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硕士论文 一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 摘要 fiywlll2rrilliiorrlll6llilioillll6ljlilll9illll罂 我国是一个以煤电为主要电力来源的国家，提高煤电机组的效率有着重要的意义。 对于电厂，煤电锅炉一次风煤粉浓度的准确及时的测量有着重要的作用，然而对于一次 风煤粉浓度的测量，由于其为气固两相流，具有相当的难度。本文在国内外的测量方法 的基础上提出了一种测量煤粉浓度的解决方案：基于数字相关法的超声波煤粉浓度测 量，论文基于这一原理开发了煤粉浓度在线测量仪。 论文对基于数字相关法超声波煤粉浓度测量的基本原理进行了阐述，研究了数字相 关法的实现方法，并根据原理对在线测量仪进行了总体设计。论文针对测量仪同步数据 采集的问题，设计了基于f p g a 两路数据的同步采集实现方案；针对测量仪的数据传输 瓶颈问题，提出了基于f p g a 和a r m 结合d m a 的数据传输实现方案。论文开发的在 线煤粉浓度测量仪能够实时的将数据传输到中央控制室，因此在线测量仪具有联网的功 能。论文还设计开发了超声波发射模块电路、数据采集模块电路等，并在此基础上开发 了基于l i n u x 操作系统测量仪的相关软件。 论文最后提出了在线测试仪软硬件调试的方法，并利用搭建的实验风道，采集了数 据，对实验数据进行了分析。 关键词：煤粉浓度，数字相关法，同步数据采集、高速数据传输 硕士论文 竺型一 a b s t r a c t c o a le l e c t r i cp o w c ri st h ec h i e fe l e c t r i cp o w e ri no u rc o u n t r y , s o i t1 sl m p o r t a n tt 0 a d v 趾c ee f f i c i e n c yo fe l e c t r i c a lm a c h i n eu s e dc o a la n dm a k e s u r et h e m 舢：1 1 n gs a f e l y l o m e a s u r em ec o a lc o n c e n t r a t i o ni n # m a r y a i rp i p eo fb o i l e ra c c u r a t e l ya i l db e t i m e sp l a y s 锄 脚o r t a n tr o l ei i lc o a lp o w e rp l a n t s ，b u tb e c a u s e t h i sf l u i di np r i m a r ya i rp i p e 研。b o n e r1 sv e ? c o m p l e xg a s s o l i dt w o - p h a s ef l u i d ，m e a s u r i n gt h e c o a lc o n c e n t r a t i o ni np n m 乏町a l rp l p eo t b o i l e ra c c u r a t e l ya n db e t i m e sh a sb e e nb e i n ga t r o u b l e t h i sa r t i c l ea d v a n c e san e wm e t h o d u l t r a s o n i cd i g i t a lc r o s s c o r r e l a t i o na c c o r d i n g t or e a d i n gm a n yr a d i c a l sa n dd e v e l o p l n gm a i 】【y m e t h o d sw h i c hm e a s u r et h ec o a lc o n c e n t r a t i o n t h i st h e s i sd e v e l o p s a ni n 舳e n tb a s e do n i nm i st h e s i s ，im o d u c et h e b a s et h e o r ya b o u tt h em e t h o do fu l 吣0 m cd l g n a j c r o s s c o r r e l a t i o nm e a s u r i n gc o a lc o n c e n t r a t i o n ；d e v e l o p t h ea c h i e v e m e n th l e m o do td l g 删 c r o s sc o 仃e l a t i o n ，a n dd e s i 驴t h es t r u c t u r eo f t h eo nl i n ec o a lc o n c e n t r a t i o ni n 蝴e n t m t h l s t h e s i sid e v e l o pt h r e em e t h o d sa b o u td a t ac o l l e c t i o