顧文磊，徐 奎，蘇義鑫，鐘凱祥

(1.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢430070;2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢430223)

煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)是為連續(xù)監(jiān)測煙氣的排放而設(shè)計的系統(tǒng)，主要由煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理分析子系統(tǒng)等組成［1］。

近年來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，鋼廠煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展很快，并進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)。我國煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)最早是從日本引進(jìn)的，所引進(jìn)的煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)大多安裝在合資、外商獨(dú)資和華能系統(tǒng)的電廠［2］。但國外進(jìn)口的煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)價格昂貴，性價比不高，并不適合在我國大面積推廣使用。

目前，我國鋼廠煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)還處于研究階段，鋼廠煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)主要集中于中低端產(chǎn)品［3］。很多煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)不僅存在準(zhǔn)確度低、成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和易出故障等缺點［4-5］，而且大部分煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)的供電部分采用單電源供電模式，供電系統(tǒng)的可靠性不高［6］。這些煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)不能有效地適應(yīng)惡劣的鋼鐵生產(chǎn)環(huán)境。

針對以上不足，結(jié)合HJ/T76 -2007 標(biāo)準(zhǔn)［7］和新興3G 技術(shù)在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用［8-10］，運(yùn)用高性能微控制器STM32 進(jìn)行鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)煙氣溫度與壓力的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示等功能，同時系統(tǒng)留有充裕擴(kuò)展端口，方便系統(tǒng)擴(kuò)展氣體參數(shù)采集、濕度采集等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于STM32 的鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫度傳感器模塊、壓力傳感器模塊、存儲顯示模塊、3G 模塊、雙電源模塊和多用串口模塊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)選用STM32F103VET6 作為主控芯片，其時鐘頻率高達(dá)72 MHz，能實現(xiàn)高端快速運(yùn)算，可以有效實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)處理(信號的采集、存儲、顯示和發(fā)送等)。高速翻轉(zhuǎn)的GPIO 和5 個USART 為系統(tǒng)運(yùn)行以及系統(tǒng)間通信提供了極大的方便;快速雙12 位精度ADC 非常適用于鋼廠煙氣溫度與壓力數(shù)據(jù)的快速采集和處理;12 通道DMA 為ADC 運(yùn)行和SD 卡存儲提供了快速數(shù)據(jù)“搬運(yùn)”通道;SDIO 為SD 卡運(yùn)用DMA 和Fatfs 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)塊的讀寫提供了基礎(chǔ)，使鋼廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集得以實現(xiàn)。

1.2 工作原理

鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)的主要任務(wù)是對鋼廠排放的煙氣溫度與壓力進(jìn)行實時采集、遠(yuǎn)傳、存儲和顯示。通過溫度傳感器和壓力傳感器對煙氣溫度、環(huán)境溫度、煙氣壓力和大氣壓力等參數(shù)進(jìn)行采集，并通過調(diào)理電路的處理以電壓信號傳給主控制器STM32F103VET6，其內(nèi)置的12 位ADC 將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，及時通過3G 無線傳輸模塊將生產(chǎn)現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)有效地傳送到控制室，通過人性化的上位機(jī)界面將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，方便工作人員對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測。同時將數(shù)據(jù)存儲到現(xiàn)場SD 卡中，防止出現(xiàn)意外事故而造成數(shù)據(jù)丟失，通過現(xiàn)場的LCD 顯示采集到的數(shù)據(jù)，便于現(xiàn)場工作人員進(jìn)行實時監(jiān)督。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 雙電源設(shè)計

鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)采用雙電源供電，即電網(wǎng)與鋰電池雙電源無縫切換供電，確保系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)斷電時即時地自動切換電源，從而保證系統(tǒng)全天候、無間斷地工作運(yùn)行。雙電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 雙電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

正常工作時，系統(tǒng)由220 V 電網(wǎng)經(jīng)過開關(guān)電源進(jìn)行供電，同時給儲能電容進(jìn)行充電。當(dāng)電網(wǎng)斷電時，高靈敏度繼電器G6E-134P-US 的常閉開關(guān)自動打開，鋰電池為系統(tǒng)供電。在高靈敏度繼電器進(jìn)行開關(guān)切換的2.9 ms 內(nèi)，儲能電容進(jìn)行放電，確保系統(tǒng)無縫切換供電。鋰電池供電時會有電能損耗，當(dāng)電網(wǎng)正常供電時，電網(wǎng)必須對鋰電池進(jìn)行充電，故在系統(tǒng)中設(shè)計了鋰電池充電模塊。

