基于嵌入式ARM的圆顶阀控制主板在火电厂中的应用

0 引言

上海外高桥第二发电厂2×900 MW机组于2003年陆续投运，其气力输灰采用双套紊流浓相正压输灰系统,主要由正压浓相输灰系统、电除尘灰斗气化风系统、灰库气化风系统、灰库及灰库卸灰系统构成。即Mul-t-i TTS系统

。该系统中使用MOLLER公司的圆顶阀-MOLLER阀作为进灰和出灰阀门使用。系统投运至今，随着时间的推移，MOLLER阀控制主板的故障占据了现场设备故障的较大比例，对输灰系统造成了很大影响。根据对MOLLER阀多次故障的处理经验，研发了基于嵌入式ARM系统的控制板，提出并实施改进措施和技术更新。

1 MOLLER阀控制器的主要结构及工作原理

1.1 MOLLER阀控制器的主要结构

MOLLER阀控制器主要由铝合金壳体，气动控制块，控制器主板，凸轮轴，操作显示灯等组成，见图1。

1.2 MOLLER阀控制器的工作原理

MOLLER阀控制器的控制板为单片机设计，内部程序固化，无法修改。其工作原理如下：

1）上电初始状态时，阀门关闭，压力高，关限位至阀门关指示灯亮，其它指示灯不亮。

2）开阀门时，开指令发出，阀门关指示灯熄灭，压力低指示灯亮，放气电磁阀放气；压力高变为压力低时，压力正常指示灯熄灭，密封圈未充气指示灯亮，阀门开电磁阀的电气缸开；开限位至密封圈未充气指示灯熄灭，阀门开指示灯亮。

3）关阀门时：开指令失去，阀门开指示灯熄灭，密封圈未充气指示灯亮，开阀门电磁阀失电，阀门关闭；关限位至密封圈未充气指示灯熄灭，压力低指示灯亮，充气电磁阀得电，密封圈充气；压力开关由压力低变为压力高，压力不高指示灯熄灭，阀门关指示灯亮。原理梯形图见图2。

2 新控制器主板的设计

2.1 设计思路

对于圆顶阀的控制方式，主要有以下三类：

所有输入信号都经过光电隔离进行隔离，所有输出信号都经过继电器隔离。

师：我们看出，有些立体图形的表面包含着一些平面图形．反之，我们也可以利用这些平面图形来描述立体图形．请观察手中的四棱锥模型，描述四棱锥的特征．

经实验操作台模拟和对现场问题的分析，确认为电路设计参数问题，即电路中的开关量输入高限阈值过大，主控板上自恢复保险丝容量偏小。两者配合后使电路处于临界状态，造成有的电路正常有的则异常。

2)由PLC、压力开关、电磁阀等组成的就地控制箱。其主要优点是自动化程度相对较高，但就地控制箱中的PLC对环境要求较高、阀门状态的间接采集信号不够，导致气动系统被腐蚀、密封圈频繁被挤破或磨损、阀体被冲刷等故障。

由于原MOLLER阀控制器在外高桥第二发电厂的装用量较多（达86个），且控制箱内的气动控制块等部件都可以留用和通用，因此考虑仅对原MOLLER阀控制板进行改型替换。

药师可以通过药学门诊对服用华法林的患者从疾病成因、用药须知、药物相互作用，并结合药动学和药效学特点，阐释抗凝治疗的必要性，对抗凝强度以及INR值进行监测和分析，热情服务于患者，及时发现可能导致INR偏低的因素，配合临床提出合理化建议，制定个体化的治疗方案，使自己真正成为医疗团队的一员。

在充分了解性染色体后，学生小组探究控制白眼基因的位置，大胆地提出2个假说：（1）控制眼色的基因位于Ⅱ-2区段。（2）控制眼色的基因位于Ⅰ区段。并分别给出图1、图2论证各自的观点。

3)以MOLLER阀为代表的专用控制器，其优点是匹配度高，采用单片机技术，对现场环境要求比较低；但电路结构为多板拼接的方式，内部控制板故障率较高，且固化程序，用户不能对其修改优化

，且价格昂贵。

2.2 设计原理及技术手段

原MOLLER阀控制器采用的是单片机技术。单片机和ARM都是嵌入式开发的硬件系统，各有不同的应用场景，有不同的特点。但单片机主要是面向于低端市场，仅实现常规性的控制功能，而ARM主要面向更复杂的嵌入式产品，主频更高，外围接口功能更加丰富。且ARM已经逐渐取代单片机，成为嵌入式产品的通用硬件平台