no f m u l t i c e n t e ra n ds y n c h r o m z a t i o n ，a n d 心鲫at 、i c e c e n t e rd a t ac o l l e c t i n gu s i n gf p g a i n t h i st h e s i s ，ia l s od e v e l o p 啪m e m o d s a b o u td a t at r a n s l a t i o na i m i n ga tt h eb o t t l e n e c ko fd a t at r a n s l a t i o n ，a n d a d v 鼬c eam e t h o d u s i n g 删a n df p g a t ot r a n s l a t ed a t ab a s e do nt h e s em e t h o d s t h ei n s t r u m e n t l nt h i st h e s l s d e v e l o p i n gc a n 慨s l a t e d a t at oc o n t r o l l i n gc e n t e rp cb ye t h e m e tn e t w o r k ，s o ia d v a n c ean e t t o pt oc o m e c tt h ei n s t r u m e n t s i nt h i s t h e s i s ，id e v e l o ps e n d i n gu l t r a s o n i cc i r c u l ta 1 1 dd 砌 c o l l e c t i o nc i r c u i t ，a n da c c o r d i n g t ot h e mid e v e l o ps o f t w a r eb a s e do nl i i 嗽 f i n a l l y ，id e b u gt h ei n s t r u m e n ta n d e s t a b l i s ht h et e s t - b e dt ot e s tt h ed e s i g n e dt i l e o r y k e y w 。r d s ：c o a l c 。n c e n t r a t i 。n ，d i g i t a lc r o s s - c o r r e l a t i 。n ，s y n c h r o n i 刎i 。n d a t ac 。l l e c t i 。n ， h i g hs p e e dd a t at r a n s l a t i o n u 硕士论文 一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 1 绪论 1 1 课题研究的意义 能源是一国发展的动力，是人类赖以生存的基础。我国是个多煤缺油的国家，我 国的初级能源供应以煤为主。电力是当今社会使用最为广泛的二次能源，而我国的电力 生产仍然以煤炭为主，据西门子称，2 0 0 9 年，中国发电需求的6 8 以上用煤炭来满足， 尽管替代性能源产能正在被大规模部署，但这一比例难以在未来几年降到6 0 以下。由 此可见以煤炭作为主要能源，在我国能源结构中的地位将不会在短期内发生改变。但是 目前燃煤电厂燃煤的利用率并不高，在中国，火电厂的平均能效为3 6 ，最高的如上海 外高桥第三发电厂能达到大概4 6 的供电净效率。燃煤电厂在生产过程会产生多种污染 物，在节能减排的要求下，对电厂运行的自动化水平以及运行中的安全性和经济性提出 了更高的要求。要满足这些要求就需要对电厂生产过程中的各种数据在量上有个把握， 对于锅炉中燃烧的煤粉浓度也需要进行量化。 我国的电厂锅炉绝大多数是采用煤粉燃烧的方式，其中占绝大多数的是中间仓储 式、热风送粉、四角布置直流燃烧器的燃煤锅炉。对于燃煤锅炉，要使锅炉的经济性 和安全性得到保障，在锅炉同一层的燃烧器中燃烧的煤粉必须具有相同的煤粉浓度，煤 粉流速以及煤粉细度等口1 。其中的煤粉浓度是一个重要的技术参数，燃烧器中煤粉的浓 度会直接影响到锅炉的燃烧状态。在多层四角大型燃煤锅炉工作工程中，若各层、各角 的煤粉浓度差异比较大，分布不均匀，则会导致四角切圆燃烧锅炉炉膛火焰中心偏斜； 燃烧区水冷壁金属磨损腐蚀；煤粉推迟着火及燃烧不均匀；飞灰含碳量增加；机械未完 全燃烧热量损失增加，效率下降，安全性降低等协1 。因此需要对燃煤锅炉各送粉管的煤 粉浓度进行控制，要控制送粉管中的煤粉浓度，需要多送粉管中的煤粉浓度进行实时定 量的测量。但是，送粉管中的煤粉属于气一固两相流，对其测量在理论上和工程上都具 有相当的难度。 目前存在着一种通过测量煤粉及风粉混合物温度计算没分浓度的方法，但是此种方 法只适用于中间仓储式制粉系统，而对于目前火力发电厂采用较多的直吹式制粉系统， 其实不适用的，因此需要找到一种能准确可靠地在线测量没分浓度的方法显得特别重要 h 。，但是目前大部分的测试都是单点的测试，而对于多层四角直流喷射切圆燃烧技术的 大型燃煤锅炉单点测试并不能满足对锅炉燃烧状态的检测，并且控制不方便，因此研究 一种能够实时在线多点监控的煤粉浓度监控系统，对锅炉的安全、经济运行具有重要的 意义，尤其是在在提倡低碳经济、绿色经济的坏境下，更具有重要的经济、社会价值和 l 绪论 硕士论文 应用前景。 