基于MSP430的火電廠化學(xué)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

葉嘉成，程文勝，胡　婷，葉曉涵，成　帥，陳小橋

(武漢大學(xué)　電子信息學(xué)院，湖北　武漢　430072)

?

基于MSP430的火電廠化學(xué)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

葉嘉成，程文勝，胡婷，葉曉涵，成帥，陳小橋

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430072)

該文描述了一種基于MSP430單片機的分布式監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)定時獲取，采用分布式結(jié)構(gòu)，通過多個工作站的協(xié)調(diào)組成數(shù)據(jù)檢測網(wǎng)絡(luò)，通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)布局靈活同時具有很高的可靠性、良好的數(shù)據(jù)實時性和數(shù)據(jù)通道的可擴展性。滿足鍋爐健康運行的實時監(jiān)測需求。

分布式工作站；MSP430單片機；實時監(jiān)測；串口通信

鍋爐是火電廠的重要組成部分。每年因水質(zhì)問題引起的鍋爐內(nèi)部結(jié)垢、腐蝕并最終破損、爆裂等事故頻發(fā)，造成了巨大的經(jīng)濟損失。對鍋爐的健康狀況進行實時、準確地監(jiān)測具有重大意義。本系統(tǒng)通過前置工作站將采集到的傳感器數(shù)據(jù)傳到主工作站，進一步傳送到現(xiàn)場PC機進行存儲和數(shù)據(jù)的分析、處理和解算，形成一系列數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表和實時監(jiān)測曲線，為有關(guān)部門的決策和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計及特色

系統(tǒng)由現(xiàn)場PC機、主工作站和多個前置從工作站組成。其中，現(xiàn)場PC機主要包括接收數(shù)據(jù)的串口模塊、儲存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析處理的運算模塊。各工作站主要包括協(xié)調(diào)和控制各外設(shè)工作的MSP430單片機、收/發(fā)數(shù)據(jù)的串口模塊、數(shù)據(jù)緩存的Flash模塊、協(xié)調(diào)一主多從工作模式的通信接口拓展電路、信號模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D模塊，其他外設(shè)模塊用于實現(xiàn)可視化操作和安全警報工作。另外，現(xiàn)場PC機還通過網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)實時傳送到廠內(nèi)各有關(guān)辦公室的電腦終端。同時，還上傳到省局，使各有關(guān)部門可以隨時掌握鍋爐的運行狀況，有利于進行科學(xué)的決策和管理。

本系統(tǒng)具有以下3點特色。

1)火電廠內(nèi)的環(huán)境極其惡劣，長時間工作于高溫環(huán)境下對人的生命健康會造成危害。人工讀取、抄取數(shù)據(jù)的誤差較高，諸多人為的不確定因素影響鍋爐健康評估的準確性。本系統(tǒng)實現(xiàn)全自動化的數(shù)據(jù)采集模式，工作人員不再像以往那樣定時到鍋爐附近的取樣架進行人工抄取儀表數(shù)據(jù)。同時，也在一定程度上提高了數(shù)據(jù)的準確性。

2)本系統(tǒng)采用的分布式布局結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于現(xiàn)有的集線式布局。集線式結(jié)構(gòu)將所有取樣點的信號匯集到一個機房內(nèi)，通過一張超多通道的采集卡一次性全部采集進入計算機。①集成式結(jié)構(gòu)存在很大的安全風險。采集卡的功耗大，發(fā)熱嚴重，一旦采集卡過熱燒毀或者出現(xiàn)其他故障，整個火電廠的所有數(shù)據(jù)采集工作都將停止；而分布式結(jié)構(gòu)將風險分散，各工作站間相互通信卻不相互影響。②集線式系統(tǒng)適用范圍有限。應(yīng)用于體積較大的鍋爐時，分布式系統(tǒng)具有布線簡潔的優(yōu)勢。

3)該系統(tǒng)迎合了未來工業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)信息化方向發(fā)展的趨勢，可為互聯(lián)網(wǎng)+監(jiān)測系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)服務(wù)。最初，來自各個傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)由該系統(tǒng)到達火電廠辦公室的計算機內(nèi)，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)形成數(shù)據(jù)庫。長期監(jiān)測累積的數(shù)據(jù)可為機組維護提供可靠依據(jù)，構(gòu)建更加科學(xué)合理的火電廠安全診斷標準。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2　前置工作站的設(shè)計

