賈鐵軍 張 謙 邢志國(guó) 尹 衛(wèi) 張進(jìn)富

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

1 概述

1.1 引言

在熱電廠等行業(yè)中普遍采用測(cè)量煙氣中的氧含量，通過(guò)測(cè)量結(jié)果判斷燃燒效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的控制，確保煤粉充分燃燒，達(dá)到提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，提升節(jié)能減排效率。氧化鋯類型的氧量分析儀是滿足熱電廠高溫、高壓環(huán)境下氧含量測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備。

1.2 氧量變送器的發(fā)展

在高溫下，當(dāng)氧化鋯陶瓷元件電極兩側(cè)的氧含量不相等時(shí)，氧化鋯陶瓷元件便構(gòu)成一個(gè)氧濃差電池，并產(chǎn)生相應(yīng)氧濃差電勢(shì)，按照能斯特公式可以計(jì)算出待測(cè)氣體的氧濃度。

早期的氧量變送器采用分立元件模擬電路組成，采用傳感器和主機(jī)分體式或一體式方案。隨著電子和信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，氧量變送器的智能化、可靠性等方面大幅提高［1］。

1.3 目前在產(chǎn)氧量變送器的現(xiàn)狀

目前我們單位生產(chǎn)的老一代氧量變送器采用線性電源，單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示，各個(gè)部分由傳統(tǒng)分立元件組合而成；測(cè)量?jī)陕份斎胫g互相不隔離，導(dǎo)致測(cè)量與控溫相互影響，甚至容易受到外部干擾。存在有明顯缺陷。顯示屏幕是LED 數(shù)碼管顯示，不足之處是顯示信息量少。主控單片機(jī)是上世紀(jì)80年代的芯片Atmel89c52，其內(nèi)部功能少，外圍元件多，封裝大，硬件設(shè)計(jì)布線復(fù)雜，批量生產(chǎn)故障率高。采用線性電源，工作電壓過(guò)高，散熱器多，變壓器體積大，導(dǎo)致發(fā)熱量大，測(cè)量元器件溫度漂移增大，使用壽命降低，故障風(fēng)險(xiǎn)增加。操作面板有“空氣校準(zhǔn)”和“標(biāo)氣校準(zhǔn)”，兩個(gè)直插電位器；主板上還有5 個(gè)直插電位器。在長(zhǎng)期實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試操作不方便，容易出現(xiàn)機(jī)械松動(dòng)隱患，還有時(shí)間漂移和溫度漂移問(wèn)題。系統(tǒng)各部分之間采用多條接插連接線，容易出現(xiàn)接觸不良和斷線問(wèn)題，抗電磁干擾能力差。

2 總體設(shè)計(jì)

總結(jié)老一代產(chǎn)品在當(dāng)前市場(chǎng)中存在的不足和短板［2］，進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)和升級(jí)。新系統(tǒng)芯片和元器件盡量采用貼片封裝，批量生產(chǎn)中采用機(jī)器表面貼片焊接，工藝簡(jiǎn)單，可靠穩(wěn)定，成品率高。軟件參數(shù)設(shè)計(jì)采用菜單結(jié)構(gòu)，界面清晰，顯示內(nèi)容豐富，現(xiàn)場(chǎng)操作方便，用戶接受度高。采用中文、英文菜單適合國(guó)內(nèi)外銷售。產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)采用模塊化，生產(chǎn)效率高，維護(hù)方便，升級(jí)擴(kuò)展性好。

本設(shè)計(jì)方案（參見圖1），采用整體智能化、模塊化設(shè)計(jì)。外部電源接至電源模塊，電源模塊將輸入交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫礊橹髂K和其他模塊供電，主模塊采用先進(jìn)32位Soc 芯片，接收2 路輸入信號(hào)，將采集氧信號(hào)的值換算成對(duì)應(yīng)的氧含量顯示在液晶屏幕上。液晶屏幕顯示氧含量值、鋯池溫度值、儀表狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)。溫度傳感器為k 型熱電偶。加熱輸出通過(guò)固態(tài)繼電器模塊，主模塊通過(guò)PID 智能算法控制固態(tài)繼電器模塊通斷，實(shí)現(xiàn)鋯池溫度的恒定控制。主模塊通過(guò)PMW 控制電路輸出模塊，將氧含量值輸出對(duì)應(yīng)的直流電流。HART、RS485 和CAN 總線通訊模塊將設(shè)備測(cè)量結(jié)果、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)上傳給上位機(jī)，方便系統(tǒng)集成。