1 2 国内外研究现状 一次风风管的煤粉浓度的测量一直是工程上的前沿问题之一，其主要是由于在风管 中输送的煤粉属于气固两相流。对气固两相流的测量不仅在理论上是个难题，在工程实 践上亦是一个难题。国内国外对此问题已有一定的研究，对于应用信息技术来测量煤粉 浓度亦有一定的研究。目前使用信息技术对煤粉仪进行在线监测已经比较普遍，这些系 统在监测对象和流量测量方式上各具千秋，但是主要是集中在风量的测量和检测仪的数 字化，对锅炉风粉中煤粉浓度的测量尤其煤粉浓度在线监测仪研究的比较少。 目前，经过国内外专家学者的研究，一次风煤粉浓度的测量方法已经有很多种，这 些方法在大类上大致可以分为两种，间接法和直接法。间接法是基于能量守恒定律的基 本原理，通过一定的假设，建立相应的数学模型l l ，从而间接的计算出煤粉浓度。在实 际的工程应用中，通常以混合物中煤粉的质量分数来反映风粉中煤粉的浓度，基于此种 原理的主要方法有：传热法、热平衡法、能量法和温度法等。直接法顾名思义，就是直 接测量风粉中煤粉的浓度，其主要方法有：微波法、超声波法、激光法、电容法等。间 接法测量由于有中间环节，其测量的准确度及实时方面欠差；而直接法测量具有使用方 便、实时性好，但是直接法具有探头易污染、磨损、堵塞等缺点。 简单介绍几种国内外使用的一些测量方法： 1 2 1 热平衡法 热平衡法是一种基于能量守恒定律的间接测量方法，此方法在测量原理上比较成熟，其 测量的原理图如图1 1 所示。此种方法需要测量的参数有一次风管上的热风温度t 1 ，煤 粉仓温度t 2 ，风粉两相流的温度t 3 。理论上讲，送入一次风风粉混合器热风气流的热量 与煤粉颗粒的热量之和等于混合后一次风煤粉的总热量。如要使用该方法，则需要假设 混合后煤粉颗粒及热风气流温度相同，忽略煤粉的比热受成分的影响，忽略整个系统散 热的影响。然而在实际使用过成中，煤粉颗粒和热风气流的温度混合时需要一定的热交 换时间，煤粉的混合分布不均，煤粉的比热容受煤质的影响比较大，而且其使用面比较 窄，只适用于中间仓储式热风送粉锅炉，不大适用于直吹式制粉系统，而目前使用较多 的是直吹式制粉系统1 6 】【1 2 l 。 2 硕士论文一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 1 2 2 电容法 图1 1 热平衡法测量原理 电容器的容值受极板相对面积、介质常数、极间距离影响，电容传感器就是利用改 变其中的参数制成。利用电容法测量煤粉浓度的原理是：将一组电容极板从流动管道的 外部环绕被测区域，一次风煤粉浓度的变化会导致被测区域内电容的介电常数发生改 变，从而导致测得的电容发生改变，根据测得的电容容值就可以反推出被测区域内煤粉 的浓度。 电容法测量煤粉浓度有如下优点：测量范围比较大，其相对的变化范围可超过 1 0 0 ；灵敏度高；动态响应快，高频特性既适合动态测量也适合静态测量。但是在实 际使用的过程当中，电容传感器有检测场灵敏度分御不均的问题，使得测量的结果不仅 与煤粉浓度有关，而且还与煤粉颗粒的分布及流场的变化有关，测量误差比较大，测量 的结果难以满足需要【1 3 l i l 4 j 。 1 2 3 压差法 压差法的测量原理是：煤粉从给粉机落入一次风管后，在一次风速的作用下逐渐被 加速，理论上说，煤粉的水平速度最终将与一次风速相同，亦即风粉之间水平方向不再 有相对速度，且煤粉与一一次风之间的热交换已经完成，风粉进入相对稳定的流动状态n 1 。 根据上述理论，测量的理论依据足：假设一次风煤粉的压降p t 由纯空气流动阻力 e 与输送煤粉颗粒的附加阻力p p 组成，即： l 绪论 硕士论文 婢= 叱+ 叱 ( 1 - 3 ) 式( 1 3 ) 中， p a 一纯空气流动阻力，由空气加速损失气、沿程阻力损失民、垂直管中空气 重量引起的压力损失气和空气局部阻力损失p i 。组成； p p 一输送煤粉颗粒的附加阻力，由纯空气流动阻力p a 和煤粉颗粒在空气中的悬 浮压头损失p 品。 对成熟的稳定流，通常可以不考虑空气加速损失p 龆。对于水平管，p h 可忽略， 同时忽略p g p ，有： 衅= 孝i b o a 队_ 2 1 1 - + 脚) ( 1 呦 式( 1 4 ) 中： 孝一纯空气坏境下的总阻力系数； 见，u 。一空气密度和平均流速； k 一系数； 一固相浓度； 由式( 1 4 ) 计算得： ( 尝与一1 ) ：至咎( 1 - 5 ) 。 k 利用式( 1 5 ) 就可以得出固相浓度，即可以测量出一次风煤粉浓度【1 4 1 。 该方法为非接触式测量，简单方便易行，并且不会原有管道的阻力特性，但是已有 的研究表明，管道内的煤粉在轴向上有明显的加速度，会影响测量的精度，不能适用于 流体有加速度的情况。 1 2 4 超声波声速法 超声波为机械波，其传播速度受介质的影响比较大，一次风煤粉浓度属于典型的气 固两相流，超声波在气固两相流中传播的速度与混合物中固相浓度之间存在着单调的变 化关系。超声波声速法就是利用超声波传播速度在不同固相浓度下不同来完成煤粉浓度 的测量。超声波声速法最重要的就是测量超声波在煤粉中的传播延时，这种延时目前采 用最多的是阈值法。所谓阈值法就是在发送端发送一特征信号，并记录下发送的时刻； 在接收端对接收信号设置一阈值，当接收信号达到阈值的量，则记录下接受时刻；这两 个时刻相减则可以计算出超声波的传输延时。