前置工作站實現(xiàn)一系列信號的采集和傳輸功能，如圖2所示。傳感器輸出信號經(jīng)過調(diào)理電路進行信號的濾波、I/V轉(zhuǎn)換和放大，調(diào)理后的信號經(jīng)過MSP430單片機的A/D轉(zhuǎn)換器采樣得到原始數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后存入Flash緩存區(qū)，再通過UART串口，將數(shù)據(jù)傳到主工作站。

圖2　前置工作站結(jié)構(gòu)框圖

MSP430F6638系列單片機是前置工作站的核心。它是一款16位的超低功耗RISC混合信號處理器，具有優(yōu)良的高速低耗的性能指標。高達25MHz的CPU速度、256KB的Flash和18KB的RAM，具有很強的數(shù)據(jù)預(yù)處理和緩存能力。運行模式消耗為160μA/MHz，RAM電流保持在100nA以下，RTC模式電流僅為2.5μA，從低功耗狀態(tài)下喚醒時間不到5μs，使監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定地工作得到保障。

2.1調(diào)理電路的設(shè)計

2.1.1信號的轉(zhuǎn)化

依據(jù)行業(yè)標準，國內(nèi)工業(yè)傳感器儀表輸出范圍分為：4～20mA或1～5V；0～10mA或0～5V。

本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430單片機，其正常工作電壓為3.3V。在一些特定工業(yè)環(huán)境下，傳感器的標準輸出量以電流的形式居多，也就是所述的4～20mA或0～10mA。利用調(diào)理電路，將這個小電流信號轉(zhuǎn)化為電壓量，同時進行放大和濾波，再對其進行滿量程采樣，使得相對量化誤差降到最低。

系統(tǒng)采用均勻的轉(zhuǎn)化方式，使調(diào)理電路的輸出信號與輸入信號在數(shù)值上呈線性關(guān)系。其表達通式為y=ax+b。也就是說，傳感器輸出：①1～5V或0～5V的電壓量；②4～20mA或0～10mA的電流量與0～3.3V的電壓量是線性的均勻映射關(guān)系。

2.1.2電路的實現(xiàn)

前置工作站的調(diào)理電路原理如圖3所示。

系統(tǒng)前端傳感器輸出4～20mA電流，經(jīng)過U5和U6組成的有源低通濾波網(wǎng)絡(luò)濾除高頻噪聲。電流經(jīng)25Ω采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓，其取樣電壓值為100～500mV。采用高精度低失調(diào)的運放OP07構(gòu)成正向放大器和零點抵消電路，其中零點抵消電路相當于一個運算放大器穩(wěn)壓電源，運放輸出端接三極管Q1用于擴展其輸出能力，運放輸入端通過一個電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R6、R7、R8接至VSS，使其輸入端電壓可調(diào)以控制其輸出端電壓，從而將正向放大器輸入電壓降至0～400mV，調(diào)節(jié)電路增益即可完成I/V轉(zhuǎn)換。各正負電源端和輸出端都并聯(lián)一個1μF的去耦電容，用于消除自激，使放大器穩(wěn)定工作。

OP07運放的輸入偏置電流低于1.8nA，對系統(tǒng)性能不造成干擾。失調(diào)電壓漂移較小，僅有0.5μV/℃，在較高溫度環(huán)境下工作性能十分穩(wěn)定。時不變性非常好，最大時間漂移為2μV/月，加入一個額定的時間漂移補償后，在特定工作環(huán)境下，具有較好的持續(xù)工作能力。

圖3　調(diào)理電路圖

2.2ADC12采樣模塊

3　系統(tǒng)通信與布局

本系統(tǒng)的最終目的是將這些數(shù)據(jù)送往有關(guān)部門進行數(shù)據(jù)分析和處理，以實現(xiàn)監(jiān)控、診斷和決策。傳感器輸出信號經(jīng)調(diào)理電路后進行采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理暫存在Flash中，等待進一步數(shù)據(jù)傳輸。因工業(yè)現(xiàn)場惡劣的溫度和復(fù)雜的電磁環(huán)境，故采取安全可靠的串口通信方式。

