一種現(xiàn)場交互式工業(yè)鍋爐安全與能效監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種現(xiàn)場交互式工業(yè)鍋爐安全與能效監(jiān)測裝置。用于測量溫度、壓力、流量及含氧量的傳感器經(jīng)16個采樣通道的模擬信號采集模塊后接入微處理器的ADC接口，巡檢按鍵及鍋爐控制柜內(nèi)的繼電器經(jīng)開關信號采集模塊接入微處理器的IO口，多功能電量表通過RS485接口連接微處理器，GPRS通信模塊通過USART接口連接微處理器，用來顯示參數(shù)及人機交互的觸控顯示屏通過IO接口連接微處理器，用來存儲參數(shù)及鍋爐操作指導材料的數(shù)據(jù)存儲模塊通過SPI接口連接微處理器。本實用新型不僅以高性價比方式實現(xiàn)工業(yè)鍋爐的遠程監(jiān)測，還能通過人機交互第一時間指導司爐工有效掌握鍋爐運行狀態(tài)，及時排除運行故障，經(jīng)濟安全地操作鍋爐。
【專利說明】一種現(xiàn)場交互式工業(yè)鍋爐安全與能效監(jiān)測裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測裝置，尤其是一種現(xiàn)場交互式工業(yè)鍋爐安全與能效監(jiān)測裝置。

【背景技術】
[0002]當前我國的工業(yè)鍋爐存在眾多不足，例如機械化和自動化程度低、效率低、耗能高、污染嚴重，同時，鍋爐操作人員普遍素質(zhì)不高，責任心不強，對壓力、溫度、水位等動態(tài)參數(shù)的監(jiān)控不嚴，易產(chǎn)生鍋爐事故。從現(xiàn)有的監(jiān)管手段來看，由于工業(yè)鍋爐容量小、數(shù)量大、布點分散，難以集中監(jiān)管，區(qū)域范圍內(nèi)的所有工業(yè)鍋爐的基本信息及安全節(jié)能動態(tài)監(jiān)管數(shù)據(jù)難以獲取，這給更全面的安全監(jiān)察和能耗監(jiān)測帶來一定難度。
[0003]目前判斷鍋爐是否節(jié)能運行的常規(guī)做法是現(xiàn)場能效測試。服務機構根據(jù)測試情況開出診斷書，提出鍋爐效能提升改造方案。由于鍋爐運行是動態(tài)過程，經(jīng)能效調(diào)試改良后的鍋爐在運行一段時間后，又會出現(xiàn)能效比下降的情況。要讓鍋爐長期保持最佳運行狀態(tài)，就必須加強日常運行情況的監(jiān)測，隨時處理和調(diào)整運行方式。此外，能效檢測工作通常采用人工現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)，會存在數(shù)據(jù)記錄不連續(xù)、不完整等情況，難以有效獲取鍋爐運行動態(tài)數(shù)據(jù)。
[0004]此外，我國目前定型的工業(yè)鍋爐產(chǎn)品很少配置較為齊全的現(xiàn)場監(jiān)測儀表，尤其是一些涉及能效的關鍵參數(shù)，如排煙含氧量、排煙溫度等，大量燃煤鍋爐甚至連蒸汽溫度等常規(guī)參數(shù)都無法顯示?，F(xiàn)場儀表的缺乏導致司爐工無法真正掌握鍋爐的運行情況，不能及時調(diào)節(jié)鍋爐燃燒，從而使得熱效率長期低于設計值。
[0005]基于物聯(lián)網(wǎng)技術的現(xiàn)場交互式鍋爐遠程監(jiān)測系統(tǒng)是解決上述問題的一項重要技術方案。通過安裝傳感器，或者利用鍋爐現(xiàn)有傳感器，將工業(yè)鍋爐的實時狀態(tài)參數(shù)采集、分析計算，一方面進行編碼并傳送至遠程管理平臺，進一步針對安全及能效指標統(tǒng)計分析，并以互聯(lián)網(wǎng)為載體向政府機構、使用單位、制造單位等實時動態(tài)發(fā)布被監(jiān)測鍋爐的運行情況；另一方面通過交互式人機界面向現(xiàn)場操作鍋爐的司爐人員顯示鍋爐實時狀態(tài)參數(shù)，并提供鍋爐安全與節(jié)能操作的有效建議，指導司爐人員針對性的找出問題所在，優(yōu)化鍋爐運行，使鍋爐長期保持最優(yōu)狀態(tài)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述【背景技術】的不足，本實用新型的目的是提出一種現(xiàn)場交互式工業(yè)鍋爐安全與能效監(jiān)測裝置，實現(xiàn)工業(yè)鍋爐運行狀態(tài)的現(xiàn)場顯示及遠程監(jiān)測。