此种方法方便简单，超声波传感器价格也 比较低廉，但是由于煤粉在送风管中流动比较复杂，接收到的信号比较混乱，再加上器 4 硕士论文一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 件的延时，比较难以确定阈值，其测量的准确性也不高，抗干扰性比较差，尤其是在电 厂复杂的电磁环境下其可靠性更差，需要改进计算超声波延时的方法，提高抗干扰性【1 5 1 。 综上几种方法的阐述，可以看出各种方法在测量原理、实用性和可靠性方面各有千 秋，然而要实现对煤粉浓度的准确测量仍然是一个比较大的难题。尤其是目前的研究大 多是针对某一个风道的煤粉浓度测量，而火力发电厂的锅炉有几路送风管，要监测锅炉 的燃烧情况，就必须同时在线测量各个送粉管的煤粉浓度，这就需要研究测量仪网络化 的方法。这也是煤粉浓度在线监检测系统研究重要方向之一。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于南京理工大学能源与动力工程学院、机械工程学院和南京瓦特科技有 限公司的合作项目，项目的主要研究内容为燃煤电厂锅炉的煤粉燃烧情况的监控。 本课题为此项目的一个子项目，主要对燃煤电厂一次风送粉管中煤粉浓度的在线测 量进行研究。课题针对当前国内外对一次风煤粉浓度测量的研究情况，提出了一种测量 煤粉浓度的新方案一基于超声波数字相关法的煤粉浓度测量，并提出了基于以太网的在 线测量仪，便于煤粉浓度测量仪的组网，从而实现真正的在线监控系统，以便与电厂的 d c s 系统融合。基于超声波数字相关法的煤粉浓度测量是一种对超声波声速法的改进， 其改进的地方是超声波在煤粉中传播延时的测量。在此方法中，将采用数字相关法来计 算延时。相关法具有较好的抗干扰性，数字化有利于利用计算机系统处理数据，数字量 也能减少误差。 本课题在阐述超声波数字相关法在煤粉浓度测试中应用的基本原理的基础上，对整 个的在线测量仪进行了总体上的设计，对测量所用到的关键技术进行了深入的研究，设 计和改进了测量煤粉浓度需要的软硬件，硬件主要包括超声波的发射和接收电路板、主 机板，软件主要是l i n u x 操作系统的裁剪和移植，l i n u x 系统相关驱动的编写及应用软 件的编写。除此之外，还搭建实验平台进行试验。 本论文主要进行下面的几项工作： 1 ) 对数字相关法测量煤粉浓度的测量原理进行分析； 2 ) 根据原理及功能要求，研究在线测量仪的结构，并设计了在线测量仪所需 要的硬件； 3 ) 根据在线测量仪的要求，编写相应的程序； 4 ) 搭建实验平台，对在线测量进行调试和测试； 5 ) 处理和分析实验数据。 l 绪论 硕士论文 1 4 本章小结 本章主要对论文的研究背景、国内外研究现状及研究的意义进行了简单的介绍，并 在此基础上提出本文的研究内容。 6 硕士论文 一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 2 在线测量仪的基本原理及总体设计 2 1 在线测量的基本原理 一次风煤粉浓度属于气固两相流，在第一章已经介绍了几种相关的测量方法及其优 缺点，本文采用的方法是在超声波声速法的基础上进行改进的，本文将采用数字相关法 计算超声波在煤粉中的传播时差。超声波是一种在弹性介质中传播的机械波，其传播的 速度受介质的影响比较大。据文献【1 5 】的研究，超声波在煤粉中的传播速度与煤粉的浓 度有特定的关系，因此，我们根据此理论测量煤粉的浓度。超声波在煤粉中的传播其幅 度变化比较杂乱，其传播的机理也比较复杂，因此在计算超声波在煤粉中的传播速度时， 其计算方法必须具有较好的抗干扰性，阈值法显然抗干扰性比较差，本文将采用数字相 关法进行计算。燃煤电厂的送粉管一般不只一路，本文将在单点测试的基础上探讨一种 测量仪组网的方法。 2 1 1 声速与煤粉浓度的关系 超声波在煤粉中传播速度与煤粉浓度具有一定的关系，根据超声波的延时测量煤粉 浓度的理论已有研究，根据文献【1 5 】，可知 f = 丢= 詈= 南 掣 1 2 陋。， 式( 2 1 ) 中：f = 么，为无量纲参数；r o 为纯气相中超声波从发射端传播到接 收端所需时间；f 为气粉混合物中超声波从发射端传播到接收端所需时间；a 。为气相中 的声速；口为气粉混合物的声速；为粉气质量比，管内颗粒质量与气体流质量的比值， 无量纲；石为气粉密度比；万为粉气比热比：气体的绝热指数：y = c 昭c 曙。式( 2 1 ) 是一个无量纲关系式。只要符合均相模型的假定，利用该方程就可以通过测量f 来求取 粉气比。将煤粉一空气混合物的典型值y = 1 4 、艿= 1 7 0 6 、x = o 0 0 1 代入式( 2 一1 ) ， 获得p 与t 木之间的函数关系如图2 1 所示( 计算时b 的取值范围为0 1 4 ，包含了煤粉 锅炉一次风道中所有可能的工况) ，对计算结果进行二项式拟合为： 7 2 在线测量仪的基本原理及总体设计硕士论文 = 0 7 6 5 8 9 r 2 - 0 1 7 5 3 6 r - 0 5 9 1 0 8 ( 2 - 2 ) 拟合误差为1 6 4 4 8 1 0 4 。 由式( 2 - 2 ) 可知，计算的值，需要知道f 的值，由f 。