电站锅炉配风无线监控系统设计

宋新超，李光辉，杨琦，冯连琨

(1.南京理工大学，机械工程学院，江苏 南京，210094;2.大庆油田电力工程设计院，黑龙江 大庆，163453)

0 引言

影响锅炉燃烧效率主要有以下因素，燃料因素，设备结构因素，运行因素［1］。在锅炉燃烧设备和煤质一定的条件下，一次风与二次风的调节是决定火和燃尽过程的关键［2］。保持合理的风煤配合，一、二次风配合和送引风配合具有重要的意义。过去锅炉的运行监控大部分由人工方式完成，由工作人员定时的巡回检查，通过记录温度计和皮托管的读数来得知锅炉的工作状态。这种人工方式具有很多缺点:人工读数存在主观的误差;巡查时间间隔长而且不规律实时性比较差;历史数据很难进行有效管理［3］。WI-FI 无线通信技术作为新兴的短程无线传输技术，具有传输距离远、传输速率高、支持多种网络协议、能够直接接入互联网、具有良好的扩展性等优点。基于该技术的应用研究正在快速发展，WI-FI技术事实上正在成为物联网重要的技术标准。因此，基于锅炉配风调节的实际需求结合Wi-Fi 通信技术构建了调节阀的无线监控系统，实现了对锅炉配风情况的无线监测和控制，有效提高了锅炉燃烧效率。

1 系统总体结构

该监控系统由上位机管理监控软件，下位机数据采集，步进电动机控制调节阀开度，WI-FI 通信，调节阀结构等五大部分组成;系统要完成的功能是通过分布在各风口的风速和温度传感器采集相关的风温，风速，风量，调节阀开度等数据，并将这些数据通过无线的方式上传到现场监控计算机。由监控计算机将这些数据显示出来，并对这些数据进行分析与管理，当风温，风速等数据超出正常范围的时候，发出报警，可以由上位机控制调节阀的开度。使锅炉始终工作在较好的状态，提高效率。系统整体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构图

2 系统硬件设计

2.1 单片机电路结构设计

下位机主要完成的功能是采集传感器数据并上传，接收由上位机发送的指令对步进电动机进行控制。硬件结构主要包括:1)MCU 及其最小系统电路;2)总线以及传感器电路;3)步进电动机驱动电路;4)WI-FI 通信电路;5)键盘，液晶接口电路。其中MCU 选用TI 公司F 系列16 位单片机MSP430F449。该单片机拥有丰富的片内资源［4］具有两个串口，将大量的CPU 外围模块集成在了片内，集成了液晶驱动器、模拟比较器、14 位的ADC;单片机内部含有60 KB 的flash，能够满足数据存储要求不需要扩展存储器［4］。能够实现本处控制任务，综合考虑选用此型号单片机。单片机电路结构如图2 所示。

图2 单片机电路结构图

2.2 WI-FI 模块的设计

使用无线网络可以满足移动，重定位，特殊网络的要求，还能够覆盖有线网络难以涉及的范围［5］。IE802.11协议定义了无线局域网的标准;作为有线网络的扩充，无线网的性能在很多方面已经达到有线网的水准。依据目前普遍使用的IE802.11g 标准，传输距离达到100 m，传输速率达到54 Mbit/s;Wi-Fi 是Wi-Fi 联盟制造商的商标可做为产品的品牌认证，Wi-Fi 技术创建在IEEE 802.11 标准上;但IEEE 开发和出版这些标准，却不测试符合他们的设备［6］。实现Wi-Fi 通信功能须至少支持以下三层协议［7］:1)802.11 PHY(物理层协议)以适应每个标准来执行载波侦听，数据传输和接收消息帖;2)802.11 MAC(介质访问控制)MAC 层执行许多服务，并且在无线介质和网络中使用的协议栈，主机运行的OS 和应用软件之间提供缓冲;3)TCP/IP(网络通讯协议)由网络层的IP 协议和传输层的TCP 协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。通常这些工作需要由两块芯片和一个RF 收发器来完成:一是支持操作系统的MCU，操作系统能够较好支持复杂的网络协议;二是MAC 基带芯片;如果应用系统采用的嵌入式操作系统来实现，那么实现通信功能只需无线基带芯片即可;如果应用不运行操作系统，那么实现通信功能要使用集成有片上系统的无线模块。本系统的MCU 采用的单片机并不运行操作系统，所以选用由海凌科公司生产的Uart-Wi-Fi 模块，该模块内置32 位CPU，硬件支持加密;符合GB15629 系列国家无线标准，支持中国无线局域网安全标准(WAPI)和IEEE802.11a/b/g/i 相关标准。即这个模块能够把对Wi-Fi 通信复杂的操作流程封装起来，可以通过串口向Wi-Fi 模块发送AT 命令来控制，发送与接收数据也通过串口来完成。电路结构如图3 所示。

图3 Uart-Wi-Fi 电路结构图

2.3 执行电路设计

PC 机作为上位机，向下位机发送指令对网络中八台以主控制器对调节阀驱动装置(步进电动机)进行控制。上位机可以对网络中的各个阀门进行控制，并显示阀门的开度数据，另外下位机控制器也可进行现场键盘控制。为避免系统实际工作时的运动误差，导致调节实效，设置了反馈传感器(角位移传感器)构成闭环系统;结构如图4 所示。

