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燃煤品质监测管理系统的设计 学科：信号与信息处理 研究生签名： 指导教师签名：f ，乇省锯 摘要 随着经济的发展，作为主要能源的煤的消耗越来越多，因此节约煤和提高煤的利用率 成为当前的一项紧迫任务。燃煤品质监测管理系统就是为了快速准确检测出煤样灰分，进 而提高煤炭利用率，实现用煤企业节能减排目标所提出的一项研究课题。此系统实时监测 燃煤品质，防止以次充好，用以指导车间配煤以及锅炉燃烧，及时通报各职能部门掌握煤 质情况，还可扩展连接皮带秤或分炉计量系统，实现分炉标准煤耗计算及加权计算。通过 对入厂或入炉煤质的综合管理与控制，有效的解决了多年来用传统方法无法解决的难题。 该监测系统具有实时、快速、准确、抗干扰能力强、功耗低、稳定性好等特点，大大提高 了监测效率，进而提高了经济效益。 本文首先提出了系统的整体技术方案和技术优势，详细介绍了系统的硬件搭建以及各 部分电路图的设计。整个系统包括射线探测、信号处理、输入输出控制、高压控制和人机 接口几个组成部分。系统各个模块都采用n x p 公司生产的3 2 位嵌入式处理器l p c 2 1 3 8 作为c p u ，并配合各种外设实现对煤质的测量。其中信号处理模块是本系统的控制核心， 不仅把两种y 射线产生的脉冲信号区分开来，并且把煤灰分测量部分集成到现场。i o 模 块采用微处理器驱动继电器控制数字量的输入输出，对人员在现场操作台上的按钮操作、 设备机械部分的运行位置等数字量信息做出反应。高压模块通过采用反馈信号控制高压输 出，提高了光电倍增管工作的稳定性。恒温控制模块利用有效手段对射线探测模块提供恒 定工作环境温度。人机接口通过大尺寸液晶显示实现良好的设备维护与控制。 系统的控制软件是基于嵌入式实时操作系统g c o s 1 i 进行设计的。首先完成了实时 操作系统g c o s i i 在l p c 2 1 3 8 的移植，设计了设备驱动程序，编写了软件服务程序，包 括：基线测量、多道分析、电压反馈控制、总线通讯、v t l 0 0 终端调试、g u i 界面服务， 并在此基础上划分了各个系统任务以及优先级，完成了各个任务的功能实现。 最后，对整个系统进行了联合调试。实践表明燃煤品质监测管理系统在现场工作稳定， 实现了对煤样的灰分精确测量，为用煤综合管理提供了有力的技术保障。 关键词：煤质监测；a r m ；多道脉冲幅度分析；g c o s - i i t h ed e s i g no fc o a lq u a l i t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t s y s t e m d i s c i p l i n e ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 一切k j 洳乞乏纵。 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，a st h em a j o re n e r g y , t h ec o a lc o n s u m p t i o ni n c r e a s e ，s o s a v et h ec o a la n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ec o a lb e c o m e sa l lu r g e n tt a s k i no r d e r t oa c h i e v et h eg o a lo fe n e r g y - s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o ni nc o a le n t e r p r i s e sb yf a s ta n d a c c u r a t ed e t e c t i o no fc o a la s h , t h u si m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no fc o a l ，t h ec o a lq u a l i t y m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mi sp r o p o s e d t h i ss y s t e mm o n i t o rc o a lq u a l i t yi nr e a l t i m e a g a i n s td e c e p t i v e ，a n du s ei tc o m m a n dm i x e dc o a la n dg u i d et h eb o i l e rc o m b u s t i o n ，r e p o r t v a r i o u sf u n c t i o n a ld e p a r t m e n t sh a v ec o a ls i t u a t i o n , a n dc o n n e c tf u r n a c eb e l t w e i g h e ro r s u b m e