2 ，f 由相关法计算 出，为纯气相中超声波从发射端传播到接收端所需时间，由于气相的声速为： 血1 4 1 2 1 o o 8 o 6 0 4 0 2 0 0 - 0 2 t = t t 图2 - 11 3 与p 函数关系 2 陋丁】啦( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 0 0 ：t ( k ) 为混合物温度 那么纯气相中延时： f = d ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中：d 为煤粉管道直径。 由煤粉浓度与的关系： 驴南 5 ， 即可计算出煤粉浓度。 依据上述的理论依据，在测量煤粉浓度时，除了需要测量超声波的延时，还需要测 量煤粉混合物的温度。 硕士论文一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 2 1 2 数字相关法测量时延 从上述分析中可以看出，测量煤粉的关键参数之一就是超声波在一次风管道中的传 播延时，精确的测量传播延时是煤粉浓度的测量关键。经过长时间的发展，电子信息技 术的运用，声学测量有了较大的发展。目前，对超声波时延的测量方法大概可以分为模 拟法和数字法。模拟法即阈值法，就是利用接收信号达到一定的值( 阈值) 后计算时延， 此种方法如前所述，其抗干扰性比较差，测量精度也受到一定的影响：数字相关法就是 将模拟信号数字化后，利用当代的计算机技术，计算两个信号的互相关函数，在互相关 函数值最大的点经过换算后即可计算出超声波的时延，此种方法包含了信号的上升沿和 下降沿，信息量大，抗干扰强。 相关分析是利用统计概率的方法来确定两个信号的相关关系，信号为确定性信号， 一般有自相关函数和互相关函数等。在信号处理中，经常要研究两个信号的相似性，或 一个信号经过一段延后与自身的相似性，以实现信号的检测、识别和提取等【”1 。 对于两个连续的实能量信号x ( f ) 和j ，( f ) ，互相关函数为式( 2 - 5 ) ： ： = i x ( t ) y ( t r ) a t ( 2 - 6 ) 式中：氏为互相关函数，f 为信号少( ，) 相对于信号x ( t ) 的时延。 由式( 2 6 ) 知，互相关函数能够反映出两个时间存在时延信号的相似程度，其中包含 有信号之间的时间间隔信息，不仅可用于判断信号是否存在，还可以用于计算信号传输 的时间和距离【1 6 1 。据此原理可以利用互相关函数来测量超声波在一次风风管中煤粉传播 的时延，从而测出煤粉浓度。 本文前述将采用数字相关法来计算延时，因此需要将超声波的发送信号和接收信号 进行离散化，信号离散化后量信号的互相关函数为式( 2 6 ) ： k = n r ( 刀) = z + ( 七) y ( 七+ 刀) 压 ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中：r ( 打) 为两路信号的互相关函数；x ( 七) 为发射信号的共轭；y ( k + n ) 为接 收信号；n 为延迟的点数。 两路信号经过式( 2 。7 ) 计算，r ( n ) 最大值所对应的采样点数，z 即为延迟的采样点数， 根据忍即可算出超声波传播时间延迟，计算方法如下： n ： z ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中：n 为超声波每个波形的采样点数；z 为采样频率( h z ) ；z 为超声波 频率( h - z ) 。 9 2 在线测量仪的基本原理及总体设计硕士论文 刀 f = 一 n f , 由式( 2 8 ) 、式( 2 - 9 ) 得： 刀 f = 一 c 式( 2 1 0 ) 中：f 为超声波传播延时( s ) 。 根据式( 2 1 0 ) 即可计算出超声波的延时。 2 1 3 测量仪的组网 燃煤电厂的四角切圆锅炉四角的一次风布局示意图如图2 2 所示，含有煤 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 图2 - 2 锅炉一次风布局示意图 粉的一次风分四路送到锅炉炉膛中进行燃烧，因此要控制炉膛内火焰的燃烧需要控制四 路一次风的煤粉浓度。单点的测量并不能很好的了解锅炉的燃烧状况，因此需要对多点 进行同时检测，并且能集中数据，这就要求测试仪要具有组网的功能。 随着电子技术和通讯技术的不断发展，仪器仪表的互联技术也有了很大的发展，目 前主要有现场总线技术、无线技术、以太网技术等。现场总线是连接智能现场设备和 自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化系统 器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高 级控制系统之间的信息传递问题，目前现场总线主要有c a n 总线、p r o f i b u s 总线 等。在煤粉浓度在线测量仪中，煤粉浓度采集这一段并没有控制的要求，也没有 较高的实时性要求，只是将采集到的煤粉浓度上传到控制室，为降低开发难度、 节省成本、提高系统通用性，本文将采用以太网连接煤粉浓度测试仪。而鉴于电 厂复杂的电磁环境，舍去无线技术。 l o 硕士论文一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 将多点测试的数据上传到控制室进行综合处理，是本测量仪组网的目的。