圖4　ADC12內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

3.1系統(tǒng)通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用RS-232C的串口通信協(xié)議。該協(xié)議最高標準數(shù)據(jù)傳輸速率可達384 00bit，最大可靠傳輸距離為50英尺約為15m。經(jīng)過試驗驗證該協(xié)議能夠滿足基本的要求，因此沒有選用性能更高的RS-485通信協(xié)議。串口通信要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的格式化，在異步通信模式下，自動生成起止式的數(shù)據(jù)格式。收到的串行數(shù)據(jù)通過串行接口電路實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，再送入計算機進行處理。CPU采用的是TTL正邏輯電平，與EIA采用的負邏輯電平不兼容，這里利用接口電路進行匹配。接口電路采用的是TI公司生產(chǎn)的一款SN65C3232DR芯片，該芯片內(nèi)部的兩個反相器，用于實現(xiàn)正負邏輯的轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)采用的是UART模塊的串行口異步通信方式，默認起止式的數(shù)據(jù)幀格式。傳輸開始前輸出邏輯 “1”，作為標識態(tài)；傳輸開始時輸出邏輯變?yōu)椤?”狀態(tài)，作為起始位；起始位后面的8位為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息位，信息位后面緊接著1位地址位以協(xié)調(diào)多機通信；再接著一位奇偶校驗位，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_；最后是一到兩位邏輯“1”作為停止位。發(fā)送方只發(fā)送數(shù)據(jù)幀，不傳輸時鐘。為保證高效和準確地傳輸，設(shè)置以9 600bit/s的速率傳輸數(shù)據(jù)。

3.2多機通信拓展電路

本系統(tǒng)采用一主多從的主從式結(jié)構(gòu)，可以簡化成一個時分復(fù)用問題。前置工作站同時進行多路數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)暫存在Flash緩存，主工作站依照時鐘約定依次向從工作站發(fā)送指令并接收來自從工作站的數(shù)據(jù)。多路時分選擇電路見下圖。

圖5　多路選擇電路圖

主單片機控制P20和P21口進行通道的選擇。74LS138芯片是一個3～8譯碼器，簡化后用于對四路串口的收/發(fā)進行選擇性控制。74LS153芯片是一個雙四通道多路選擇開關(guān)，主單片機控制四路輸入信號的選擇，通過一條共用通道也就是74LS153的7號管腳經(jīng)P37口傳入主單片機，完成四路通道的分時雙向選擇通信。

4　系統(tǒng)各項技術(shù)指標

1) 工作站模擬信號通道：12位。

2)A/D轉(zhuǎn)換器：分辨率為12位。

3)采樣速率：25μs。

4)非線性誤差：小于±1/2LBS或±1LBS。

5)串行口：12位。

6) 波特率：9 600bit/s。

7)Flash存儲器：64KB。

8)系統(tǒng)時鐘頻率：25MHz。

9) 輸入信號范圍(可調(diào)整)：4～20mA或 0～10mA。

5　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電，各模塊初始化完成參數(shù)的設(shè)定。前置工作站循環(huán)采集各采樣通道的數(shù)據(jù)，每次每個通道的數(shù)據(jù)采樣十份，去掉兩個最高值和兩個最低值，剩余取平均值得到該通道此次采樣的數(shù)據(jù)并暫存。主工作站依次向各前置工作站發(fā)送地址和指令，對應(yīng)地址的前置工作站將數(shù)據(jù)以幀格式發(fā)送給主工作站，主工作站若收到錯誤地址發(fā)來的數(shù)據(jù)則丟棄，收到正確地址發(fā)來的信息則直接發(fā)送到PC端存儲。接收到最后一個工作站數(shù)據(jù)后繼續(xù)返回接收第一個工作站的數(shù)據(jù)，并循環(huán)以上過程。系統(tǒng)的程序流程圖如圖6所示。