t e r i n gs y s t e m s ，a n da c h i e v es u b - s t a n d a r dc o a lc o n s u m p t i o nc a l c u l a t i o no ff u m a c ea n di t s w e i g h t e d t h r o u g hac o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n ta n dc o n t r o lo ft h ec o a lq u a l i t y , e f f e c t i v e l y s o l v et h ep r o b l e m st h a tc a n tb e s o l v e dm a n yy e a r sb yu s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d s t h e m o n i t o r i n gs y s t e m 埘t i lr e a l - t i m e ，r a p i d ，a c c u r a t e ，a n da n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , l o wp o w e r c o n s u m p t i o n , g o o ds t a b i l i t ya n dg r e a t l yi m p r o v et h em o n i t o r i n ge f f i c i e n c y , a n dt h u si m p r o v e t h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ne x p l a i n st h eo v e r a l lt e c h n i c a lp r o p o s a la n dt e c h n i c a ls u p e r i o r i t yo f t h es y s t e m ，a n di n t r o d u c e sh a r d w a r es t r u c t u r e so ft h es y s t e m ，a n dt h ed e s i g no fp a r t so fc i r c u i t s c h e m a t i c si nd e t a i l t h ew h o l es y s t e mi n c l u d e sr a yd e t e c t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，i n p u ta n d o u t p u tc o n t r o l ，h i g h - v o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o la n du s e ri n t e r f a c e i ne v e r ym o d u l eo ft h es y s t e m ， l p c 2 1 3 8i su s e da st h ec p u ，w h i c hi sa3 2 - b i te m b e d d e dp r o c e s s o rb yn x p , t oa c h i e v et h e g o a l so fm e a s u r e m e n to fc o a lq u a l i t yw i t hv a r i e t yo fe x t e r n a ld e v i c e s a m o n gt h e m ，t h es i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l ei st h ec o r eo ft h es y s t e mc o n t r o l ，w h i c hp u tt h et w op u l s e st os e p a r a t ef r o m t h et w o7 - r a y sg e n e r a t e d ，a n dp u tt h ec o a la s hm e a s u r e m e n ti n t ow o r ks i t e i om o d u l ed e s i g n u s e sam i c r o p r o c e s s o r - d r i v e nr e l a y sf o rc o n t r o ld i g i t a ls i g n a li n p u ta n do u t p u t ，a n di tr e s p o n d s t h ed i g i t a ls i n g l e so ft h eb u t t o n st oo p e r a t et h ee q u i p m e n to rt h eo p e r a t i o no ft h em e c h a n i c a l p a r