賀洪江 ，王楠楠 ，李 濤

（1.河北工程大學(xué) 裝備制造學(xué)院，邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，邯鄲 056038）

火電廠脫硫系統(tǒng)的漿液主要有石灰石漿液、石膏漿液以及石灰乳漿液，其中石灰石漿液密度最大，需要根據(jù)石灰石漿液密度控制石灰石的下料量；石膏漿液的密度參與脫硫吸收塔液位的計(jì)算，脫硫吸收塔液位是脫硫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要參數(shù)；根據(jù)石灰乳漿液密度可以控制脫硫廢水的pH值，使脫硫廢水達(dá)到環(huán)保要求[1]。

目前，脫硫系統(tǒng)較為常用的密度計(jì)多為探頭管道式安裝結(jié)構(gòu)，由于漿液含有氯離子，粘度大，對密度計(jì)探頭的沖刷磨損較為嚴(yán)重，且極易結(jié)垢引起管路堵塞，導(dǎo)致漿液密度測量存在線性失真現(xiàn)象，造成脫硫系統(tǒng)不能正常運(yùn)行[2]。

設(shè)計(jì)基于稱重傳感器的脫硫系統(tǒng)密度計(jì)，密度計(jì)不與管道內(nèi)漿液接觸，不會出現(xiàn)沖刷磨損、堵塞管路的情況，且測量方法簡單。利用STM32高速數(shù)據(jù)處理能力及豐富的片上資源實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)漿液密度快速、精確測量及顯示，并完成密度計(jì)與上位機(jī)之間通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對工業(yè)現(xiàn)場遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 密度計(jì)管道連接

密度計(jì)管道連接如圖1所示，由主管道（3）、連接管道（為2個(gè)連接臂，由2個(gè)流量調(diào)節(jié)閥門（5）之間連接一個(gè)三通接頭（6）構(gòu)成）和測量管道（9）組成。各管道之間由三通接頭、流量調(diào)節(jié)閥門相連接，連接管道與測量管道之間有直通旋轉(zhuǎn)接頭（7、10）。稱重傳感器（18）安裝在稱重管道下方，稱重傳感器放置于可調(diào)節(jié)高度的支撐架（15）上，通過調(diào)節(jié)支撐板（16）高低，可調(diào)節(jié)稱重管道成水平狀態(tài)。

圖1 密度計(jì)管道連接圖Fig.1 Pipe connection diagram of densimeter

1.2 密度測量方法

質(zhì)量是物質(zhì)的一種基本屬性，不會隨物體狀態(tài)、形態(tài)、空間位置的改變發(fā)生變化，體積一定時(shí)，液體密度與質(zhì)量成正比。

設(shè)計(jì)脫硫系統(tǒng)管道內(nèi)漿液密度計(jì)的液體密度測量步驟為

1）通過高度調(diào)節(jié)鈕對支撐板高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使測量管道成水平狀態(tài)。將連接管道與主管道之間的2個(gè)流量調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，并打開連接管道另一端懸空的2個(gè)流量調(diào)節(jié)閥門，排空測量管道，讀取測量管道為空時(shí)稱重傳感器的輸出值m1；

2）通過連接管道懸空端的2個(gè)流量調(diào)節(jié)閥門，向測量管道注入凈水，讀取此時(shí)稱重傳感器的輸出值m2；

3）關(guān)閉連接管道懸空的2個(gè)流量調(diào)節(jié)閥門，將連接管道與主管道之間的2個(gè)流量調(diào)節(jié)閥門打開，調(diào)整主管道上的流量調(diào)節(jié)閥門的開度，使待測液體流經(jīng)測量管道，同時(shí)在線讀取稱重傳感器的輸出值m3。主管道內(nèi)含有顆粒物混合液體的密度測量值ρ液表達(dá)式為

不同密度的液體流經(jīng)主管道時(shí)，造成測量管道上稱重傳感器輸出值m3變化，實(shí)現(xiàn)對主管道內(nèi)液體密度在線測量。

1.3 密度計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

密度計(jì)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 密度計(jì)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Block diagram of hardware devices

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選擇

密度計(jì)以32位STM32F103RBT6為核心處理器，處理器性能高、功耗低、價(jià)格低廉、適用于嵌入式領(lǐng)域。片上集成128 K字節(jié)的Flash存儲器，雙A/D結(jié)構(gòu)允許雙通道采樣/保持，能夠?qū)崿F(xiàn)12位的轉(zhuǎn)換精度、1 μs的轉(zhuǎn)換速度，3個(gè)USART接口，豐富的片上資源保證系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單緊湊[3]。微處理器基于Cortex-M3 CPU，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，單周期32位乘法和硬件除法器，大幅提高Cortex-M3運(yùn)算能力。

編程時(shí)，應(yīng)用STM32固件函數(shù)庫，可以大大降低編寫程序的時(shí)間，降低成本。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

密度計(jì)各器件為直流電源供電，所以采用工業(yè)上常用的24 V直流電作為供電電源。密度計(jì)電源電路包括2部分：模擬電源電路和數(shù)字電源電路，提高電源抗干擾能力。電源電路如圖3所示。

