復用傳統儀表的火化機工況監測系統

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

火化機工況監測系統是對火化機燃燒狀況、排放氣體等數據進行實時監測，實現火化機質量檢測、環保監控等功能的智能化系統[1]。該系統為火化機技術的持續改進提供數據支撐，并促進殯葬行業“雙碳”目標的實現和“綠色殯葬”理念的貫徹落實[2]。

火化機工況監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測[3?5]?；鸹瘷C工況若要實現實時監測，需利用物聯網技術將監測儀表采集的數據發送至服務器端[6?8]。參照其他領域實時監測系統，一般可采用具備聯網功能的智能儀表進行數據采集，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，在現有火化機中，一般用于火化機燃燒控制的控制系統已包含主燃室溫度、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，這些傳統儀表只能報廢處理，這將產生巨大的資源浪費。若能復用傳統儀表，火化機的智能化建設將能節約巨大的成本[12?13]?，F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。

對傳統儀表進行智能化改造并利用物聯網技術實現遠程實時監測的方法，在一些領域已有所應用。本文從低成本建設的角度出發，設計一種復用傳統儀表的火化機工況監測系統。首先根據火化機工況監測的需求進行系統總體設計，在此基礎上根據傳統儀表數據采集需求進行系統硬件設計，隨后進行系統軟件設計，以實現系統功能。系統設計完成后，進行系統精度測試和現場實際工況測試，驗證本文系統的準確性和有效性。

1 系統設計

火化機工況監測系統由復用的傳統儀表、數據采集設備、數據服務器以及遠程監測終端組成，如圖1 所示。

圖1 火化機工況監測系統總體框架

復用的傳統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。數據采集設備連接傳感器，采集電壓和電流信號，并根據協議轉換為溫度、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 無線通信發送至互聯網公網數據服務器，實現傳統儀表的智能化改造。用戶通過遠程監測終端訪問數據服務器，利用Web 技術實現火化機工況的遠程實時監測。

1.1 硬件設計

由系統總體框架可以看出，火化機工況監測系統硬件中的傳統儀表、數據服務器和監測終端均為商業現貨，而數據采集設備需根據采用的傳統儀表進行定制設計?；鸹瘷C工況監測系統采用的傳統儀表包含熱電偶信號、電流信號等數據輸出，因此數據采集設備需具備這些信號的采集能力，并將原始信號轉換為實際物理量，通過4G/WiFi 發送出去。根據數據采集設備的需求，本文系統的硬件由主控模塊、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 數據采集設備硬件設計

數據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試的JTAG 接口，另外還有一些匹配的電阻、電容、LED 等。

數據采集設備使用DC 24 V 進行供電，而內部主控模塊、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12 V DC?DC 模塊提供12 V 4G 模塊電源，使用24 V 轉5 V DC?DC 模塊并使用5 V 轉3.3 V 低壓差線性穩定器提供3.3 V 電源，使用24 V 轉5 V DC?DC 模塊產生5 V 和-5 V 電源供信號隔離使用。

數據采集設備中設計了存儲模塊，用于保存系統的參數。存儲模塊采用FLASH 存儲器W25Q128，FLASH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，FLASH 存儲器適合作為系統參數的存儲器，可在斷電后繼續保存數據，便于系統運行時使用。W25Q128 芯片通過SPI 總線與主控模塊進行通信，主控模塊可將數據寫入存儲器，并在需要時從存儲器讀取數據。

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 位模數轉換器（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據處理，實現高精度的電流信號采集。

另外，數據采集設備采用SP3232 接口芯片構建RS 232 通信模塊，用于將USART 信號轉換為RS 232 信號，作為系統的配置接口進行參數配置；采用WH?LTE?7S4 V2 模組構建4G 模塊，用于系統的4G 通信；采用ESP?07S 模組構建WiFi模塊，用于系統的WiFi通信。

1.2 軟件設計

火化機工況監測系統軟件主要包含數據采集設備嵌入式軟件和數據服務器服務端軟件。數據采集設備嵌入式軟件主要用于實現數據采集設備的功能，包括功能模塊初始化、系統自檢、參數配置、網絡連接、數據采集及通信等步驟。軟件設計具體流程如圖3 所示。

圖3 數據采集設備軟件流程

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

圖4 數據服務器服務端軟件框架

2 數據采集原理

系統中的數據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，又根據指定的協議轉換為實際物理量，完成各個數據的采集。

2.1 熱電偶數據采集

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，因此本系統以K 型熱電偶為對象進行溫度數據的采集。熱電偶可以將冷端（也稱參考端）和熱端（也稱工作端）的溫度差轉換為毫伏電壓信號輸出，不同規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，實現溫度測量。本文系統采用ADS1118 芯片采集毫伏電壓信號，并根據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 ℃，其數據采集原理一致。

2.2 電流量數據采集

電流信號的采集一般使用采樣電阻的方式將電流值轉換為電壓值，之后采用AD 芯片進行采集。本文系統采用150 Ω 采樣電阻，將4～20 mA 電流值轉換為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據處理，實現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。

系統采集到電流值后，根據指定的協議將4～20 mA電流值轉換為實際物理量，實現相應數據的采集。系統采集的數據中，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為協議中該物理量的最大值；Valmin為協議中該物理量的最小值；Ic為采集的電流值，單位為mA。

3 系統測試及分析

為精確測試系統的監測指標，采用高精度儀表模擬火化機傳統儀表的輸出，再接入系統數據采集設備，并將系統終端讀數與高精度儀表輸出進行對比，分析系統監測精度。

系統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生器——鵬合電子THS10，作為激勵源模擬熱電偶輸出。該發生器輸出精度可達0.2%。測試時，將信號發生器接入熱電偶采集通道，如圖5 所示，并在發生器設置輸出的溫度值，隨后在系統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直流穩壓電源串聯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，將直流穩壓源、限流電阻和電流表串接，并接入系統電流量采集通道，如圖6所示，調節穩壓源至所需電流，同時讀取電流表讀數和系統終端讀數進行對比。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。綜上所述，系統熱電偶信號和電流量信號各個數據量的采集精度均在1%F.S.以內，可滿足火化機工況監測的要求。

4 結語

文中基于低碳建設需求，設計了一種復用傳統儀表的火化機工況監測系統，該系統可復用傳統的溫度傳感器、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據進行采集，并實時上傳至數據服務器，實現終端用戶對火化機工況的實時監測。測試結果表明，該系統能滿足火化機工況的實時監測需求和精度要求，可為殯葬行業的綠色可持續發展提供扎實的技術基礎。