t so fe q u i p m e n tl o c a t i o n t h eh i g h - v o l t a g ec o n t r o lm o d u l ei m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h e p h o t o m u l t i p l i e rt or u nb yu s e df e e d b a c ks i g n a lt oc o n t r o lh i g h - v o l t a g e t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l m o d u l ep r o v i d e sac o n s t a n tw o r k i n ge n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ef o rt h er a yd e t e c t i o nm o d u l eb y u s eo fe f f e c t i v ew a y s t h eu s e ri n t e r f a c em o d u l ea c h i e v e st h eg o a lo fe q u i p m e n tm a i n t e n a n c e a n dc o n t r o lb yd i s p l a yo fl a r g es i z et f t - l c d t h ed e s i g no fc o n t r o ls o f t w a r eo ft h es y s t e mi sb a s e do ne m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e mp c o s - i i f i r s t l y , t h et r a n s p l a n t i n go fr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s i ii s a c c o m p l i s h e di n t ol p c 2 13 8 s e c o n d l y ，d e v i c ed r i v e ra n ds o f t w a r es e r v i c ep r o c e d u r e sa r e d e s i g n e d ；i n c l u d i n gb a s e l i n em e a s u r e m e n t ，m u l t i c h a n n e la n a l y s i s ，v o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o l ， b u sc o m m u n i c a t i o n ；v t10 0t e r m i n a ls e r v i c ea n dg u ii n t e r f a c es e r v i c e b a s eo ni t ，t a s ko f e v e r ys y s t e ma n dp f i o f i t ya r ed i v i d e d f i n a l l y , f u n c t i o no fe v e r yt a s ki sa c h i e v e d f i n a l l y , w eh a v ec a r r i e do u tt h ed e b u g g i n go fs i m u l a t i n gs c e n eo ne n t i r es y s t e m t h e p r a c t i c es h o wt h es y s t e mw o r k sp r o p e r l y , a n da c h i e v eap r e c i s em e a s u r e m e n to fc o a la s h t h e s y s t e mp r o v i d e sas t r o n gt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n to fc o a l k e yw o r d s ：c o a lq u a l i t ym o n i t o r i n g ；a r m ；m u l t i - c h a n n e lp u l s eh e i g h ta n a l y s i s ；p c o s - i i 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 讽蝴l 矿旗旄 1 毛j b 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以注标和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或他 人已申请学位或其他用途使用过的成果。