2.2 溫度傳感器模塊設(shè)計

HJ/T76 - 2007 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定煙氣溫度測量由CEMS 配置的熱電偶或熱電阻溫度傳感器連續(xù)測定，示值偏差為±3 ℃，煙氣溫度小于260 ℃。通過查閱相關(guān)資料可知，鋼廠煙氣溫度大約為0 ～300 ℃，而K 型熱電偶可以直接測量0 ～1 300 ℃范圍的氣體介質(zhì)溫度。由于K 型熱電偶線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價格便宜且測溫范圍符合生產(chǎn)要求，因此在鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，選擇K 型熱電偶進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場煙氣溫度的測量。鑒于K 型熱電偶需要冷端補(bǔ)償，該系統(tǒng)設(shè)計了一種比較實用有效的熱電偶測溫電路。熱電偶測溫電路結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 熱電偶測溫電路結(jié)構(gòu)圖

同時，為了實時監(jiān)測基于STM32 的鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)的主體部分溫度，該系統(tǒng)采用DS18B20 進(jìn)行環(huán)境溫度的測量。

2.3 壓力傳感器模塊設(shè)計

HJ/T76-2007 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定煙氣靜壓：測量范圍為0 ～4 kPa(G)，測量精度為±3%;標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定大氣壓力：測量范圍為0 ～120 kPa(A)，測量精度為±2%。

鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)使用三路基于NPC -1220 的壓力監(jiān)測模塊進(jìn)行煙氣壓力的測量。系統(tǒng)放大電路采用高精度儀表放大器AD623。煙氣壓力監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 煙氣壓力監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)圖

鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)中的壓力監(jiān)測模塊使用MPXHZ6115A 進(jìn)行大氣壓力的監(jiān)測。

2.4 串口模塊設(shè)計

由于在鋼鐵生產(chǎn)過程中，鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)需要與鋼廠中其他系統(tǒng)，如熔爐系統(tǒng)和警報系統(tǒng)、安保系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等進(jìn)行通信，這就要求鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)的適應(yīng)性強(qiáng)。該系統(tǒng)將串口通過硬件設(shè)置成3 種電平接口(RS232、RS485、TTL)，通過跳線可以很方便地選擇不同的電平接口，擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

2.5 3G 模塊設(shè)計

在系統(tǒng)中，3G 傳輸模塊基于西門子的MC55和ATmega128 單片機(jī)設(shè)計。MC55 模塊接口包括電源接口、SIM 卡接口和USART 接口，為集成3G模塊提供了豐富的控制接口資源。由于該系統(tǒng)不需要音頻接口，因此MC55 模塊的數(shù)據(jù)通信主要是通過端口TXD0 與TXD、RXD0 與RXD 之間的數(shù)據(jù)傳輸來完成。

MC55 電源引腳有5 個，可以直接連接到外部4.2V 電源上。MC55 模塊上的引腳IGT 主要是用于復(fù)位。同時在MC55 上還有一個SIM 接口，用于連接到外部的SIM 卡座。3G 模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 3G 模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)程序由主程序、中斷程序、顯示子程序、SD 卡存儲子程序、串口子程序和3G 模塊子程序等組成。

主程序主要完成變量的初始化、STM32 外設(shè)時鐘的開啟、I/O 口的初始化，以及其他各功能模塊的初始化(如串口、ADC 和SDIO)。變量初始化主要是定義一些標(biāo)識位，為程序執(zhí)行提供方便，同時定義一些程序中需要用到的變量，如溫度采集程序中的溫度值變量、SD 中的地址變量等。由于STM32 是低功耗的設(shè)計，在沒有開時鐘之前，外設(shè)的時鐘是關(guān)閉的，因此在使用外設(shè)時，要首先開啟相應(yīng)的時鐘。I/O 口的配置為STM32 的正常準(zhǔn)確運(yùn)行提供最基本的保障;USART 的作用有兩個，一是與3G 模塊通信，二是作為系統(tǒng)板的調(diào)試口使用;ADC 是數(shù)據(jù)采集的重要保證;SDIO 與DMA、Fatfs 文件系統(tǒng)配合來實現(xiàn)SD 卡的讀寫。

完成系統(tǒng)初始化后，主程序進(jìn)入while(1)死循環(huán)。程序循環(huán)查詢?nèi)肿兞縁lag的值，如果Flag=1，說明此次數(shù)據(jù)采集完畢并且程序進(jìn)入中斷，程序?qū)lag進(jìn)行清零操作，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新;如果Flag=0，則依次調(diào)用顯示子程序、SD 卡存儲子程序、串口子程序，以及3G 模塊子程序，將壓力值和溫度值顯示在現(xiàn)場液晶屏上，同時將數(shù)據(jù)實時地存儲到現(xiàn)場SD 卡中，并將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳給3G 模塊。主程序流程如圖6 所示。