[0007]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0008]本實用新型包括傳感器、多功能電量表、巡檢按鍵、ARM微處理器、模擬信號采集模塊、開關信號采集模塊、串行通信接口電路、GPRS通信模塊、LCD觸控顯示屏、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊和UPS電源；用于測量溫度、壓力、流量及含氧量信號的傳感器安裝在被監(jiān)測鍋爐上，傳感器通過信號線將4-20mA的輸出信號接入具有16個采樣通道的模擬信號采集模塊，模擬信號采集模塊將傳感器信號進行隔離放大后接入ARM微處理器的ADC接口 ；包括綜合報警信號、超壓報警信號、高水位信號、低水位信號、運行信號、大火燃燒信號、小火燃燒信號在內(nèi)的鍋爐開關信號由鍋爐控制柜內(nèi)的繼電器干接點經(jīng)開關信號采集模塊接入ARM微處理器的1 口 ；用于現(xiàn)場監(jiān)管司爐工的巡檢按鍵經(jīng)開關信號采集模塊接入ARM微處理器的1 口 ；用來測量鍋爐耗電量的多功能電量表通過RS485接口經(jīng)串口通信接口電路接入ARM微處理器的USART接口 ；用于向工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測管理平臺無線發(fā)送監(jiān)測參數(shù)的GPRS通信模塊通過USART接口與ARM微處理器連接；用來實時顯示鍋爐安全與能效狀態(tài)參數(shù)，并與司爐工進行現(xiàn)場人機交互的IXD觸控顯示屏通過通用1接口與ARM微處理器連接；集成了大容量SD卡的用來存儲鍋爐監(jiān)測參數(shù)及鍋爐操作運行指導材料的數(shù)據(jù)存儲模塊通過SPI接口與ARM微處理器連接；用來產(chǎn)生5V、4.2V、3.3V直流電壓的電源模塊分別與所述裝置的各模塊連接；產(chǎn)生24V穩(wěn)定電能的UPS電源通過繼電器連接傳感器的電源線。
[0009]所述的ARM微處理器為基于ARM Cortex_M3內(nèi)核的STM32F103VBT6芯片。
[0010]所述的GPRS通信模塊采用具有工業(yè)標準接口及SMT封裝形式的SM900A無線模塊。
[0011]所述的IXD觸控顯示屏為7寸的電容式液晶觸摸顯示屏集成模塊。
[0012]與【背景技術】相比，本實用新型具有的有益效果是:
[0013]1、以ARM Cortex_M3內(nèi)核的微處理器為核心，構成鍋爐運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測裝置，直接利用微處理器片內(nèi)資源集成16路高精度模擬量輸入通道及16路光耦隔離開關量安全輸入通道，同時具備豐富的接口，整體具備高性能、低功耗、高性價比的特點，易于市場化推廣。
[0014]2、本裝置不僅能向遠程管理平臺發(fā)送被測鍋爐的運行參數(shù)，同時也能與現(xiàn)場操作的司爐工進行互動，巡檢按鍵能考核司爐工的在崗狀態(tài)，觸摸屏能向司爐工顯示所測參數(shù)以及故障排除與節(jié)能操作指南，通過人機交互第一時間指導司爐工有效掌握鍋爐的運行狀態(tài)，及時排除運行故障，經(jīng)濟安全地操作鍋爐運行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0017]如圖1所示，本實用新型包括:傳感器、多功能電量表、巡檢按鍵、ARM微處理器、模擬信號采集模塊、開關信號采集模塊、串行通信接口電路、GPRS通信模塊、LCD觸控顯示屏、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊和UPS電源。