与本人一同工作的同志对研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：0 粕- 污j 指导教师签名： 钰学秘 日肌 即亏易 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景及研究目的 煤炭是我国的主要能源和重要化工原料，我国是世界上规模最大的煤炭生产国，据国 家统计局2 0 0 7 年底统计，我国煤炭生产已达到2 5 5 亿吨，到2 0 1 0 年煤炭生产能力将接 近3 0 亿吨。进入二十一世纪以后，随着我国经济的高速增长，能源消耗及环境污染问题 越来越严重。从世界平均水平来看，我国能源使用效率总体水平偏低，单位g d p 能耗比 世界平均水平高出许多。快速增长的能源供给赶不上更快增长的能源消耗，供求矛盾的压 力很大。根据科学发展观要求，各级政府把节能减排作为我国当前经济工作的一项紧迫任 务。显然，提高煤炭的利用效率对用煤企业实现节能减排目标，以及对我国国民经济的持 续健康的发展有重大意义。 因此，降低燃煤成本、提高经济效益、减少污染排放已成为人们日益关注的问题。但 由于落后的管理模式和人为因素的影响，煤炭在运输和使用过程中存在着惊人的浪费现 象。煤种质量严重偏离锅炉的设计煤种，会引发锅炉及辅助设备故障的显著增加，造成锅 炉燃烧运行困难，锅炉出口温度不能达标，导致能源浪费，甚至出现锅炉的大面积结焦， 造成巨大经济损失。高灰分煤燃烧后不仅影响了除尘器的除尘效果，而且增加了除灰、排 灰系统的运行负荷，对工作环境和生态环境都造成了不良影响。 燃煤品质监测管理系统就是在这种背景下提出的。因该方案具有连续实时的特点，故 采用该方案可解决以下问题：实时监测燃煤品质，防止以次充好；指导输煤车间配煤以及 指导锅炉燃烧：各职能部门及时掌握煤质情况；可扩展连接皮带秤或分炉计量系统，实现 分炉标准煤耗计算及加权计算。 通过对入厂煤和入炉煤的综合管理与控制，有效的解决了用煤企业多年来用传统方法 无法解决的难题，实现了用煤企业节能降耗的需求，为企业带来巨大的经济效益。 1 2 国内外的发展现状 随着计算机技术的快速发展，国内外很多用煤企业采用了信息化管理。在西方发达国 家以及一些东欧国家，用煤企业将煤种采样、传送、预处理、煤质分析全过程的全自动煤 质在线分析进行了有机集成。企业信息化技术水平的快速提升，有力促进了煤炭利用率的 提高和燃煤污染排放的减少，并将最终改变传统用煤的形象。 1 2 1 国内的主要产品介绍 煤灰分是煤炭在一定温度下充分、完全灼烧后，氧化物残渣所占的质量分数瞳1 。煤灰 分与煤的发热量密切相关，为提高煤的利用效率，必须严格控制煤产品的灰分。 在煤的灰分监测仪中，国内外普遍采用了核技术。应用核技术检测煤中灰分的方法归 西安丁业大学硕士学位论文 纳起来有下列几种：射线反散射法、1 ，低能射线反散射法、高能丫射线湮没辐射法、天然y 放射线散射测量法、电子对法和中子活化分析法、双能y 射线穿透法。应用较多的是双能1 ， 射线穿透法和中子活化分析法阻1 。采用双能y 射线透射法的在线测灰仪主要有：德国b e r t h o d 公司的l b 4 2 0 、澳大利亚c o a l s c a n 公司的2 5 0 0 与3 5 0 0 型、波兰的g a m m a2 2 e 型、清华大 学的z z 8 9 a 8 9 b 型、西安2 6 2 厂的f j 2 8 2 1 和x h 5 2 2 0 型快速煤质灰分监测仪；而中子活化 分析法的原理是利用热中子激发被测煤样中各元素的原子核，测定这些激发态的原子核跃 迁时发出的y 射线能谱，即可得到各元素的含量。南京大陆中电科技股份有限公司“中子活 化分析煤质成分检测技术研究与应用”项目于2 0 0 7 年9 月正式通过了国家科技部验收，相关 产品开始投放市场。南京大德科技有限公司生产的c e a 2 0 0 0 型煤质成分在线分析装置也 采用这种探测原理。但是采用中子活化分析法会使设备成本大幅增加，不利于推广。 在上世纪6 0 年代，美、德、英、俄、波兰、加拿大、澳大利亚等都致力于以核辐射 探测技术测量煤灰分的研究，对配煤理论及控制策略等开展研究并在实践中推广应用，为 合理利用煤炭资源，缓解燃煤造成的环境污染，国内从2 0 世纪7 0 年代末也对配煤理论进 行一系列研究心1 。由于配煤过程存在大惯性强滞后、高度非线性以及对象模型不确定等特 征，很难用精确的数学模型加以描述，常规控制策略不能适应配煤过程的控制要求。针对 上述特点，近年来，人们考虑利用人工操作经验的先进智能控制技术，如模糊控制、专家 系统、神经网络等来对物料配比的调整进行控制，显示出较好的效果。但总体上看，国内 配煤控制理论还不完善，配煤过程仍以人工操作为主，需要加强对配煤过程控制策略的研 究。目前国内外大型煤矿及选煤厂主要采用成本较高的中子活化分析测灰仪作为检测手段 来进行自动化配煤，主要产品有美国g a m m am e t r i c s 公司的m o d e l3 6 1 2 c 型测灰仪和澳大 利亚s c a n t e c h 公司的c o a l s c a n9 0 0 0 型测灰仪旧1 。利用这些监测仪器，相应的开发出专 家配煤系统。