圖1 氧量變送器系統(tǒng)組成圖

2.1 主要技術(shù)特點(diǎn)

新系統(tǒng)采用大屏幕液晶同時(shí)顯示氧量值，爐溫值，控溫及報(bào)警狀態(tài)等參數(shù)，氧量測(cè)量范圍寬。鋯池控溫值可設(shè)置。根據(jù)產(chǎn)品定位，增加“自動(dòng)吹灰；自動(dòng)校準(zhǔn)”功能。系統(tǒng)采用模塊化方案，可擴(kuò)展性強(qiáng)，增加HART 通訊。設(shè)備采用鋁合金外殼，整體密封，防塵防水，可達(dá)IP65 級(jí)防護(hù)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的是一款低功耗、高效能混合信號(hào)處理微控制器，用于精準(zhǔn)的測(cè)量和控制（參見圖2）。處理器工作在2.2V 到3.6V 的寬電壓范圍，最高可運(yùn)行到20MHZ，內(nèi)建64k 字節(jié)的Flash，以及8k 字節(jié)的SRAM。集成了高精度24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，低噪聲軌對(duì)軌運(yùn)算放大器OPA，8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，硬體實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，多功能比較器CMP，包含高性能外圍，提供EAURT、SPI、I2C、GPIOS 接口，穩(wěn)健的電源管理系統(tǒng)，支援欠壓檢測(cè)，多個(gè)外圍介面喚醒功能。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括AC/DC 電源模塊，主控模塊，PID 加熱控制模塊，電流輸出模塊，液晶顯示模塊，按鍵輸入模塊等組成。系統(tǒng)原理圖（參見圖3）結(jié)構(gòu)緊湊，更加適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

AC/DC 電源模塊給其它幾個(gè)模塊提供工作電壓，輸入220V 電壓，經(jīng)過(guò)整流，電源芯片控制調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓，輸出5V 直流電壓。5V 與主控模塊，PID 加熱控制模塊，電流輸出模塊，液晶顯示模塊連接。

主控模塊控制各個(gè)模塊輸入或輸出數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、運(yùn)算處理并輸出由SoC 芯片實(shí)現(xiàn)，電源模塊5V 輸出與主控模塊電壓輸入連接。主控模塊2 條電源線與AC/DC 電源模塊，3 條數(shù)據(jù)線連接PID 加熱控制模塊，3 條數(shù)據(jù)線連接電流輸出模塊，6 條數(shù)據(jù)線連接液晶顯示模塊，8 條數(shù)據(jù)線連接按鍵輸入模塊。

輸入端氧信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入保護(hù)部分和干擾濾波部分連接到主控模塊。輸入端熱電偶信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入保護(hù)部分和干擾濾波部分連接到主控模塊。

PID 加熱控制模塊通過(guò)2 線連接到加熱爐端子，由主控模塊通過(guò)3 線控制。PID 加熱控制模塊主要以光電耦合器、可控硅、及濾波保護(hù)電阻組成。

電流輸出模塊通過(guò)2 線連接到輸出端子，由主控模塊通過(guò)3 線控制。電流輸出模塊要由AC/DC電源模塊，光電耦合器、運(yùn)算放大器、輸出晶體管及濾波保護(hù)電阻組成。

液晶顯示模塊，由主控模塊通過(guò)6 線串口控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)量值和用戶界面的顯示。

按鍵輸入模塊，由主控模塊通過(guò)8 線連接，通過(guò)分時(shí)掃描采集用戶按鍵輸入。

系統(tǒng)擴(kuò)展數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)“空氣校準(zhǔn)”和“標(biāo)氣校準(zhǔn)”等功能，校準(zhǔn)參數(shù)通過(guò)軟件調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的可靠性和便利性。