图4 步进电动机控制结构框图

图5 步进电动机控制框图

使用、控制步进电动机必须有环形脉冲，功率放大电路，结构如图5 所示。脉冲信号一般由单片机产生，脉冲信号的占空比为0.3～0.4 左右，步进电动机转速越高，占空比则越大。使用脉冲分配器芯片，来进行步进电动机通电换相的控制。由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，步进电动机选型主要考虑步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素。根据以上选型原则，为步进电动机选用RORZE 公司的M26213S 两相步进电动机，该电动机的步距角为1.8°，电流为3 A/相［6］。其驱动器就选用与之配套的两相细分步步进电动机驱动器RD-0234M。RD-234M 与M23216S 步进电动机的接线情况如图6 所示。

传感器具体选择HY-65D360 型，传感器信号传输为标准RS-485 串行通讯，本处设计采用被动式传输方式。是当上位机发出位移采集命令时，传感器才进行数据采集并将数据采集结果上传。可以直接与单片机RS-485 接口相连进行数据通讯或者是通过RS-232/485 变换装置直接与上位机RS-232 串口连接。

图6 驱动器接线图

3 软件设计

下位机软件采用IAR 编译环境，软件设计主要包括以下几个部分:主程序设计、Wi-Fi 通讯程序设计、键盘键入及显示程序设计、电机控制程序设计及数据采集程序设计等。系统通电后首先进行各部分的初始化，然后进入Wi-Fi 通讯程序循环等待，当收到上位机命令时，对命令帧进行解析，如果是数据采集命令则依次采集各传感器信号，然后组帧发送给上位机，帧格式按照事先定义的格式;如果上位机控制命令时，对命令进行解析，调用步进电动机控制程序，完成后将运行结果传送至上位机。然后继续进行循环等待。

3.1 步进电动机控制程序设计

该部分完成步进电动机的运动控制以及运动参数监测处理。步进电动机控制命令由上位机控制软件发出，在上位机监控软件中输入位移值、速度值，按下“运行”按钮，将控制数据组成命令帧通过Wi-Fi 模块传送到单片机控制器，单片机将控制要求转化为相应的脉冲数发给步进电动机驱动器。步进电动机闭环控制以及上位机关于阀门开度的显示是通过角位移传感器对丝杆的角位移测量来实现。角位移传感器采用被动式采集方式，只有发出采集命令以后才会进行数据采集，步进电动机完成步进量以后即进行位移量采集，然后将数值存入存储器为其处理做准备，当运行结束时，下位机返回一个字符串至串口，该字符串包括了运动结果的信息，上位机机收到这些数据后会进行处理并显示出来。如此就完成了一个调节操作。软件设计流程如图7 所示。

图7 步进电动机控制流程图

3.2 Wi-Fi 通信程序的设计

本系统中用Wi-Fi 通信模块来实现上位机监控软件与下位机控制器的通信。通信采用基础方式(路由器以及无线AP 是网络的中心)组网，能够直接接入以太网，单片机通过串口向Wi-Fi 模块发送AT 命令来实现相应的网络操作，操作成功时Wi-Fi 模块都会返回特定的字符串;因此流程每进行一步都要解析返回值，正确则继续，不正确则返回Wi-Fi 程序起点重新开始;Wi-Fi 模块常置于接受模式即tcp server 模式，当收到数据时直接通过串口传送给单片机;当需要上传数据时，将Wi-Fi 模块置于发送模式，即tcp client 模式［4］;该模块支持最多8 个tcp client 连接，支持最多3 个tcp server 连接。发送数据时，模块会自动按照tcp/ip 协议进行组帧发送。具体发送流程如图8 所示。

图8 Wi-Fi 通信程序流程图

4 运行结果

运行结果表明，可以由上位机采集锅炉配风的数据，并能够根据所采集数据对调节阀进行控制;满足设计要求。上位机监控界面由炉锅炉配风监控界面，调节阀控制界面组成;炉配风监控界面，由温度和风速以及阀门位置等显示部分组成。调节阀控制界面，由阀位显示和阀位控制部分组成;即直接键入开度值，进行调节;锅炉配风监控界面如图9 所示。

图9 上位机监控单元界面

结语

本文阐述了调节阀无线监控系统的整体结构，软硬件设计;重点论述了系统整体设计思想以及Wi-Fi 通信模块和电动机执行模块的设计。下位机采用MSP430 设计的控制器，外围器件少，性价比高。整个系统具有结构简单、扩展性好、开发周期短、可靠性高、使用方便、通用性强和控制精度高等特点，运行平稳，控制效果好。

［1］樊泉桂.锅炉原理［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［2］王清成，罗永浩，等.二次风对层燃炉燃烧特性影响的实验研究［J］.动力工程，2006，(6):780-783.

［3］杨琦.锅炉配风监控技术研究［D］.南京:南京理工大学，2007.

［4］魏小龙.MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2002.

［5］李昭智，张桦，于长云.数据通信与计算机网络［M］.北京:电子工业出版社，2001.150-154，218-220.

［6］http://zh.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi.

［7］Ron Price.Fndamentals of Networking Wirelss［M］.北京:清华大学出版社，2008.