陳節(jié)濤

(國家能源集團(tuán) 湖北漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川 431614)

火電廠高爐煤粉噴吹是火電發(fā)電的重要步驟[1-2]，高爐煤粉在噴吹過程中，會造成高爐內(nèi)煤粉濃度過高。在一定空間內(nèi)煤粉濃度超標(biāo)不僅危害工作人員身體健康，也存在較高的爆炸風(fēng)險[3-5]。為規(guī)范火電廠發(fā)電步驟，保障發(fā)電設(shè)備和工作人員安全和健康，對高爐內(nèi)煤粉濃度超標(biāo)進(jìn)行報警十分有必要。包鵬贊等[6]設(shè)計(jì)了配煤系統(tǒng)中短信報警系統(tǒng)，其利用C#語言編程編寫報警程序，以調(diào)取煤粉濃度監(jiān)控?cái)?shù)值的形式實(shí)驗(yàn)煤粉濃度超標(biāo)報警。李劍波等[7]使用紅外傳感器采集兩相氣流數(shù)值，使用氣相色譜方式測定兩相氣流數(shù)值內(nèi)的煤粉濃度，然后利用用戶端的監(jiān)視器向用戶發(fā)送煤粉濃度報警信息。上述兩種系統(tǒng)雖均可實(shí)現(xiàn)煤粉濃度超標(biāo)報警，但前者對當(dāng)前煤粉濃度監(jiān)控效果需求較高，當(dāng)其煤粉濃度監(jiān)測效果不佳時，其報警效果不理想。后者則在使用氣相色譜檢測煤粉濃度時所需時間較長，導(dǎo)致煤粉超標(biāo)時報警效果不夠及時。為使煤粉濃度報警結(jié)果更為精準(zhǔn)和報警效果更佳，本文設(shè)計(jì)基于多傳感器的火電廠煤粉報警系統(tǒng)。利用多傳感器采集煤粉濃度信息，使其煤粉濃度數(shù)據(jù)更為全面和準(zhǔn)確。

1 火電廠煤粉報警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

以B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)火電廠煤粉報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?；痣姀S煤粉報警系統(tǒng)使用多個電容傳感器采集高爐煤粉噴吹過程中的煤粉傳輸流量濃度數(shù)據(jù)后，使用ZigBee無線傳輸模塊你的路由器和協(xié)調(diào)器將其傳輸?shù)紺PU微控制器內(nèi)。CPU微控制器使用LCD顯示報警模塊內(nèi)的基于最小二乘法的多點(diǎn)數(shù)據(jù)處理算法繪制煤粉濃度分布曲面，當(dāng)濃度分布曲面超過設(shè)定的報警閾值時，將報警信息反饋給CPU微控制器。CPU微控制器利用CAN通信模塊與CAN總線連接監(jiān)控主機(jī)，通過監(jiān)控主機(jī)向用戶發(fā)送煤粉超標(biāo)報警畫面和報警提示音。

圖1 火電廠煤粉報警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure diagram of pulverized coal alarm system in thermal power plant

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳輸模塊是實(shí)現(xiàn)煤粉報警的關(guān)鍵，其是連接粉塵濃度傳感器與監(jiān)控主機(jī)的橋梁[8]。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)如圖2所示。ZigBee無線傳輸模塊的無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)由若干個粉塵傳感器采集點(diǎn)組成，使用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)粉塵傳感器節(jié)點(diǎn)，使其與路由器形成星型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的粉塵傳感器節(jié)點(diǎn)通信傳輸性能更為穩(wěn)定的同時，可較大程度地保障數(shù)據(jù)不出現(xiàn)丟失情況[9-10]。各個路由器之間互相連接形成路由器網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后與協(xié)調(diào)器相連。利用協(xié)調(diào)器與監(jiān)控主機(jī)相連形成火電廠煤粉報警系統(tǒng)完整的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。用戶通過監(jiān)控主機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送煤粉濃度采集命令后，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)并分配設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址、控制節(jié)點(diǎn)的加入和退出。路由器負(fù)責(zé)接收粉塵傳感器節(jié)點(diǎn)并將其傳輸給協(xié)調(diào)器。

圖2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)示意Fig.2 Schematic diagram of ZigBee wireless network erection

2.2 多傳感器煤粉濃度采集電路設(shè)計(jì)

煤粉濃度采集為氣固相流范疇[11-13]。其采集方法眾多，其中電容法是以煤粉和空氣兩相流混合物的等效介電常數(shù)受煤粉濃度變化情況得到煤粉濃度的方式。電容法使用電容傳感器可做到非接觸式煤粉濃度信息采集，其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛[14]。在此選擇型號為RN20-M18T電容傳感器采集高爐煤粉噴吹過程中的煤粉傳輸流量濃度數(shù)據(jù)。電容法采集煤粉濃度時的電路如圖3所示。在多傳感器煤粉濃度采集電路中使用DDS信號發(fā)生器向電容傳感器內(nèi)置極板發(fā)出一組激勵信號和一組參考信號。其中激勵信號經(jīng)過TIA跨組放大器放大后，再通過交流放大器進(jìn)行放大處理得到一組直流調(diào)制信號。直流調(diào)制信號和參考信號均輸入到模擬乘法器內(nèi)，經(jīng)過信號模擬和濾波處理后，經(jīng)由ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)轿⒖刂破鲀?nèi)備用。