现场仪器 将数据采集计算后将会得到一个数据，即是煤粉浓度，计算出此数据后将其经过以太网 上传到控制室，由于数据量少并且以太网的速度较快，因此并不会延时太长。由于连接 的测量仪比较多，因此需要有交换机，其网络拓扑结构如图2 3 所示。 煤粉浓度 测量仪 煤粉浓度 测堵仪 2 2 在线测量仪功能及要求 煤粉浓度 测域仪 煤粉浓度 测量仪 图2 3 系统网络拓扑结构 煤粉浓度 测量仪 根据上述基本原理的介绍以及项目的总体技术要求，本测量仪主要功能包括如下部 分：超声波信号的产生和发射、超声波信号的接收、超声波两路信号的采集、温度采集、 数据处理、仪器通讯、人机交互。 1 ) 超声波信号的产生和发射 据项目的要求，所选超声波传感器的中心激励频率为4 0 k h z ，要驱动传感器工作， 需要产生一驱动信号，本文将使用频率为4 0 k h z 正弦波来驱动超声波传感器。为了提 高抗干扰性，本文将会对超声波进行幅度调制，使其产生阶梯状的特征信号。 2 ) 超声波信号的接收 由于煤粉的衰减和超声波传感器的频率特性，接收到的信号为小信号，并且具有大 量的噪声，对于小信号的调理是比较复杂的。超声波信号接收器需要对接收信号进行放 大和滤波。由于原始信号是单一频率，所以要求滤波器的带宽比较窄，为3 8 4 2 k h z 左 右，除此之外还要求放大倍数可调。 3 ) 超声波两路信号的采集 要使h 】数字相关法，需要对超声波发射信号和接收信号进行抽样处理、，根据要求和 2 在线测量仪的基本原理及总体设计硕士论文 抽样原理，要求a d 的采样频率不少于8 0 0 k h z ，采用的宽度不少于1 0 位。互相关法 测时差要求两路信号同步采集，不允许有数据的丢失。 4 ) 温度采集 在经超声波时差测量煤粉浓度的过程中，需要知道风粉混合物的温度。风粉在一次 风管道中具有比较高的温度，并且有比较大的摩擦，一般的温度测量可能无法满足要求， 本文将采用热电偶测量温度。 5 ) 数据处理 数据处理将在a r m 中进行，其要求就是能在一定的时间内将超声波传播时延计算 出，并通过转化，计算出煤粉浓度，其最大的要求就是计算的时间要尽可能短，精度要 尽量高。 6 ) 仪器通讯 煤粉浓度测量仪需要与p c 机进行通讯，网口是必须的，用来传输数据，串口也是 需要的，主要是用来调试和监测软件的运行。根据项目的要求还需要预留的接口就是 u s b 口。 7 ) 人机交互 就煤粉浓度测量仪本身来说，也需要进行人机交互，比如测量仪的参数输入、测量 仪结果的显示、测量仪状态的显示等。所以要求测量仪有键盘、显示设备等。 上述几条就是整个测量仪的所要实现的功能及其要求，在设计此仪时，应该首先确 保这些基本功能的实现，可以在这些功能的基础上进行相适应的扩展。 2 3 在线测量仪的硬件结构 在线测量仪中，由于网络交换机具有通用性，可以从市场上购得，因此不需要进行 必要的设计，本论文所要进行开发的是具有网络功能的煤粉浓度测量仪。 根据对测量仪的功能需求分析可知，测量仪主要包括信号采集处理模块、超声波发 射电路、超声波接收电路、温度采集电路、键盘电路、网络接口电路、串口电路、u s b 接口电路、数码管显示电路等。 信号采集处理模块是整个系统的处理控制中心，而微控制器又是信号采集处理模块 的核心，其需要对整个系统进行控制，协调各个模块的工作，并且承担着人机交互的功 能，与p c 机通信的功能。目前，微控制器种类繁多，有单片微机系统，如c 5 1 系列、 m s p 4 3 0 系列等；有微控制器( m c u ) ，比如a r m 体系结构的$ 3 c 2 4 1 0 。不同的微控 制器所使用的场合不同，其功能亦有比较大的差别。根据需求分析，本论文将采用a r m 加f p g a 的双核心硬件构架。采用此构架原因有，本采集系统需要两路数据进行同步采 集，a r m 不具有此种数据存储功能，并且无法同时产生对两路a d 的时序控制要求， 1 2 硕士论文 一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 因此无法满足要求。本论文采用f p g a 进行数据同步并且同时产生两路a d 时序的控 制要求。而单纯用f p g a 实现与p c 机的交互比较困难，尤其是实现网络控制功能。要 满足本论文计算的要求，对f p g a 的要求比较高，需要使用比较好的f p g a 器件，并且 开发难度大，开发周期长，稳定性差，通用性差，因此主控芯片采用a r m 。据此，测 量仪的硬件构架如图2 - 4 所示。 图2 - 4 测量仪硬件构架 测量仪的工作过程简述如下：正弦波产生器产生4 0 k h z 固定频率的正弦波，经过 前置放大，在经过二级放大后经过功放驱动超声波传感器。在前置放大器中，将对正弦 波信号进行幅值调制，最终调制的结果是形成一阶梯式的三跳特征信号。经过功放的信 号分出一路经过分压后作为原始的参考信号。超声波接收传感器接收到信号后由超声波 接收模块进行信号调理，调理后的信号送到采集卡进行采集。两路信号经过a d 后， f p g a 将会对两路信号进行同步，同步后将数据传送到a r m 中进行计算，获得超声波 穿过煤粉的时延，同时温度采集系统将会对风粉混合物的温度进行采集，再根据相关计 算式计算出煤粉浓度，将数据显示在数码管上，并且将数据通过网口上传到中央控制计 算机。 