圖3 數(shù)字、模擬電源電路Fig.3 Digital and analog power circuit

首先，24 V電源通過LM2576系列開關(guān)型穩(wěn)壓芯片LM2576-5、LM2576-12生成數(shù)字電路電源5 Vd、模擬電路電源12 Va。5 Vd作為液晶顯示及RS485通信等電源，主控芯片供電電源3.3 Vd由5 Vd經(jīng)三端線性穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3生成，采用兩級穩(wěn)壓可提高供電效率，并且減小紋波電壓。12 Va作為稱重傳感器和運(yùn)算放大器供電電源，選用開關(guān)穩(wěn)壓芯片，可以為稱重傳感器提供穩(wěn)定橋壓。電源電路所用芯片功耗低，內(nèi)部保護(hù)電路完善，且輸出電壓穩(wěn)定，為密度計(jì)穩(wěn)定工作提供保證。

2.3 密度監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

選用GYL-3應(yīng)變式稱重傳感器，線性度良好，量程范圍內(nèi)傳感器輸出信號與作用在傳感器上的物體重量正比。稱重傳感器輸出電壓為0～24 mV差分信號，經(jīng)精密線性放大器放大后，作為主控芯片A/D輸入信號，進(jìn)行處理[4]。

圖4 密度檢測電路Fig.4 Density detection circuit

密度監(jiān)測電路如圖4所示，選擇運(yùn)算放大器LM358，其內(nèi)部有2個(gè)獨(dú)立運(yùn)算放大器，選擇運(yùn)放1將信號放大50倍，輸出0～1.2 V電壓，通過電阻與運(yùn)放2組成同相加法器，實(shí)現(xiàn)電壓提升，保證A/D輸入信號在處理器A/D良好的線性工作范圍內(nèi)；R10、C52低通濾波，R9吸收特高頻信號，便于諧波分析；D5、D6組成鉗位電路，防止A/D輸入信號過小或過大燒壞芯片。

2.4 通信接口和顯示電路設(shè)計(jì)

密度計(jì)采用1602液晶作為液體密度顯示終端，1602液晶價(jià)格低廉，連接電路簡單，1602顯示接口如圖 5（a）所示。

現(xiàn)代工業(yè)要求對現(xiàn)場設(shè)備遠(yuǎn)程控制，密度計(jì)設(shè)計(jì)RS485通信接口。RS485總線采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抗共模干擾能力，傳送數(shù)據(jù)速率高[5]。RS485接口電路如圖 5（b）所示，120 Ω電阻為匹配電阻，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

圖5 液晶顯示與通信接口電路Fig.5 LCD and communication interface circuit

3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括算法設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)及通信協(xié)議選擇。密度計(jì)程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、液體密度計(jì)算子程序、LCD顯示子程序、串口通信子程序。

3.1 算法設(shè)計(jì)

稱重傳感器在量程范圍內(nèi)，輸出信號與質(zhì)量成正比，主控芯片A/D轉(zhuǎn)換輸入輸出信號之間亦為線性關(guān)系，與由液體密度測量值表達(dá)式結(jié)合，可得程序內(nèi)液體密度測量值算法設(shè)計(jì)為

式中：D1為管道為空時(shí)A/D轉(zhuǎn)換值，D2為溫度為4℃時(shí)管道內(nèi)注入水時(shí)A/D轉(zhuǎn)換值，此時(shí)水的密度為1.0 g/cm3，D3為所測液體流過管道時(shí)A/D轉(zhuǎn)換值，則液晶顯示值即為管道內(nèi)流動漿液的密度值。

3.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

采用C語言進(jìn)行程序編寫，如圖6所示。主程序完成對各模塊初始化，以及子程序調(diào)用。通過STM32處理器固件函數(shù)庫，可快速、準(zhǔn)確完成對時(shí)鐘、片上外設(shè)如ADC等進(jìn)行配置初始化，簡化程序編寫。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

3.3 通信協(xié)議選擇

通信模塊采用Modbus協(xié)議完成與上位機(jī)之間通信，該協(xié)議是工控領(lǐng)域中一種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備通過該協(xié)議連接成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集散控制。

標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議有2種工作模式：ASCII模式和RTU模式。相對于ASCII模式，在相同波特率下，RTU模式能夠傳送更多數(shù)據(jù)，因此密度計(jì)采用RTU模式來實(shí)現(xiàn)Modbus通信協(xié)議。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

檢測密度計(jì)測量準(zhǔn)確度是否滿足工業(yè)控制過程要求，實(shí)驗(yàn)中選取純水、不同密度鹽水及不同密度酒精為樣本，與化學(xué)法測量值對比，結(jié)果如表1所示。

表1 測量結(jié)果表Tab.1 Measured results

測試結(jié)果顯示，密度值誤差范圍在2%以內(nèi)，滿足工業(yè)現(xiàn)場對精確度的要求。

5 結(jié)語

密度計(jì)采用管道外測量，能夠有效避免管道內(nèi)含有顆粒狀混合液體時(shí)管道堵塞和測量元件磨損。密度計(jì)測量方法簡單，工作穩(wěn)定，可以高精度、在線監(jiān)測脫硫系統(tǒng)漿液密度，完善火電廠脫硫工藝，輔助控制火電廠SO2排放濃度，降低空氣污染程度，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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[3] 王鐵流，李宗方，陳東升.基于STM32的USB數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2009，28（8）：37-40.

[4] 張廷虎.基于DSP的智能動態(tài)稱重技術(shù)的研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2012.

[5] 陳樹廣，武君勝.RS485總線在智能抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（13）：148-150.■