[0018]用于測量溫度、壓力、流量及含氧量信號的傳感器安裝在被監(jiān)測鍋爐上，傳感器通過信號線將4-20mA的輸出信號接入具有16個采樣通道的模擬信號采集模塊，模擬信號采集模塊將傳感器信號進行隔離放大后接入ARM微處理器的ADC接口 ；包括綜合報警信號、超壓報警信號、高水位信號、低水位信號、運行信號、大火燃燒信號、小火燃燒信號在內(nèi)的鍋爐開關信號由鍋爐控制柜內(nèi)的繼電器干接點經(jīng)開關信號采集模塊接入ARM微處理器的1口 ；用于現(xiàn)場監(jiān)管司爐工的巡檢按鍵經(jīng)開關信號采集模塊接入ARM微處理器的1 口 ；用來測量鍋爐耗電量的多功能電量表通過RS485接口經(jīng)串口通信接口電路接入ARM微處理器的USART接口 ；用于向工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測管理平臺無線發(fā)送監(jiān)測參數(shù)的GPRS通信模塊通過USART接口與ARM微處理器連接；用來實時顯示鍋爐安全與能效狀態(tài)參數(shù)，并與司爐工進行現(xiàn)場人機交互的IXD觸控顯示屏通過通用1接口與ARM微處理器連接；集成了大容量SD卡的用來存儲鍋爐監(jiān)測參數(shù)及鍋爐操作運行指導材料的數(shù)據(jù)存儲模塊通過SPI接口與ARM微處理器連接；用來產(chǎn)生5V、4.2V、3.3V直流電壓的電源模塊分別與所述裝置的各模塊連接；產(chǎn)生24V穩(wěn)定電能的UPS電源通過繼電器連接傳感器的電源線。
[0019]ARM微處理器是本裝置的核心控制元件，采用基于ARM Cortex_M3內(nèi)核的STM32F103VBT6芯片。該微處理器使用高性能的ARM Cortex_M3 32位的RISC內(nèi)核，最高工作頻率高達72MHz，內(nèi)置128 KB Flash程序存儲器及20 KB的SRAM，具有100個外部引腳，采用LQFP封裝，工作電壓為2.(Γ3.6V，工作溫度范圍為_40°C?85°C。此外，該微處理器片內(nèi)集成了大量外圍設備，包括3個USART，3個16位定時器，I個PWM定時器，2個SPI接口，2個I2C接口，I個USB接口，I個CAN接口，80個通用1 口，2個12位的ADC，可構成16個通道的模擬量同步采樣，其性能和使用條件都滿足工業(yè)鍋爐安全與能效參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測的要求。該微處理器在連接上電源、晶振及復位電路后即可以最小系統(tǒng)工作。
[0020]工業(yè)鍋爐運行時的物理參數(shù)可分為4類，即溫度參數(shù)，如蒸汽溫度、排煙溫度、給水溫度；壓力參數(shù)，如蒸汽壓力；流量參數(shù)，如蒸汽流量、給水流量；氧量參數(shù)，如排煙含氧量；用于測量上述物理量的傳感器安裝在被監(jiān)測鍋爐本體或管道上，傳感器由測量探頭和變送器組成，輸出信號統(tǒng)一采用4-20mA電流信號，電流信號通過信號線接入監(jiān)測裝置的模擬信號采集模塊的輸入接口。上述傳感器可獨立安裝于鍋爐上，也可在獲得鍋爐使用單位和制造單位的授權許可情況下，部分地采用鍋爐自身的傳感器，其自身傳感器的輸出電流信號通過一個I入2出的電流隔離器后接入模擬信號采集模塊的輸入端。
[0021]模擬信號采集模塊的作用是對4_20mA的輸入信號進行濾波、隔離并放大，避免采集信號傳輸?shù)墓收?、失真及干擾。本裝置采用ARM微處理器片內(nèi)集成的12位ADC實現(xiàn)16路模擬量的高精度采樣。以單路模擬信號采集通道為例，采用一個10歐姆的精密電阻進行I/V變換，輸出的40-200mV的電壓信號經(jīng)RC濾波電路后接入線性光耦芯片HCNR201，隔離輸出的電壓信號經(jīng)op07芯片放大后接入ARM微處理器的ADC接口。