2 4 在线测量仪的软件结构 根据需求，测量仪需要经过以太网将数据传输给中央控制器，而以太网的实现基于 t c p i p 协议，开发t c p i p 协议具有较大的难度，并且a r m 是定点处理器，若要对浮 点数进行处理的话，需要转化成定点数，而在转化中将会产生误差，需要使用软浮点处 理。综上考虑，本论文测量仪的软件将建立在操作系统上，将选用l i n u x 操作系统。 l i n u x 操作系统是一款开放源代码的操作系统，能支持m i p s 、x 8 6 、a r m 、n i o s 、 2 在线测量仪的基本原理及总体设计 硕士论文 p o w e r p c 等体系结构的操作系统。l i n u x 具有丰富的驱动程序，能支持众多设备，其内 核便于裁剪，有强大支持社区，是一款不需要付费使用的操作系统。l i n u x2 6 内核是 抢占式内核，提高l i n u x 操作系统的实时性，能满足煤粉浓度测量仪的要求。本论文拟 采用l i n u x2 6 3 8 内核，l i n u x 的移植主要是其内核的移植，还包括文件系统的移植。 l i n u x 操作系统带有众多芯片的驱动程序，因此，大部分的驱动是靠移植来完成的。 但是对于嵌入式系统来讲，其硬件具有差异性，仍然需要编写一些驱动，比如键盘驱动、 l e d 驱动、f p g a 驱动等。l i n u x 驱动编写的难点在于l i n u x 内核编程，需要注意的是临 界区的保护。根据这些，测量仪的软件构架如图2 - 5 所示。 用户应用程序( 数据处理程序和网络通信程序) c 库 系统调用接口 l i n u x 内核 l i n u x 文件系统( y a f f s 2 文件系统) 套接字 进程管理 lj t c p l p 内存管理 键斑驱 l e d 骧动 f p g a 驱n a n i ) 驱删络设 动动 动 备驱动 图2 - 5 测量仪软件构架 2 5 多通道同步数据采集的实现研究 数据的采集是将模拟量转化成数字量的一种方法，在很多应用场合，都存在对多路 信号进行同步采集的需求。然而，要让多通道同步的、实时的采集存储，中间不能出现 任何断点，且要保证采集的高精度，比较困难啪1 。数据的同步采集对时钟、数据存储等 都提出不同的要求，本文将提出三种同步方案。 1 4 硕士论文一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 2 5 1 采用采样保持电路 采样保持电路多用在a d 电路的前端，采样保持电路的作用是在采样阶段对模拟信 号准确采样，在保持阶段并将采样的结果保持一定的时间，以供乘法余量增益电路进行 量化处理，以提高模数转换器对较高频率输入信号的处理能力曙。采样保持电路能够在 很短的时间内建立起采样所需要的输入电压，并且能在采样的过程中保持不变，以保证 量化的结果是正确的。多通道同步数据采集正是利用采样保持电路的这种特性进行工作 的，其原理框图如图2 - 6 图2 - 6 多通道i 司步采样保持原理框图 利用采样保持电路实现多通道数据同步采集的原理如下：在某一时刻，采样保持电 路将所有通道的数据进行保持，这时模拟选择开关顺序选择各路信号送入a d 进行采 样，当完成采样后，采样保持电路重新建立数据。有些模数转换芯片具有此种功能，比 如a d 9 2 0 l ，就是两通道独立的采样，利用此种方案，上述原理将会减少采样保持电路、 多路模拟开关电路，电路的实现比较简单。 此方案电路比较复杂，需要增加多样采集电路和多路模拟开关，当模拟输入量比较 大时，采用保持的实现代价比较高，但是此种方案数据的存储比较简单，对于通道数比 较多的同步数据采样具有很高的应用价值。利用特定的模数转换芯片来实现的话，电路 的实现比较简单，但是方案的性能受限于特定的模拟芯片。一般的a d 芯片只有很少的 几路模拟输入，并且模拟量的电压输入有要求，在对输入电压不高并且需要采集的通道 数比较少的情况下，此种方案有较大的应用价值。 2 5 2 采用独立通道实现 独立通道实现是指采用多片等同的a d 芯片，每片a d 芯片采集到的数据进行独立 传输和处理。采用此种方案需要独立的控制每一路a d 芯片的工作，而且需要将每一路 2 在线测量仪的基本原理及总体设计 硕士论文 的数据进行独立的存储，这对主控芯片带来一定的复杂度，在实现时可以采用f p g a 作 为主控芯片，此种方案的原理框图如图2 7 所示。 此种方案控制比较简单，但是要实现时钟的不同将会比较复杂，而且此种方案将会 增加印制电路板的面积，增加a d 芯片的数量，存储芯片的数量，成本及代价比较高， 对于通道数比较多时，其应用的缺点更加明显，但是在a d 芯片价格不高并且通道数不 多的情况下，也有一定的应用价值，毕竟采样保持芯片的价格比较高。 2 5 3 采用f i f o 实现 图2 7 独立通道 f i f o 为一种先进先出存储器件，其在电路中能起到缓冲数据的作用。采用f i f o 来 实现多通道数据同步采集就是多路等同的a d 芯片采集得到数据经过f i f o 的调理，形 成一路数据进行传输，原理框图如图2 8 所示。 此方案采用多片等同a d 芯片，在采集通道数比较多时，所使用的a d 芯片过多， 并且在通道数比较多时，f i f o 调整输入比较困难，但是其不需要为每个通道配置独立 的存储，因此在通道数比较少时，也具有应用价值。 