圖2 氧量變送器微處理器組成圖

圖3 氧量變送器線路原理圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用C 語(yǔ)言采取模塊化的設(shè)計(jì)方法編寫，將氧量測(cè)量、數(shù)據(jù)計(jì)算、結(jié)果輸出、狀態(tài)提示等功能有機(jī)的結(jié)合在一起。通過(guò)軟件和硬件結(jié)合的辦法，提高氧量變送器的性能。

在抗干擾方面，系統(tǒng)軟件采用看門狗自動(dòng)定時(shí)重新啟動(dòng)，避免程序跑飛和死機(jī)的問(wèn)題。針對(duì)空氣校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)，系統(tǒng)擴(kuò)展可靠性高的數(shù)字電位器，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)值調(diào)整，可靠性高，解決了探測(cè)器老化的問(wèn)題，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

根據(jù)熱電廠氧量變化的特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)周圍大型設(shè)備造成的干擾問(wèn)題，軟件采取加權(quán)濾波和隊(duì)列濾波相結(jié)合的辦法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)分析優(yōu)化，確定控制參數(shù)，確保測(cè)量結(jié)果輸出穩(wěn)定可靠。

軟件采用冗余容錯(cuò)技術(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等重要數(shù)據(jù)在不同的區(qū)域進(jìn)行備份，采取當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域數(shù)據(jù)由于干擾而改變時(shí)，系統(tǒng)將重要數(shù)據(jù)從新恢復(fù)。提升整體系統(tǒng)的可靠性。

軟件系統(tǒng)定期進(jìn)行鋯池、加熱裝置、升溫狀態(tài)等檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的異常情況，給出相應(yīng)狀態(tài)提示。系統(tǒng)擴(kuò)展FRAM 不掉電存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，自動(dòng)上傳。系統(tǒng)擴(kuò)展RS485 通訊功能，通訊數(shù)據(jù)采取CRC 校驗(yàn)算法，確保數(shù)據(jù)通訊可靠。

軟件支持上位機(jī)查詢、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)和讀取歷史數(shù)據(jù)等豐富指令，提升變送器系統(tǒng)智能化水平。

3 測(cè)試及分析

根據(jù)氧化鋯測(cè)氧原理，保持探測(cè)器鋯池部分溫度穩(wěn)定對(duì)確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠非常重要［3］。在完成了高性能氧化鋯氧量變送器的硬件和軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)之后，進(jìn)行了開機(jī)加熱升溫、溫度穩(wěn)定后加熱輸出和溫度控制效果實(shí)驗(yàn)。溫度控制測(cè)試結(jié)果（參見圖4）。

圖4 溫度控制測(cè)試曲線

從圖4 的測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)曲線圖中可以看到，采取的PID 控溫算法參數(shù)設(shè)置合理，可以實(shí)現(xiàn)快速升溫，恒溫控制效果良好。溫度控制精度±1 度。滿足應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)條件。

進(jìn)行了氧量測(cè)量結(jié)果測(cè)試，傳感器加熱溫度為750 ℃時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氧濃度與獲取到的輸入端電壓值進(jìn)行測(cè)試（參見表1）。氧量計(jì)算輸出結(jié)果（參見表2）穩(wěn)定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在所有標(biāo)定點(diǎn)上，最大濃度誤差為0.5%，滿足氧量?jī)x所要求的報(bào)警準(zhǔn)確度在±1%以內(nèi)的要求。

表1 氧量-氧電勢(shì)對(duì)照表

表2 氧量電流對(duì)照表

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)早期氧化鋯產(chǎn)品的分析和總結(jié)，采用智能化、模塊化的方法設(shè)計(jì)研制了新型高性能氧變送器。

硬件采取高性能微處理系統(tǒng)，擴(kuò)展數(shù)字電位器、看門狗、RS485 通訊等模塊組成系統(tǒng)。軟件采取自動(dòng)定時(shí)重啟、加權(quán)濾波和隊(duì)列濾波結(jié)合的算法、采用冗余容錯(cuò)、數(shù)字通訊等技術(shù)相結(jié)合。充分發(fā)揮32位CPU 的數(shù)據(jù)處理能力和外部設(shè)備性能，采取硬件與軟件相結(jié)合的方法，大幅提高設(shè)備的可靠性、易用性和智能化水平。設(shè)備的推廣使用會(huì)大幅提升節(jié)能減排效率，促進(jìn)我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。