圖3 多傳感器煤粉濃度采集電路示意Fig.3 Schematic diagram of multi-sensor pulverized coal concentration acquisition circuit

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)行驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

火電廠煤粉報警系統(tǒng)的驅(qū)動是保證其正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一，系統(tǒng)的驅(qū)動程序越穩(wěn)定，則系統(tǒng)的魯棒性越強(qiáng)[15-16]。在此使用DDK驅(qū)動包內(nèi)的分層驅(qū)動程序作為本文系統(tǒng)的驅(qū)動。該驅(qū)動程序啟動周期較短且其運(yùn)行代碼數(shù)量少，驅(qū)動運(yùn)行順暢。分層驅(qū)動程序驅(qū)動流程如圖4所示。分層驅(qū)動程序主要由上層過濾驅(qū)動程序和下層驅(qū)動程序構(gòu)成。當(dāng)用戶發(fā)出煤粉濃度采集、傳輸?shù)让顣r[17-19]，驅(qū)動程序?qū)⒃撁钷D(zhuǎn)換成請求派遣包。請求派遣包經(jīng)過上層過濾驅(qū)動程序、下層驅(qū)動程序后，被發(fā)送到總線驅(qū)動程序內(nèi)。利用總線驅(qū)動程序啟動功能設(shè)備對象執(zhí)行相應(yīng)命令[20]，即完成整個系統(tǒng)指令的驅(qū)動。

圖4 分層驅(qū)動程序驅(qū)動流程示意Fig.4 Schematic diagram of layered driver driving process

3.2 基于最小二乘法的煤粉報警程序

火電廠煤粉報警系統(tǒng)的LCD顯示報警模塊接收到電容傳感器采集到的煤粉濃度信息后，使用最小二乘法對煤粉濃度信息進(jìn)行曲面擬合，并繪制不同時刻的煤粉濃度分布曲面，得到高爐煤粉噴吹過程中煤粉量濃度等級信息。然后設(shè)置煤粉超標(biāo)等級閾值將當(dāng)期高爐煤粉濃度等級與所設(shè)置的閾值進(jìn)行對比，當(dāng)其煤粉濃度超標(biāo)時，向用戶發(fā)出相應(yīng)的畫面報警和聲音報警。將上述過程以軟件編程方式寫入到系統(tǒng)的LCD顯示報警模塊內(nèi)，通過啟動該模塊即可實(shí)現(xiàn)煤粉超標(biāo)報警，其軟件運(yùn)行過程如圖5所示。

圖5 LCD顯示報警模塊報警流程Fig.5 Alarm flow of LCD display alarm module

4 系統(tǒng)性能測試與分析

以某火電廠的高爐為測試對象，使用本文系統(tǒng)對該高爐煤粉噴吹過程中的煤粉傳輸流量濃度超標(biāo)進(jìn)行報警。為既簡化測試過程又保障測試結(jié)果具備較高的可靠性，使用Matlab仿真軟件模擬高爐煤粉噴吹過程，并設(shè)置不同測試環(huán)境，以驗(yàn)證本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

4.1 通信性能測試

頻譜效率是指信息在傳輸過程中每秒每Hz速率，其是衡量通信傳輸指標(biāo)之一。以頻譜效率為衡量指標(biāo)，分析本文系統(tǒng)在不同數(shù)量通信節(jié)點(diǎn)情況下，其通信頻譜效率理想值與實(shí)際值曲線，結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知，本文系統(tǒng)在通信時的頻譜效率數(shù)值與通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系。其中在通信節(jié)點(diǎn)不超過1 000個，系統(tǒng)通信時的頻率效率數(shù)值與理想值存在一定差距，但相差數(shù)值不大。此時理想的頻譜效率數(shù)值和本文系統(tǒng)實(shí)際的頻譜效率數(shù)值曲線表現(xiàn)為較大幅度上升趨勢。當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過1 000個之后，理想的頻譜效率和本文系統(tǒng)實(shí)際的頻率效率數(shù)值呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，此時二者曲線逐漸重合，說明此時系統(tǒng)通信時的頻譜效率數(shù)值為理想數(shù)值。綜上所述，本文系統(tǒng)在通信過程中通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，其通信效果越符合理想數(shù)值，其較為適合傳輸較大的數(shù)據(jù)量，具備較好的通信性能。