本论文输入的模拟信号比较大，只有两个通道，因此将使用f i f o 的方式来实现， 而采样保持电路方案作为备选方案，在p c b 上实现，但是不一定使用，如要开展即可 使用。 1 6 图2 8 原理框图 硕上论文 一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 2 6 数据传输方案研究 在数据采集系统中，模拟信号经过模数转换芯片量化后，数据需要传输到适合的存 储器中进行存储。在传统的数据采集系统中，一般使用c p u 来控制a d 的采集和数据 传输，使用此种方法只适用于低速数据量不大的场合。现代的数据采集系统复杂度越来 越高，所采集的模拟信号的频率也越来越高，采集的速率越来越高，需要采集的数据量 也成上升趋势。使用c p u 控制a d 工作，需要消耗大量的c p u 资源，其效率比较低下， 在现代数据采集系统中甚至不能满足要求。随着电子科技的发展，出现了不同的a d 控 制和数据传输方案，本文将分析基于c p l d 和f p g a 的a d 控制和数据传输方案。 2 6 1 基于c p l d 的数据传输 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 复杂可编程逻辑器件，从g a l 和p a l 发展而来。c p l d 是基于乘积项的可编程器件，其内部触发器资源有限，适合完成各种 算法和组合逻辑，c p l d 的时序延迟是均匀和可测的。因此，采用c p l d 来实现a d 控 制有比较好的实现，但是用来传输数据需要外接存储缓存电路，其原理框图如图2 - 9 所 示。 m c u 为整个系统的控制中心，c p l d 用来产生a d 芯片工作所需要的时序，并且 产生控制信号控制f i f o 等存储模块。系统的工作过程如下：m c u 发出开始采集指令， c p l d 接收到指令后将自动产生a d 所需时序，使能a d 并且使能f i f o 进行传输数据。 该方案，适用于高速的数据采集系统，但是外部的存储器件将会给电路的布线带来 问题，并由此可能导致系统可靠性下降。 图2 - 9 基于c p l d 数据传输原理图 2 6 2 基于f p g a 的数据传输 f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 现场可编程逻辑门阵列，是在p a l 、g a l 、 c p l d 等的基础上发展而来的，f p g a 的出现既解决了定制电路的不足，又克服了原有 可编程器件门电路数有限的缺点。f p g a 是基于查找表( l u t ) 的可编程逻辑器件，、其内 部含有丰富的触发器，非常适合复杂的时序电路。目前，一般f p g a 内部还含有大量的 1 7 2 在线测量仪的基本原理及总体设计硕士论文 内嵌r a m 资源，使其可以在f p g a 内部实现f i f o 或者双端口r a m ，无需增加任何的 外部缓冲器，其传输原理框图如图2 1 0 所示。 反馈 f p g a 控制 控制 a d 芯片 f i f 0 m c u 数据 卜 或 双口r 碰 数据 卜 图2 1 0 基于f p g a 数据传输原理图 m c u 为整个传输系统的控制中心，m c u 发出采集指令后，f p g a 将会产生a d 时 序，控制a d 芯片进行采集，并且使能内部的传输缓冲通道，将数据传输给外存储器。 使用该方案，各模块的时钟基本上在f p g a 内部生成和走线，这样抗干扰比较强。 本设计将采用第二种传输方案。 2 7 本章小结 本章对数字相关法测量煤粉浓度的基本原理进行了深入地讨论，并在这一原理的基 础上对整个测量仪提出了相应的功能及其要求。本章重点对具有网络功能的煤粉浓度测 量仪的需求进行分析，给出了测量仪的硬件结构总图，也给出了测量仪的软件结构图。 本章还对多通道同步数据的采集、数据传输进行了研究。通过本章的分析，对课题研究 的内容有了一个比较全面的了解，明白了设计的内容及要求。 1 8 硕：卜论文 一次风煤粉浓度在线测量仪的研究与开发 3 两路数据同步采集的f p g a 实现 3 1f p g a 选型 3 1 1f p g a 选型 f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) l 口现场可编程逻辑门阵列，一般采用s r a m 工艺，也有一些专用器件采用f l a s h 工艺或反熔丝工艺等。f p g a 为超大规模集成电路， 其集成度很高，可以完成复杂的时序与组合逻辑电路功能。f p g a 的基本组成包括：可 编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块r a m 、布线资源、底层嵌入功能 单元、内嵌专用内核等【56 1 。其内部结构如图3 1 所示。 ；黼 麴羹慧 孽 弋飞 ； il 侧目口珊砰。：；移” ： l _ _ 。i i | o | 囊 ，# 1 一r i 铂 i 硼 l 甜l 蝴l r 一| r r ilil 矧_ | 瀵滋 ；g l # 料 m ； 饼 +cu| l r ：懿r 慧i 图3 lf p g a 内部结构 可编程输入输出单元简称i o 单元，这些单元的主要功能是用来完成对输入输出信