。

因此，新的控制主板核心控制电路采用NXP的LPC1113，ARM Cortex-M0的ARM微控制器，主频50 MHz。电源及I/O电路原理见图3。

新控制主板逻辑采用类似顺控功能编写，主控制逻辑顺控框图见图4。

经济增加值，是指税后净营业利润扣除全部投入资本的成本后的剩余收益。这里的税后净营业利润是衡量企业的经营盈利情况，指调整后的净营业利润，即税后净利润加上利息支出、非经常性、应予资本化费用后得到的税后利润。全部投入资本的成本反映的是企业持续投入资本所占用的资本成本。即平均资本占用乘以加权平均资本成本，平均资本占用包括债务资本和股权资本，不包括无息流动负债，根据企业经营实际情况调整项还包括：研发支出、在建工程、资产减值损失、递延所得税等。加权平均资本成本按照国资委印发的《经济增加值考核细则》中规定原则上为5.5%，不同行业略有调整，且资本成本率确定后，三年保持不变。

主板24 V电源输入经过两个整流桥，整流桥的作用是输入电源不分正负，一路经过DC/DC产生5 V电源供内部电路使用，另一路供继电器、按钮、压力开关等IO设备使用。

首先，海西州草场面积较大，分布广泛，在短时间内了解整个区域内草地的发展动态具有重大现实意义，但因为工作经费短缺、人员配备不足，严重影响全州鼠害测报工作的有效开展；其次，当地农牧民群众对鼠害防治意识不强，对生物防治技术缺乏了解，防治工作并不能深入基层，不能使广大农牧民群众真正认识到鼠害发生的严重危害；最后，草场超载放牧、过量放牧现象屡禁不止。人为过度放牧，使草场覆盖度下降，地表裸露，为老鼠打洞提供了条件，同时近年草场病鼠害发病较为严重，老鼠没有天敌，繁殖能力极大提升，单位面积内的鼠害密度较大。

2.3 主控板的设计与制作

即：密封圈不是在充气就是在放气状态，没有中间态。

3 现场调试及优化

新控制主板在现场批量安装后，集中发生两类故障：密封圈充爆和关阀门无动作故障。针对这两类故障分析和处理。

3.1 密封圈充爆故障分析

现场更换新控制板后，接连出现密封圈充爆现象。即当圆顶阀正常自动运行时无问题，充爆现象都出现在阀门故障，现场检修的过程中。当阀门故障时，阀门处于关门充气状态，但压力开关未动作，现场手动开阀门，此时阀门仍然处于充气状态，此状态密封圈可以扩充空间变大，在压力开关动作之前即可以充爆。

经仔细分析MOLLER圆顶阀的手册，发现编写逻辑时犯了一个错误：充气电磁阀和放气电磁阀是一个双电控两位五通先导电磁阀，并不是两个独立电磁阀。电磁阀组件原理见图7。

例7 (2013湖北卷·文17)在平面直角坐标系中，若点P(x,y)的坐标x,y均为整数，则称点P为格点.若一个多边形的顶点全是格点，则称该多边形为格点多边形.格点多边形的面积记为S，其内部的格点数记为N，边界上的格点数记为L.例如图3中△ABC是格点三角形，对应的S=1,N=0,L=4.

针对此项目双电控两位五通先导电磁阀的操作为充放气分别对应电磁阀的两个线圈，两个线圈不允许同时得电，每个线圈得电1～2 s之后可以失电，失电之后阀门仍然保持当前状态。

当充气线圈得电，开始充气，此时即使充气线圈失电也处于充气状态。

当放气线圈得电，开始放气，此时即使放气线圈失电也处于放气状态。

在公共安全领域：以化学品及制品危险性分类鉴定技术为核心，以化学品储运安全、健康环境评价、工业过程安全、应急救援、公共活动保障、食品安全为主要发展方向，建设“化学品公共安全技术中心”，为国家化学品公共安全和上海国际航运中心建设提供技术支撑。

新控制主板的设计布局及尺寸参考原主板，能够匹配原控制器壳体内的固定安装孔和PIN连接口。同时将原来多板拼接的控制板简化为单层，新电路采用抗干扰能力强的四层板设计，将原有三张电路板的器件压缩到一张电路板，提高了集成度。新旧主板对照见图5。主板接口定义见图6。