例如：东滩洗煤厂结合澳大利亚s c a n t e c h 公司的c o a l s c a n2 5 0 0 型测灰 仪编制专家配煤系统，建立了自动配煤装车工控系统和支持连接煤厂i n t r a n e t 的分布式网 络环境，配备以o r a c l e 为中心的c s 模式数据库支持环境h 1 。这样将配煤管理与选煤厂 p l c 集中控制系统形成一体化网络，实现了信息的集成与共享，有利地促进了煤炭利用 率的提高，创造了良好的经济效益和社会效益瞄1 。 1 2 2 嵌入式系统 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。简 单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式， 具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成， 它是可独立工作的“器件”。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、 移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、 家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工 业自动化仪表与医疗仪器等哺，。 2 1 绪论 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器厂傲处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图 形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存 储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件部 分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。应用程序控制着系统 的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 1 ) 市场前景 根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，2 1 世纪初的十年中，全球嵌入式系统市场 需求量具有比p c 市场大1 0 至1 0 0 倍的商机。1 9 9 8 年在芝加哥举办的嵌入式系统会议上， 专家一致认为，2 1 世纪嵌入式系统将无所不在，它将为人类生产带来革命性的发展，实 现“p c se v e r y w h e r e 的生活梦想。 2 ) 嵌入式系统的几个发展阶段 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史。近几年来，计算机、通信、消费电子 的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程， 大致经历四个阶段口1 。 第一阶段是以单片机为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设 备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作 系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统 结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入 式系统使用简单、价格合理，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是现在已经远不能适 应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点 是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性 和扩展性，但是应用软件较专业化，使得用户操作起来不够方便。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能 运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度 的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等 功能；具有大量的应用程序接口a p i ，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大 多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家 电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 结合将代表嵌入式系统的未来呻1 。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2 位微处理器在该系统中占主导地位，嵌入 式操作系统已经从简单走向成熟阳3 。它与网络、i n t e r n e t 结合日益密切，因而嵌入式系统 应用将日益广泛。 