3.2 壓力采集中斷程序

系統(tǒng)使用NPC-1220 進(jìn)行煙氣壓力監(jiān)測，使用MPXHZ6115A 系列傳感器進(jìn)行大氣壓力的監(jiān)測。雖然兩種傳感器電壓轉(zhuǎn)換成對應(yīng)壓力的公式不同，但在ADC 轉(zhuǎn)換中的原理是相同的。

圖6 主程序流程圖

壓力采集程序使用中斷方式。使用ADC 的DMA 模式采集4 路模擬信號。用定時器來觸發(fā)ADC 轉(zhuǎn)換，每隔1 s 觸發(fā)一次ADC。進(jìn)入中斷后，首先將Flag置位，然后采用STM32 自帶的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并將采樣后的數(shù)據(jù)通過DMA 傳輸?shù)絻?nèi)存中，通過相應(yīng)公式計算大氣壓力值和煙氣壓力值。壓力采集中斷程序流程如圖7 所示。

圖7 壓力采集中斷程序流程圖

3.3 SD 卡存儲子程序

系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲采用SDIO 的DMA 方式，并移植Fatfs 文件系統(tǒng)實現(xiàn)對SD 卡中文件和文件夾的有效管理。

主程序配置用于返回調(diào)試信息的串口，初始化SDIO 和DMA 通道。SD 卡存儲子程序調(diào)用子函數(shù)SD_Erase()、SD_SingleBlock()和SD_MultiBlock()進(jìn)行SD 卡的擦除、單數(shù)據(jù)塊讀寫和多數(shù)據(jù)塊讀寫操作。SD 卡存儲子程序運(yùn)行時，會在SD 卡中創(chuàng)建“鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲.txt”或者“鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲. doc”文件。當(dāng)程序檢測到SD 卡中已創(chuàng)建文件時，就將程序指針指向文件的末尾追加記錄，進(jìn)行多塊讀寫操作;當(dāng)程序未檢測到SD卡中已創(chuàng)建文件時，便會在SD 卡中創(chuàng)建文件記錄，并使用讀寫函數(shù)進(jìn)行多塊的讀寫。SD 卡存儲子程序流程如圖8 所示。

圖8 SD 卡存儲子程序流程圖

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)上電后正常工作，會在現(xiàn)場LCD 上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集值，由于OCM12864 只能顯示4 行漢字，因此分兩個頁面進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)顯示(一頁顯示煙氣靜壓值、煙氣動壓值和煙氣全壓值，另一頁顯示大氣壓力值、環(huán)境溫度值和煙氣溫度值)。

系統(tǒng)會實時將采集到的數(shù)據(jù)存儲在SD 卡中，SD 卡中會自動生成一個“鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲. txt”文件。同時數(shù)據(jù)通過3G 模塊發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)界面如圖9 所示。

圖9 上位機(jī)界面

為了驗證系統(tǒng)的測量精度，通過個人電腦打開SD 卡中的“鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲.txt”文件，將其記錄的實際測量值與校準(zhǔn)儀表(溫度檢測儀表與壓力檢測儀表)的檢測值進(jìn)行比較，結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)滿足HJ/T76-2007 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的煙氣靜壓測量精度為±3%、大氣壓力測量精度為±2%和煙氣溫度測量精度為±3℃的要求。

5 結(jié)論

鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)采用STM32F103VET6 作為主控芯片，實時監(jiān)控鋼廠生產(chǎn)過程中煙氣的溫度值和壓力值。通過高精度傳感器確保實時采集的生產(chǎn)參數(shù)準(zhǔn)確有效，并通過本地SD 卡實時存儲采集到的數(shù)據(jù)，最大限度地保證原始數(shù)據(jù)安全，最后通過3G 無線傳輸模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)娇刂剖摇ｋ娫茨K采用雙電源供電系統(tǒng)，匹配有備用供電電源，能有效實現(xiàn)主電源和備用電源的雙重有效切換，保證系統(tǒng)在電網(wǎng)斷電的情況下依然能正常工作。該系統(tǒng)擁有維護(hù)成本低，安裝方便，可靠性高，傳輸速率高和實時性好的優(yōu)點，并留有硬件軟件資源便于擴(kuò)展相應(yīng)功能。經(jīng)過一年的運(yùn)行，基于STM32 的鋼廠煙氣溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

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