通过以上分析可以得出密封圈充爆的原因，寻求问题处理方法。正常工作时充气线圈和放气线圈交替工作，阀门工作正常，当出现异常情况时，压力开关不动作，执行开门指令时跳过放气指令（认为充气线圈无电就不在充气），实际情况是充气仍然在进行中，导致密封圈会充爆。修改程序后增加了强制放气指令，即结束充气，现场问题得以解决。

3.2 关阀门无动作故障分析

故障现象为主控板安装之后可以正常操作，在操作几次之后出现开阀门到位，执行关阀门指令时无动作，远程和就地操作均无动作。断电重新上电后又能继续工作，经持续一段时间后故障重现。

1)由压力开关、电磁阀等组成的现场控制回路。其主要优点是价格低，工艺简单；主要缺点是体积庞大，气动系统裸露在外，动作不可靠，自动化程度低。

电路中存在的保护器件仅有两个自恢复保险丝，从现场反馈的情况，断电后重新上电能够正常工作与自恢复保险丝动作特性相似。自恢复保险丝部分电路框图见图8。

2.1 播种期：3月3日，播种方式和方法：厢面上开种植沟，每厢两行，马铃薯块茎直播；播种时每亩用3袋辛硫磷颗粒剂和底肥混匀施用；播种后进行覆膜盖土。

DCS系统能够收到开到位的反馈信号，说明开到位继电器能够正常闭合，继电器闭合需要两个条件，一是24 V I/O电源正常，二是5 V的工作电源正常，从现象分析这两个电源都正常。

根据爆发时间,去除1953—1954年和1968—1969年两次事件。另外,把1986—1988年的一个事件作为一个特例去除(事件持续时间长,且有明显的双峰结构)。按爆发时间分类统计,1950—2016年间共发生17次El Nio事件,其中:SP型有8个,平均持续时间12 mon,平均最大振幅1.95 ℃;SU型9个,平均持续时间6 mon,平均最大振幅1.01 ℃。

结合ARM系统逻辑分析，DCS发出关阀门指令后首先执行了1 s的放气指令然后判断压力低信号和压力高信号的状态，状态正常后执行关阀门的动作，DCS的关阀门指令是触点断开，一般情况下不会接收不到，如果阀门没有反应，可能是卡在压力信号的检测步骤。执行放气程序后压力低闭合压力高断开，断开信号不会出问题，经分析可能是未收到压力低的闭合信号。见图9。

开关量输入信号为了抗干扰都会有一个输入阈值，此电路设计的高限输入阈值为19 V（18 V加上光电耦合器的1 V降压），此电路的持续电压在19 V，动作电压需要20 V。

综合以上的分析可以复现现场的问题，当执行开信号到位时，现场开阀门继电器闭合，开到位信号继电器闭合。此时电路板的24 V I/O部分电流为100 mA，电路上在整流桥和自恢复保险丝上产生1.7 V的压降，所以24 V I/O信号的电压为22.6 V，当执行关阀门动作时，放气电磁阀得电，由于电磁阀启动冲击电流使自恢复保险丝瞬间到临界状态，24 V I/O电源下降到20 V以下，但是继电器仍然没有释放，由于电压的降低使电流进一步增大（继电器和电磁阀的总功率不变），造成压力低信号无法正确输入，逻辑卡在这一步，由于自恢复保险丝电流变大，温度上升，电阻变大，无法自动恢复。当电路断电后，自恢复保险丝热量散失，电阻变小，电路恢复正常，操作一段时间后温度又上升重复此过程。

后续将自恢复保险丝容量由1.1 A调整到2 A，开关量信号的输入阈值由20 V调整为15 V，该故障解除。

4 结束语

本文对嵌入式ARM的圆顶阀控制主板性能参数及技术特点进行了工作控制原理和设计思路的详细介绍，并针对其进行试制检验，现场实装和调试改进。结果表明，其产品的性能达到设计要求。各项技术指标均已具有较高水平，且实现了进口产品国产化，打破了国外产品的技术垄断。

[1]朱建强.双套紊流正压浓相输灰系统在某电厂的应用.电力学报，2008（2）.

[2]毕宁.圆顶阀AI智能控制器在粉煤灰气力输送系统中的应用.科技创新与应用，2017（35）.

[3]张勇.ARM嵌入式微控制器原理与应用——基于Cortex-M0+内核LPC84X与μC/OS-.清华大学出版社，2018.

[4]MOLLER阀操作维护手册.