西安工业大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容及结构安排 1 3 1 主要研究内容 燃煤品质监测管理系统设计的主要任务是：设计一套中用于快速检测采样煤的煤质灰 分、热值及水分含量的设备系统。与目前同类产品相比，新设计的系统除具备煤矿生产所 要求的安全可靠性之外，功能更加多样、配置更加合理、使用更加方便、扩展更加容易、 性价比更高，提高了产品的市场竞争力。 燃煤品质监测管理系统工作流程图如图1 1 所示。 图1 1燃煤品质监测管理系统工作流程图 在煤质监测仪的设计中，需要重点设计与实现是以下几个模块： 1 ) 射线探测模块 利用闪烁体和光电倍增管，把入射光子能量转变为电信号，经过信号反向、放大、基 线恢复转到多道脉冲幅度分析器。这部分直接采用现成的探测器件，配合放大电路获取系 统检测煤质灰分所需要的脉冲信号。 2 ) 信号处理模块 这部分主要是采用嵌入式处理器、c p l d 以及计数比较器等，对射线探测模块输出的 信号进行实时多道脉冲分析，用于测量煤质灰分大小。这个模块的设计是燃煤品质监测的 核心部分。 3 ) i ，o 模块 这部分主要任务是设计电路完成煤质监测过程中数字量的输入输出控制，其中包括 对人员在现场操作台上按钮的操作和设备机械部分的运行位置等数字量信息做出反应，并 通过继电器的输出控制整个系统。 4 1 绪论 4 ) 高压控制模块 这部分的任务是如何利用嵌入式处理器中的a d 、d a ，根据需要为探测器中的光电 倍增管提供一个稳定的高压，并达到稳定两种不同的丫射线全能峰的目的。 5 ) 恒温控制模块 这部分的任务是设计出测量射线探测模块实时工作温度并加以监控，保证探测系统 处于一定的恒温工作状态。 6 ) 人机接口模块 在设备工作现场，通过g u l 人机接口实现对设备的调试与维护。 1 3 2 论文结构安排 第一章论述了研究课题的背景和意义，概述了现今国内外燃煤品质监测管理系统的主 要产品和技术，提出了课题的主要研究内容及结构安排。 第二章论述了基于嵌入式系统开发的燃煤品质监测管理系统的整体技术方案和技术 优势，同时对射线探测、信号处理、i o 控制、高压控制、恒温控制等各个系统模块的设 计理念和技术理论做了简要的阐述与分析。并且，对系统的软件设计和软件规划做了大概 的介绍。 第三章详细介绍了燃煤品质监测管理系统的硬件电路设计，主要包括信号处理模块、 i o 控制模块、高压控制模块、恒温控制模块、人机接口模块以及外部接口的设计。 第四章阐述了燃煤品质监测管理系统的软件设计，主要包括实时操作系统g c o s i i 在l p c 2 1 3 8 上的移植和硬件驱动，制定了系统的通信协议，在此基础上划分了系统任务 及优先级，实现了多任务化操作。 第五章对燃煤品质监测管理系统进行系统调试及测试，介绍了调试容易出现的问题及 解决方案。 第六章对本文的相关研究做了回顾总结，并对未来的进一步研究进行了展望。 西安工业大学硕士学位论文 2 系统的总体设计 本章简要介绍燃煤品质监测管理系统的设计需求及功能实现，并对该系统的功能划 分、总体结构和关键技术进行详细阐述。 2 1 系统设计的总体方案 2 1 1 系统设计基础理论 煤是由可燃烧的有机物质和不可燃烧的物质( 即灰分) 组成。有机物质主要是由c ( 碳) 、 h ( 氢) 、n ( 氮) 、0 ( 氧) 4 种元素组成。就相对质量分数而言，c 元素占这4 种元素的绝大部分， 故可近似地认为可燃物质的原子序数约为6 ；不可燃物质主要是由s i 、a l 、f e 、c a 、m g 等 元素形成的氧化物、硫化物、硅酸盐、碳酸盐、氯化物等共同组成，其原子序数可以认为 在1 2 以上。由此可见可燃物质与灰分之间平均原子序数相差大于6 左右，可以利用这个差 异值来检测灰分值含量及热值0 1 。 测煤质灰分，对2 4 1 a m 放射源发射的6 0 k e v ( 低能) y 射线，原子序数低的c 元素质量 衰减系数较小( 0 1 7 6 5 c m 2 g ) ，而对原子序数高的c a 、a l 、s i 元素就比较大( 0 3 2 6 c m 2 g ) 。 低能丫射线透射煤，其减弱情况与煤中高原子序数元素含量有关，所以可通过测量低能y 射线透射煤时的减弱吸收多少，来测定煤中高原子序数元素的质量比例，从而得到煤灰分。 对乃7 c s 放射源发射的6 6 2 k e v ( 中能) y 射线，几种元素衰减系数值非常接近，分别为 0 0 7 7 3 c m 2 g 、o 0 7 7 7 c m 2 g 、0 0 7 5 8 c m 2 g ，说明煤中灰分变化不会影响中能丫射线的减弱吸 收，它的减弱吸收只与被透射煤的质量厚度有关，因此可以用它来监测煤的质量厚度变化， 与低能丫射线结合起来，利用高低能量的射线建立数学模型测算出灰分值，从而实现煤灰 分的在线测量。如图2 1 所示，两种不同能量的丫射线能谱，左边低能量计数峰值为2 4 1 a m 的全能峰，右边高能量计数峰值为1 3 7 c s 的全能峰。在两种射线峰值两端，根据精度要求 设立关于两种射线的上下阈值v a r i l 、v c 。，c p u 对落入阈值范围内的信号脉冲进行计数， 从而分析出所测煤样的灰分大小。 ；= ，卜 1 i 1 2 12 4 1 a m 同1 3 7 c s 的1 ，混合能谱示意图 当两种丫射线以同一准直射束穿过煤样时，将按窄束丫射线透射物质时的指数规律进行 6 2 系统的总体设计 衰减，其中低能射线的衰减规律为： i = 厶p 一心 ( 2 1 ) 中能射线的衰减规律为： j = 厶p 一鳓( 2 2 ) 式中：l o ( 1 0 ) 和柳分别为无煤时和煤层吸收后探测器测试到的一定时间间隔内的低 ( 中) 能丫射线计数，与丫射线通量密度成正比；鲍为煤对低能丫射线的质量衰减系数，砌为 煤对1 3 7 c s 丫射线的质量衰减系数，单位为c m 2 g ；p d 为被透射煤的质量厚度，单位为 g c m 2 ，其中p 是煤的堆积密度，单位为g c m 3 ，娓煤的厚度，单位为c m 。 假设被测煤样的质量分数为1 ，灰分的质量分数为c z ，其质量衰减系数为彪，其可 燃物的质量分数为( 1 一c z ) ，其质量衰减系数为牌，则煤对低能丫射线的质量衰减系数可表 示为乜1 ： 纯= c z 鲍+ ( 1 一c z ) j u c = 段+ ( 彪一心) c z ( 2 3 ) 对( 2 1 ) 和( 2 2 ) 式两边分别取对数并作相除，再把( 2 3 ) 式代入并推导得出灰分值彳d ： a a - - 2 c z = 而2 1 t m 旦芸一赢2 9 c = l q r - i n j o l n j 蜀( 2 4 ) 弘z 一 一 p z 一雒c lk1 其中 k ：三址( 2 5 ) 汪z p c e ：址( 2 6 ) p z 一善l c 分别成为斜率系数和截距系数，对一定的煤它们是常数。灰分测量时需要测定的是： 尺：坐墨二坐! ( 2 7 ) l n ，o h l ， 同时根据经验，灰舶d 与热值q 具有负线性关系，可以得到 q = k 2 r + 岛 ( 2 8 ) 对于同一种熄k l 、b 1 、胞、晚为常数，可以由已知灰分值和热值的煤样标定求出。 所以，只要测出透过煤样的射线强度根口可测定出尺值，从而求出煤的灰分值和热值。 可以看出，灰分和热值都属于是线性关系，所以在本次设计的数值分析模块中，采用 的是一次线性拟合，用最小二乘法得到最佳拟合曲线，即测量值与实验值对比偏差最小。 这个数学公式只是假设皮带上的煤的含量与煤层厚度等在不变的情况下得出的，是一种理 想状态，在实际的测量中，测量值之间肯定不会有这么好的线性关系。为了使拟合曲线达 到更好的精度，在以后有必要做灰分、热量的二次曲线拟合，或者阶次更高的曲线拟合的 研究。 煤质监测系统是由探测前放模块、信号处理模块、v o 模块、高压控制模块、恒温控 制模块、人机接口模块等主要部分组成现场测试设备。整个燃煤品质管理系统整体框图如 图2 2 所示，把现场测试设备与上位机系统连接起来，直接接入用煤企业的管理信息网， 西安工业人学硕士学位论文 以便各职能部门能够及时了解煤质信息，以及通过打印机接口实现实时数据报表打印。 图2 2 系统整体框图 从图2 2 中可以看出，信号处理模块是整个系统的核心部分。首先，它与各个模块通 过系统总线相连，使得各个模块可以通过数据传输，把数据上报于上位机，根据逻辑条件， 实现系统的自动控制功能。其次，多个现场设备可以通过r s 4 8 5 与一个上位机连接通讯， 实现一拖多机的结构。而每个现场设备都有独立的人机接口模块，使得工程应用更加灵活。 2 1 2 系统设计技术指标 根据测量总体需求，作出如下技术指标： 1 ) 煤流厚度 设置在i 0 0 3 0 0 m m 范围内，并可设置厚度界限，摒弃煤流太薄带来的影响； 2 ) 煤样粒度 直径2 5 m m ； 3 ) 测量存储 每次测量均存储，存储记录仅受硬盘容量限制； 4 ) 测量模式 8 2 系统的总体设计 根据采样机信号进行单次测量模式或者连续测量模式； 5 ) 测量精度 对同一煤矿煤样，快速灰分仪测值与灼烧值对比偏差2 2 2 系统的主要组成部分 2 0 1 射线探澍模块 射线探测系统由探头和配套的电子仪器组成。探头一般包括n a l f f l ) 0 , i 烁体、光电倍 增管和前置放大器1 。闪烁体和光电倍增管的作用是把入射光子能量转变为电信号。具体 过程：入射光子与n a i ( t 1 ) 晶体作用，发生光电效应、康普顿效应，产生次级电子，这些 次级电子使得n a i ( t 1 ) 晶体的原子发出荧光，而后荧光被光电倍增管阴极收集并产生电子， 经过逐级倍增放大1 0 5 1 0 8 倍后，被阳极收集形成一个脉冲电信号。光子能量越大，产生 的电子脉冲幅度越大。经过信号反向、放大、基线恢复( 使得t 能谱不会随着计数率而偏 移) ，转到脉冲幅度分析器。 n a i ( t 1 ) 为透明单晶体，以t 1 ( 铊) 为激活剂。n a i ( t i ) 晶体的最大缺点是容易潮解， 它吸收空气中的水分会使晶体发黄变质而不能使用。因此必须封装在密封的外壳内。 光电倍增管的稳定性十分重要。由于光电倍增管的阳极电流随工作时间的变化表现为 两个过程：一类是快变化过程，从几十分钟到几小时阳极电流较快的下降；另一类是慢变 化过程，阳极电流在较长时间内平稳地略有下降“。所以在使用光电倍增管前，需要预热 一段时问，良好的光电倍增管预热几小时后即可稳定的工作。此外，光电倍增管的稳定性 还与入射光于的强度和环境温度有关。要想提高系统的测量精确度，必须采取专门的措施。 