武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063

目前鍋爐水位的監(jiān)控產(chǎn)品品種多，應(yīng)用于船舶的主要是水位計(jì)和模擬表。隨著船舶自動(dòng)化程度的提高和技術(shù)管理的日益復(fù)雜，更要求檢測(cè)系統(tǒng)能方便管理并與整個(gè)船舶控制系統(tǒng)緊密配合，因此設(shè)計(jì)了用差壓變送器和PC104板制成的鍋爐綜和檢測(cè)報(bào)警裝置，能完成對(duì)船舶鍋爐水位的檢測(cè)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成顯示，報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

在機(jī)艙自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用串行控制臺(tái)方式使用一個(gè)RS232端口與遠(yuǎn)端機(jī)串行口相連，通過(guò)軟件的支持，使遠(yuǎn)端機(jī)的鍵盤(pán)和顯示器同時(shí)作為PC/104系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備，從而使系統(tǒng)成為整個(gè)船舶監(jiān)控的有機(jī)組成部分。

系統(tǒng)由三部分組成：信號(hào)采集裝置，數(shù)據(jù)處理裝置，顯示及執(zhí)行裝置。信號(hào)采集裝置利用差壓變送器采集水位信號(hào)并將水位信號(hào)轉(zhuǎn)為4～20 mA的電流信號(hào)；數(shù)據(jù)處理裝置把從傳感器輸出的電流信號(hào)將送入采集板并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào); 顯示及執(zhí)行裝置設(shè)有顯示屏，水位指示模擬表，控制按鈕，電磁閥等。根據(jù)用戶要求可用數(shù)據(jù)和圖形直觀地表現(xiàn)水位值。同時(shí)判斷水位是否正常并輸出相應(yīng)信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)由左右舷電力系統(tǒng)和應(yīng)急供電系統(tǒng)供給，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電源布置

當(dāng)左舷失電而右舷有電時(shí)，其回路中的繼電器線圈失電，常開(kāi)觸頭閉合并使接在右舷電回路中的繼電器通電；同理，當(dāng)右舷失電而左舷有電時(shí)，將恢復(fù)左舷供電；左右舷的交流電經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換模塊24 V直流，當(dāng)左右舷均失電時(shí)，用常閉繼電器自動(dòng)切換為應(yīng)急24 V電源供電。

2 水位采集模塊控制電路的設(shè)計(jì)

2.1 采集電路板的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換電路，模擬量輸入輸出通道，驅(qū)動(dòng)電路組成。選用以74HC688結(jié)合7位撥碼開(kāi)關(guān)作為譯碼電路?？梢愿鶕?jù)微機(jī)實(shí)際所分配的端口地址號(hào)，靈活對(duì)板卡分配端口地址。用2片8路的多路開(kāi)關(guān)組成16路模擬輸入通道，其中用2路接基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)裝置自檢功能；為了提高模擬信號(hào)的精度或線性度 ，頻率響應(yīng)等特性，所有的模擬量輸入通到經(jīng)過(guò)多路開(kāi)關(guān)后，經(jīng)過(guò)一線性隔離放大器然后送入AD轉(zhuǎn)換器，能有效的濾去輸入通道的各類(lèi)干擾；選用驅(qū)動(dòng)器控制繼電器的動(dòng)作，作為鍋爐水位極限保護(hù)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(fù)5 V的模擬表顯示，如圖3所示，是用兩片運(yùn)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(duì)運(yùn)算放大器的共模抑制比要求低，而且電路調(diào)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(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)的精度。因此用一前置的電壓跟隨器隔開(kāi)模擬輸出通道。為了防止過(guò)高的電壓輸入，采用穩(wěn)壓管和一個(gè)起限流作用的電阻來(lái)完成，同時(shí)在穩(wěn)壓管上并聯(lián)一電容，起到了很好的電壓濾波作用。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器為采集板的核心芯片，系統(tǒng)選用LINEAR公司生產(chǎn)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(dāng)R/C腳為低電平時(shí)，在CS引腳的用脈沖下降沿啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換。如圖4所示，CPU先發(fā)出向AD轉(zhuǎn)換器寫(xiě)的命令，地址選通信號(hào)和寫(xiě)信號(hào)相或而成的低電平信號(hào)，使R/S變?yōu)榈碗娖?，此低電平信?hào)經(jīng)過(guò)與門(mén)使CS變?yōu)榈碗娖?，這2個(gè)信號(hào)的組合啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，然后CPU通過(guò)查詢到AD轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào)后，發(fā)出讀命令，同樣，地址選通信號(hào)和讀信號(hào)相或而成的低電平信號(hào)，使R/S變?yōu)榈碗娖?，此低電平信?hào)經(jīng)過(guò)與門(mén)使CS變?yōu)榈碗娖剑@2個(gè)信號(hào)的組合，使轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)能被讀入內(nèi)存，值得注意的是，當(dāng)R/C腳為低電平時(shí)，要啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換，在CS引腳的負(fù)跳變脈沖至少應(yīng)持續(xù)40 ns。圖中在CS輸入端增加一個(gè)與門(mén)，這樣會(huì)使R/C和CS上的低電平該信號(hào)間隔時(shí)間增加為14 ns，保證了AD轉(zhuǎn)換的可靠性。

