一些CCUS項目大部分采用的是傳統監測系統，主要是靠工作人員到現場實地測量數據、記錄數據并上報給監測部門，然后監測部門根據數據手冊判定監測參數是否處于安全范圍內。這種工作方式既繁瑣又容易產生紕漏，無法實時掌握各項參數的準確值。倘若出現工作人員記錄錯誤或者無法記錄更容易出現安全問題。

如果監測系統能夠結合4G無線傳輸技術，并采用高精度傳感器。不僅可以實現在線遠程監測，還提高監測系統的靈敏度、精確度和反應速度，大大節省了人工成本。因此，本文設計了一套具有高精度、高速度、可靠性強的二氧化碳捕集過程溫壓監測系統，系統采用STM32F103C8T6為主控芯片，結合4G無線傳輸技術，不僅可以高效地完成多種重復性工作，還使監測數據更加精確，也提高了二氧化碳捕集過程中監測數據的時效性。

1 系統總體框架

本系統主要有三大組成部分，分別為：罐內采集模塊、4G無線傳輸模塊、遠程監控平臺?？傮w系統如圖1所示。

罐內采集模塊對二氧化碳的溫度和壓力進行數據采集，采集到的數據首先通過微控制器進行初步處理和分析，并且將數據存儲在FLASH閃存中，然后通過4G無線傳輸模塊將數據上傳給遠程監控平臺。倘若數據值出現異常則立刻通過蜂鳴器發出聲音報警。

在工業復雜惡劣的生產環境下，周圍環境中的溫度和壓力就會對測量結果產生影響。例如生產設備在滿負荷的工作狀態下，自生產生的大量熱量在一瞬間向外圍環境中釋放，對溫度傳感器的冷端信號采集造成影響，無法收集正確的低溫對比信號。因此系統對收集到的信號要進行放大、濾波和模擬信號轉換數字信號處理。這樣有利于A/D轉換（模擬信號轉換數字信號）的準確性，并提高了效率，避免了復雜信號的干擾。

圖1 二氧化碳捕集過程中溫壓監測系統

2 系統硬件設計

2.1 罐內采集模塊硬件設計

罐內采集模塊硬件主要實現（溫度、壓力）信號采集處理、數據傳輸、提前預警的功能。系統以STM32F103C8T6為主控芯片，它是一款基于Advanced RISC Machinew為內核的STM32芯片系列的微控制器，采用容量為64KB的程序存儲空間，穩定工作電壓在2V～2.6V之間。罐內采集模塊的硬件設計如圖2所示。

圖2 采集模塊硬件設計

2.1.1 壓力變送器電路

通用型壓阻式壓力變送器CS-PT300 G型是一款可進行全溫區數字補償、三線制電壓輸出的壓力變送器。具有高精度、高可靠性、高性價比、量程可變的特性。廣泛用于氣體、液體壓力檢測的工業環境。CS-PT300 G型變送器輸出的信號為模擬信號，需要配合一個AD7765轉換芯片一起使用，將模擬信號轉換為數字信號，然后傳送給STM32微控制器。壓力變送器電路如圖3所示。

圖3 壓力變送器電路

2.1.2 溫度傳感器電路

本系統采集的是工業現場二氧化碳捕集過程中的高溫二氧化碳氣體，所以采用WRN-130 K型熱電偶溫度傳感器，并結合MAX6675芯片對采集到的溫度信號進行處理。熱電偶式溫度傳感器采集采用二線制信號輸出，得到的信號值比較小，需要通過MAX6675芯片進行濾波和放大處理，并且將模擬信號轉換成數字信號之后，再傳送給單片機。溫度傳感器電路如圖4所示。

圖4 溫度傳感器電路

2.2 4G無線傳輸模塊

數據傳輸通過4G無線傳輸模塊完成，考慮到工廠的復雜環境和數據傳輸的準確性，本設計采用由中國移動推出的TEL Cat1新型模塊ML302，通過串口與單片機進行數據交換，實現遠距離無線數據傳輸。

2.3 遠程監控平臺設計

遠程監控平臺主要是由兩大部分組成，分別為遠程數據存儲服務器和遠程監控計算機。結合實際的系統設計需求，本設計采用眾山云服務器作為遠程數據存儲服務器，其超大規模、虛擬化、高可靠性、通用性強的特點，大大滿足了設計對其快速計算、高速處理、超大數據存儲的要求。在結合4G無線數據傳輸，遠程監控計算機可以快速準確地計算出二氧化碳的溫度和壓力數值，并通過大屏幕在線實時顯示。

3 系統軟件設計

二氧化碳捕集過程溫壓監測系統軟件需要完成罐內信號采集、無線數據傳輸、溫度和壓力補償計算、監測界面在線顯示等功能。軟件編程系統基于Keil uvision4開發環境，采用MySQL數據庫，利用C++語言進行編程開發。

二氧化碳捕集過程溫壓監測系統在初始化和參數配置完成后，啟動罐內采集模塊完成溫度、壓力的采集，并通過4G無線傳輸模塊將數據傳送給服務器，服務器儲原始數據并上傳給遠程監測平臺，遠程監控平臺進行數據分析和計算，得出實際的溫度和壓力值并在線顯示。監控系統軟件程序流程如圖5所示。

圖5 監測系統的軟件流程圖

結論：本文完成了二氧化碳捕集過程溫壓系統的設計。該系統不僅滿足了基本設計要求，而且具有較高的靈活性，有利于以后的系統升級，能夠適應更多、更為復雜的工業生產環境。