例如设计恒温控制模块，把探钡4 器胃于恒温装置之中”；设计高压控制模块，为光电倍增 管提供稳定的高压，并且能随着工作时间的延长和器件的老化，调整高压使得光电倍增管 的倍增系数的稳定不变。射线探测部分原理图如图2 3 所示。 图2 3 射线探测示意图 这部分的设计首先是要对光电倍增管信号采集进行预处理。因为在射线探测模块k 时 间连续工作过程中，探测系统的参数不可避免会有漂移变化3 。例如光电倍增管长时间工 两安工业大学硕士学位论文 作老化，它的倍增系数会随时间减小，将引起y 射线能谱的偏移。而另一方面，由于被测 煤流厚度变化不一，煤质灰分仪探测系统的计数率变化范围很大，从本底直到1 0 0 1 0 3 s 。 如果不采取基线恢复、温度控制、输出高压控制等措施控制射线能谱全能峰的飘移，相应 的放大电路输出的脉冲信号基线变化范围可达上百毫伏，与a m 射线的y 脉冲幅度达到同 一数量级。这样在不同计数率下，两种y 射线能谱会有不同的偏移使得两道计数不准确， 从而影响灰分仪的测量结果。 对射线探测模块采取工作环境温度自动控制以及高压调节等措施，提高了射线探测的 稳定性。射线探测模块把微弱的射线光子转变为电信号，经过放大输出幅度范围在o 3 v 左右的脉冲信号。 2 2 2 信号处理模块t n 3 0 0 1 的设计 这部分的功能主要是：对探头输出的信号进行调理，主要是实现对测量信号的基线 恢复；把两种1 ，射线产生的不同幅度的脉冲信号区分开来。利用嵌入式处理器，把煤狄 分测量部分集成到现场，而数据显示和管理部分的功能则由控制室中的主机完成。同时通 过外部通信，一台主机可以控制多台灰分仪。应用c p l d 实现系统功能电路的集成，包 括驱动控制、定时以及计数电路等，最终把多个功能模块的电路整合到一起。再由计算机 实现灰分计算、测量结果显示以及系统控制等功能。 信号处理模块是整个系统的核心部分，其具体分为多道分析和基线恢复两个部分。多 道分析部分根据双能y 射线在能谱上的不同峰值，经过脉冲计数分析获得在一定电压范围 内的两种y 计数，从而得知煤样的灰分值。基线恢复主要是通过a r m 自带的a d 、d a 功能，调节探测器输出信号的基线电压。 硬件框图如图2 4 所示。 基线恢复部分 ? 7 1 、 多道分析部分 图2 4 信号处理模块的硬件框图 1 0 2 系统的总体设计 2 2 3i o 控制模块t n 3 0 0 2 的设计 根据总体设计方案的需求以及设计内容，该模块主要完成煤质监测过程中数字量的输 入输出，对人员在现场操作台上按钮的操作、设备机械部分的运行位置等数字量信息做出 反应，并通过继电器的输出控制整个系统，并且可以采集现场的模拟量信息，比如水分信 息、温度信息等。i o 单元具有8 路输入输出端口，接收来自现场设备传来的状态信号， 因为现场存在较大干扰，若这些干扰随输入信号一起进入控制系统，会使控制的准确性降 低，产生误动作，因此输入通道采用了光电隔离，隔离芯片选用t i l 5 2 1 4 ，经过光电隔 离的信号送入c p u 进行处理，输出的控制信号经过光电隔离t l p l 2 7 ，并通过继电器触点 输出。该单元可以通过r s 4 8 5 接口与信号处理模块( d s p ) 进行通信，也可以通过r s 4 8 5 接口直接和上位机进行通信，实现远程监控。i o 控制模块设计总体框图如图2 5 所示。 图2 5i o 控制模块设计总体框图 2 2 4 高压控制模块t n 3 0 0 3 的设计 快速煤质监测仪的探测器内部有光电倍增管，需要几百伏左右的直流高压，电压的高 低直接影响能谱的峰值，电压的稳定性会影响整个系统的稳定性，因此高压稳峰单元对高 压模块输出的高压进行反馈控制，确保输出高压的稳定性，而且可以通过r s 4 8 5 接口手 动设置高压值。 高压控制模块为快速煤质监测仪探测器中的光电倍增管提供一个稳定的高压，电压范 围在4 0 0 1 0 0 0 v ，电压的高低直接影响能谱的峰值，所以可以通过对高压的调整实现稳 峰的功能。利用c p u 中的a d 对输出的高压进行监测，用c p u 中的d a 对高压输出进 行反馈控制，外围扩展r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口，接收上位机发出指令设定高压值，对高压 输出模块提供的高压进行反馈控制，确保输出高压的稳定性。 高压控制单元整体框图如图2 6 。 西安t 业大学硕士学位论文 图2 6 高压模块的硬件框图 2 2 5 恒温控制模块t n 3 0 0 4 的设计 温度是一切过程和现象的重要参数，尤其是在科学研究中，准确测量对象的温度是控 制系统对象的某些参数进行控制的前提，是能否达到理想的控温精度的关键。 探测器恒温模块的设计，属于快速煤质监测仪的前端处理单元。由于n a i 晶体闪烁探 测器受温度影响较大，现场温度环境变化会使探测系统的参数不可避免的发生漂移变化， 将引起y 能谱的偏移，给现场测量带来不可容忍的误差。在此次设计中环境工作温度控制 在2 0 0 c 一3 0 0 c 左右。其系统框图如图2 7 所示。 图2 7 系统框图 2 2 6 人机接口模块t n 3 0 0 6 的设计 人机接口模块主要实现通过键盘操纵来控制l c d 屏幕上的数据信息，包括图形及表 格数据等，从而将煤质监测仪所测得结果在现场显示出来。 人机接口模块的上部分是一个彩色液晶显示屏幕，下面有一个小键盘