[0022]工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測所需的開關量參數(shù)主要是一些鍋爐自身的開關信息、報警信息，包括綜合報警信號、超壓報警信號、高水位信號、低水位信號、運行信號、大火燃燒信號、小火燃燒信號，根據(jù)具體爐型的不同所監(jiān)測的開關量信號略有區(qū)別，采集方式采用從鍋爐控制柜內(nèi)的繼電器或接觸器的干接點接入開關信號采集模塊的輸入端。此外，用于現(xiàn)場監(jiān)管司爐工的巡檢按鍵也接入開關信號采集模塊的輸入端，通過巡檢按鍵可考核司爐工的在崗狀態(tài)，督促司爐工在一定的時間間隔內(nèi)到鍋爐本體旁檢查鍋爐的運行狀態(tài)，并按下巡檢按鍵。
[0023]開關信號采集模塊的作用是對提取的開關信號進行安全隔離，本裝置采用光耦隔離芯片TLP181，隔離后的信號直接接入ARM微處理器的通用1 口，實現(xiàn)16通道的開關信號采樣。
[0024]串行通信接口電路采用MAX485芯片，通過與ARM微處理器的USART接口連接構成2路RS485通信接口。其中一路用于和多功能電量表通信，另一路用于和鍋爐主控制器通信，在鍋爐制造廠開放通訊協(xié)議的情況下，直接從鍋爐主控制器提取運行參數(shù)。多功能電量表用來測量鍋爐運行消耗的總電量，可通過RS485接口向外發(fā)送實時電壓、電流、功率、功率因素等電參數(shù)信號。
[0025]GPRS通信模塊的作用是向搭建在監(jiān)管機構的工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測管理平臺無線發(fā)送被監(jiān)測鍋爐的實時參數(shù)。本裝置采用具有工業(yè)標準接口及SMT封裝形式的SM900A無線模塊來實現(xiàn)。該模塊采用工業(yè)標準接口，工作頻率為GSM/GPRS 900/1800MHZ，可以以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，適合低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。SIM卡通過SM卡接口電路和GPRS通信模塊連接，GPRS通信模塊通過USART接口與ARM微處理器連接，采用SM900A集成的AT指令實現(xiàn)GPRS通信模塊和ARM微處理器的交互。
[0026]LCD觸控顯示屏的作用是實時顯示采集及計算出的鍋爐安全與能效狀態(tài)參數(shù)，并與司爐工進行現(xiàn)場人機交互，采用7寸的電容式液晶觸摸顯示屏集成模塊，該模塊通過通用1接口與ARM微處理器連接。實時顯示的鍋爐安全與能效狀態(tài)參數(shù)的包括直接監(jiān)測的鍋爐參數(shù)，如排煙溫度、排煙氧量等，由微處理器間接計算和判斷出的參數(shù)，如熱效率、過量空氣系數(shù)、能效報警信號等。此外，當所測鍋爐出現(xiàn)故障或運行報警時，可通過操作觸摸屏訪問存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中的鍋爐故障排除及安全經(jīng)濟運行操作指導材料，幫助司爐工現(xiàn)場排除故障，正確安全地操作鍋爐。
[0027]數(shù)據(jù)存儲模塊的作用是存儲鍋爐的實時監(jiān)測參數(shù)以及鍋爐操作運行指導材料，采用大容量SD卡，方便指導材料的更新，SD卡通過SD卡接口電路與ARM微處理器的SPI接口連接。鍋爐操作運行指導材料的形式以文字和圖片為主。存儲的實時監(jiān)測參數(shù)為最近1000條的采集記錄。
[0028]電源模塊為本裝置的各模塊提供穩(wěn)定的工作電壓，采用LM2596S和LM1117-3.3芯片產(chǎn)生5V、4.2V、3.3V的直流電壓，分別向采集模塊、GPRS通訊模塊、ARM系統(tǒng)等提供電能。
[0029]UPS電源用來產(chǎn)生24V的穩(wěn)定電壓,一方面作為電源模塊的輸入,另一方面向傳感器供電。在傳感器和UPS電源之間連接有用來控制供電線路通斷的繼電器，作用是在微控制器檢測到鍋爐熄火停爐時及時切斷傳感器供電，以延長易耗型傳感器的使用壽命。UPS電源采用帶鉛酸蓄電池的開關電源，具備一定的續(xù)電能力。