圖6 通信性能測試結(jié)果Fig.6 Communication performance test results

4.2 及時性測試

在Matlab仿真軟件內(nèi)設(shè)置10次煤粉濃度超標(biāo)狀況，并設(shè)置報警閾值不得超過30 s。測試本文系統(tǒng)報警時間與發(fā)生煤粉濃度超標(biāo)狀況時間，分析系統(tǒng)煤粉濃度報警的及時性，結(jié)果見表1。由表1可知，在10次煤粉濃度超標(biāo)報警測試中，系統(tǒng)報警時間與發(fā)生煤粉濃度超標(biāo)時間之差最大為16 s，最小僅為3 s。其中最大數(shù)值較所設(shè)閾值低14 s。該數(shù)值說明本文系統(tǒng)可有效在煤粉濃度發(fā)生超標(biāo)時及時向用戶發(fā)出報警提示，且其報警時間較為及時。

表1 煤粉濃度超標(biāo)報警及時性測試結(jié)果Tab.1 Timeliness test results of over standard alarm of pulverized coal concentration

4.3 報警效果測試

在仿真軟件內(nèi)設(shè)置煤粉濃度超標(biāo)狀況，測試本文系統(tǒng)畫面報警效果，結(jié)果如圖7所示。分析圖7可知，在煤粉濃度報警畫面中，用戶可觀察到火電廠高爐當(dāng)前壓力數(shù)值，以及該壓力開始時間、持續(xù)時間以及保持該壓力的剩余時間。還有煤粉濃度閾值和當(dāng)前濃度數(shù)值。從煤粉當(dāng)前濃度數(shù)值可看出該數(shù)值已超過所設(shè)置的煤粉濃度閾值，因此本文系統(tǒng)向用戶發(fā)出濃度已超標(biāo)紅色報警框，且為用戶呈現(xiàn)了報警等級。綜上所述，本文系統(tǒng)可有效在高爐煤粉濃度超標(biāo)時向用戶發(fā)出畫面報警。

圖7 系統(tǒng)畫面報警測試結(jié)果Fig.7 System screen alarm test results

為更充分呈現(xiàn)本文系統(tǒng)報警效果，下面從語音報警角度展開測試。在Matlab仿真軟件內(nèi)設(shè)置8次煤粉濃度超標(biāo)情況，測試本文系統(tǒng)語音報警功能，結(jié)果見表2。

表2 煤粉濃度超標(biāo)語音報警測試結(jié)果Tab.2 Test results of voice alarm for excessive pulverized coal concentration

分析表2可知，本文系統(tǒng)在煤粉濃度超標(biāo)時，可有效向用戶發(fā)送語音報警信息，并播報當(dāng)前煤粉濃度和已超標(biāo)數(shù)值，便于用戶及時調(diào)整火電廠高爐吹煤相關(guān)參數(shù)。且每次語音報警在用戶未手動終止情況下均播報3次，每次持續(xù)1 min，能有效提醒工作人員注意報警。

綜上所述，本文系統(tǒng)的語音播報能力較好，具備較強(qiáng)的應(yīng)用性。

4.4 兼容性測試

首先驗(yàn)證本文系統(tǒng)的兼容性。系統(tǒng)的兼容性是描述其軟件和硬件適用于多種運(yùn)行環(huán)境內(nèi)的適應(yīng)度，由于火電廠設(shè)備環(huán)境不同，計(jì)算機(jī)裝機(jī)配置不同，因此對系統(tǒng)兼容性要求較高。在此分別從軟件、版本、網(wǎng)絡(luò)的兼容角度展開測試，分析本文系統(tǒng)的兼容性，結(jié)果如圖8所示。分析圖8可知，本文系統(tǒng)在軟件和網(wǎng)絡(luò)方面的兼容度數(shù)值較高，其中軟件的兼容度已達(dá)到98%左右，而網(wǎng)絡(luò)兼容度為97%左右。版本的兼容度稍低，說明本文系統(tǒng)在運(yùn)行時對瀏覽器以及硬件版本存在一定需求。但其兼容度數(shù)值依然達(dá)到85%左右，說明本文系統(tǒng)支持大多數(shù)的計(jì)算機(jī)運(yùn)行環(huán)境，在應(yīng)用過程中無須更換火電廠現(xiàn)有計(jì)算機(jī)軟硬件，其具備較好的兼容性。

圖8 系統(tǒng)兼容性測試結(jié)果Fig.8 System compatibility test results

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)基于多傳感器的火電廠煤粉報警系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)使用若干個電容傳感器采集火電廠高爐煤粉噴吹過程中的煤粉濃度。電容傳感器通過連接采集電路，以采集煤粉和空氣兩相流混合物的等效介電常數(shù)形式描述當(dāng)前煤粉濃度。該種煤粉濃度采集方法為無接觸式采集方法且不受環(huán)境影響。使用Matlab仿真軟件搭建仿真環(huán)境測試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，測試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)在不同運(yùn)行環(huán)境下具備較強(qiáng)的兼容性；通信傳輸時的頻譜效率在通信節(jié)點(diǎn)超過1 000個后接近理想數(shù)值；具備較好的煤粉濃度畫面報警和語音報警功能，應(yīng)用性良好。