圖4 AD芯片接線圖

3 水位監(jiān)測(cè)報(bào)警的軟件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)的采集處理程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)每通道的刷新時(shí)間不少于1 ms，在程序中采用對(duì)數(shù)據(jù)邊采集邊處理的流程。由于各通道的數(shù)據(jù)所需的處理時(shí)間不同，因此，如果程序中AD轉(zhuǎn)換的切換時(shí)間太快，實(shí)際多路開(kāi)關(guān)的切換動(dòng)作還未完成，則會(huì)采集到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。因此本系統(tǒng)采用查詢法進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理時(shí)序進(jìn)行有效的控制。為適應(yīng)船用鍋爐水位信號(hào)的變化特點(diǎn)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)采用了消抖濾波法，設(shè)置了一個(gè)計(jì)數(shù)器，將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較，如果采樣值等于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器清零，如果采樣值不等于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器加1，并判斷計(jì)數(shù)器是否超過(guò)上限即溢出，如果計(jì)數(shù)器溢出,則將本次值替換當(dāng)前有效值,并將計(jì)數(shù)器清零，這種方法可避免在臨界值附近顯示器上數(shù)值抖動(dòng)[1]；在顯示屏上用光柱圖型表現(xiàn)水位時(shí)，則根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)效果，對(duì)實(shí)際爐中的水位進(jìn)行仿真，以方便監(jiān)控人員的管理。

3.2 其他子程序設(shè)計(jì)

為適應(yīng)系統(tǒng)工作狀況的改變，在程序中循環(huán)檢查控制面板上的按鈕信息而轉(zhuǎn)為執(zhí)行相應(yīng)的子功能程序。如需要與其他計(jì)算機(jī)相連時(shí)，則執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送程序，于是在另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)行顯示報(bào)警等功能，可以方便地由機(jī)艙集控站對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行多種復(fù)雜的功能控制；當(dāng)船在海上航行并出現(xiàn)船舶搖晃和鍋爐水位波動(dòng)時(shí)，會(huì)頻繁使水位達(dá)到高或低水位報(bào)警值，產(chǎn)身誤報(bào)警，為克服這一現(xiàn)象，采用了報(bào)警延時(shí)的方法，每采集到報(bào)警信號(hào)后開(kāi)始計(jì)時(shí)，報(bào)警信號(hào)持續(xù)達(dá)到規(guī)定時(shí)間才產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，若實(shí)際使用時(shí)不需報(bào)警延時(shí)，則可通過(guò)程序模式的切換解除此功能。

水位信號(hào)的主要影響因數(shù)是鍋爐負(fù)荷、給水量和爐膛容積熱負(fù)荷變化，只需與蒸汽壓力、蒸汽溫度等參數(shù)進(jìn)行邏輯判斷即可對(duì)水位的顯示、報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生做出有效的修正。如進(jìn)行水位變化過(guò)快的識(shí)別時(shí)，則根據(jù)溫度，壓力，蒸汽流量等的變化情況進(jìn)行判斷；為了克服假水位的影響，則用蒸汽壓力的變化對(duì)實(shí)際水位信號(hào)的顯示進(jìn)行修正；通過(guò)查詢過(guò)去一段時(shí)期采集的數(shù)據(jù)，可以了解到某一具體時(shí)段鍋爐運(yùn)行狀態(tài)和所有采集到的參數(shù)值，在趨勢(shì)分析中，通過(guò)數(shù)學(xué)模型，綜和分析鍋爐當(dāng)前所采集的參數(shù)，將得到對(duì)應(yīng)鍋爐各個(gè)狀態(tài)參數(shù)的曲線，從而可以預(yù)測(cè)近期鍋爐的狀態(tài)趨勢(shì)，提前對(duì)可能產(chǎn)生的故障作出應(yīng)有的準(zhǔn)備[2]。

4 結(jié)論

基于操作人員的現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，將水位檢測(cè)和控制功能結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了綜合檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位，蒸汽壓力，燃燒狀況等多參數(shù)的檢測(cè)，方便了操作人員對(duì)鍋爐的控制與管理；該系統(tǒng)利用有效的防干擾技術(shù)，使系統(tǒng)性能可靠 ，同時(shí)在故障預(yù)測(cè)和報(bào)警上能很好地適應(yīng)船用鍋爐的實(shí)際特點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行平穩(wěn)，適應(yīng)各類(lèi)復(fù)雜工況，特別適宜現(xiàn)代船舶的輪機(jī)技術(shù)管理。

[1] 倪 娜.工業(yè)鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005：68-69.

[2] 林德樹(shù).鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究[J]. 科技信息：學(xué)術(shù)版,2006(9): 156-157.