圖6　程序流程圖

6　結(jié)束語

本研究成功地做出一套監(jiān)測系統(tǒng)樣機。一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)是對火力發(fā)電安全的重要保障?；痣姀S的成功監(jiān)測和信息網(wǎng)絡(luò)交流有利于國家有關(guān)機構(gòu)部門對國家火力電網(wǎng)的準確的認識和實時的掌控，是具有現(xiàn)實和未來發(fā)展意義的一套系統(tǒng)。這套系統(tǒng)適用范圍廣泛。在任何能用到傳感設(shè)備進行檢測的復(fù)雜環(huán)境下都適用，而且實現(xiàn)了自動化檢測。滿足安全、準確、高效和實時的工業(yè)監(jiān)測需求，具有不可估量的發(fā)展前景。

[1]李國維，李文彬，劉長福.火電廠水冷壁爆管常見原因分析及應(yīng)對措施[J].機電信息，2014(33)：67-68.

[2]江國棟，唐慶順，洪茂林，等.火電廠過熱器管爆管分析[J].熱加工工藝，2011，40(4)，184-185.

[3] 劉成剛，張麗紅.傳感器輸出信號的微處理[J].科技傳播，2012(11)：216-217.

[4]倪寧，肖雪夫，葛良全，等.微弱電流的I-V變換測量研究方法[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2013(6)：665-669.

[5] 白金閣，鄭江勇.防止“四管爆破”化學(xué)監(jiān)督措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(33)：91.

[6]DURGAPRASADPV，DUTTABK，VAZEKK，etal.Acentralizedon-linemonitoringsystemfordamageassessmentofcriticalcomponentsofmultiplethermalpowerplantunits[C]//InternationalConferenceonReliability，Safety&Hazar，2010：379-385.

[7] 陳曉靜.基于MSP430單片機的多機串口通信設(shè)計[J].信息化研究，2009(12)：35-37.

[8] 張小琴，祖靜，張瑜.基于MSP430單片機的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].計量與測試技術(shù)，2008(10)：27-28.

[9] 黃劼，許明恒，秦玉芳，等.單片機系統(tǒng)多串口設(shè)備集成化研究[J].微計算機信息，2007(8)：98-99.

[10]CHINHC.TONSC.Anadaptiveforecast-basedchartforNon-Gaussianprocessesmonitoring：Withapplicationtoequipmentmalfunctionsdetectioninathermalpowerplant[J].IEEETransControlSystTechno，2011,19(5)：1245 -1250.

[11] 謝楷，趙蓬，編著.MSP430系列單片機系統(tǒng)工程設(shè)計與實踐[M].機械工業(yè)出版社，2009.

[12] 朱向慶，陳志雄，洪暉.基于ZigBee協(xié)議帶AT命令的無線串口設(shè)計[J].低壓電器，2009(10)：16-19.

[13]GB/T12145—2008，火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量[S].北京：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008.

[14]DL/T246-2015，化學(xué)監(jiān)督導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2015.

[15]DL/T805-2013，火力發(fā)電廠汽水化學(xué)導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2014.

Design of the Monitoring System of Chemical Quantity of Thermal Power Plant Based on MSP430

YE Jiacheng，CHENG Wensheng，HU Ting，YE Xiaohan，CHENG Shuai，CHEN Xiaoqiao

(SchoolofElectronicInformation，WuhanUniversity，Wuhan430072，China)

ThispaperdescribesadistributedmonitoringsystembasedonMSP430singlechipmicrocomputer.Thissystemcanachievetimingacquisitionofmulti-channeldataandadoptdistributedstructure.Besides，thedatadetectionnetworkismadeupbycoordinationofmultipleworkstations，throughaserialportcommunicationfordatatransmission，whichmakesthesystemconfigurationflexibleandguaranteeshighreliability，gooddatainstantaneityandexpansibilityofdatachanneltosatisfythereal-timemonitoringneedsofhealthyoperationofboiler.

distributedworkstation；MSP430singlechipmicrocomputer；real-timemonitoring；serialcommunication

2016-03-04；修改日期: 2016-05-23

自主式開放實驗(WHU-2016-KFSy-03)。

葉嘉成(1994-)，男，學(xué)士，主要從事大型工業(yè)設(shè)備電子監(jiān)測方面的研究。

TM621.9

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.030