[0030]上述【具體實施方式】用來解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在本實用新型的精神和權利要求的保護范圍內(nèi)，對本實用新型作出的任何修改和改變，都落入本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種現(xiàn)場交互式工業(yè)鍋爐安全與能效監(jiān)測裝置，其特征在于:包括傳感器、多功能電量表、巡檢按鍵、ARM微處理器、模擬信號采集模塊、開關信號采集模塊、串行通信接口電路、GPRS通信模塊、IXD觸控顯示屏、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊和UPS電源；用于測量溫度、壓力、流量及含氧量信號的傳感器安裝在被監(jiān)測鍋爐上，傳感器通過信號線將4-20mA的輸出信號接入具有16個采樣通道的模擬信號采集模塊，模擬信號采集模塊將傳感器信號進行隔離放大后接入ARM微處理器的ADC接口 ；包括綜合報警信號、超壓報警信號、高水位信號、低水位信號、運行信號、大火燃燒信號、小火燃燒信號在內(nèi)的鍋爐開關信號由鍋爐控制柜內(nèi)的繼電器干接點經(jīng)開關信號采集模塊接入ARM微處理器的1 口 ；用于現(xiàn)場監(jiān)管司爐工的巡檢按鍵經(jīng)開關信號采集模塊接入ARM微處理器的1 口 ；用來測量鍋爐耗電量的多功能電量表通過RS485接口經(jīng)串口通信接口電路接入ARM微處理器的USART接口 ；用于向工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測管理平臺無線發(fā)送監(jiān)測參數(shù)的GPRS通信模塊通過USART接口與ARM微處理器連接；用來實時顯示鍋爐安全與能效狀態(tài)參數(shù)，并與司爐工進行現(xiàn)場人機交互的LCD觸控顯示屏通過通用1接口與ARM微處理器連接；集成了大容量SD卡的用來存儲鍋爐監(jiān)測參數(shù)及鍋爐操作運行指導材料的數(shù)據(jù)存儲模塊通過SPI接口與ARM微處理器連接；用來產(chǎn)生5V、4.2V、3.3V直流電壓的電源模塊分別與所述裝置的各模塊連接；產(chǎn)生24V穩(wěn)定電能的UPS電源通過繼電器連接傳感器的電源線。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種現(xiàn)場交互式工業(yè)鍋爐安全與能效監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的ARM微處理器為基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VBT6芯片。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種現(xiàn)場交互式工業(yè)鍋爐安全與能效監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的GPRS通信模塊采用具有工業(yè)標準接口及SMT封裝形式的SM900A無線模塊。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種現(xiàn)場交互式工業(yè)鍋爐安全與能效監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的LCD觸控顯示屏為7寸的電容式液晶觸摸顯示屏集成模塊。
【文檔編號】G05B19/418GK203941436SQ201420313555
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權日:2014年6月12日
【發(fā)明者】馬舜, 趙輝, 李順榮, 劉松國, 熊偉東, 邱振宇, 盛水平 申請人:杭州市特種設備檢測研究院