基于多传感器的火电厂煤粉报警系统研究

陈节涛

(国家能源集团 湖北汉川发电有限公司，湖北 汉川 431614)

火电厂高炉煤粉喷吹是火电发电的重要步骤[1-2]，高炉煤粉在喷吹过程中，会造成高炉内煤粉浓度过高。在一定空间内煤粉浓度超标不仅危害工作人员身体健康，也存在较高的爆炸风险[3-5]。为规范火电厂发电步骤，保障发电设备和工作人员安全和健康，对高炉内煤粉浓度超标进行报警十分有必要。包鹏赞等[6]设计了配煤系统中短信报警系统，其利用C#语言编程编写报警程序，以调取煤粉浓度监控数值的形式实验煤粉浓度超标报警。李剑波等[7]使用红外传感器采集两相气流数值，使用气相色谱方式测定两相气流数值内的煤粉浓度，然后利用用户端的监视器向用户发送煤粉浓度报警信息。上述两种系统虽均可实现煤粉浓度超标报警，但前者对当前煤粉浓度监控效果需求较高，当其煤粉浓度监测效果不佳时，其报警效果不理想。后者则在使用气相色谱检测煤粉浓度时所需时间较长，导致煤粉超标时报警效果不够及时。为使煤粉浓度报警结果更为精准和报警效果更佳，本文设计基于多传感器的火电厂煤粉报警系统。利用多传感器采集煤粉浓度信息，使其煤粉浓度数据更为全面和准确。

以B/S结构设计火电厂煤粉报警系统，该系统结构如图1所示。火电厂煤粉报警系统使用多个电容传感器采集高炉煤粉喷吹过程中的煤粉传输流量浓度数据后，使用ZigBee无线传输模块你的路由器和协调器将其传输到CPU微控制器内。CPU微控制器使用LCD显示报警模块内的基于最小二乘法的多点数据处理算法绘制煤粉浓度分布曲面，当浓度分布曲面超过设定的报警阈值时，将报警信息反馈给CPU微控制器。CPU微控制器利用CAN通信模块与CAN总线连接监控主机，通过监控主机向用户发送煤粉超标报警画面和报警提示音。

图1 火电厂煤粉报警系统总体结构Fig.1 Overall structure diagram of pulverized coal alarm system in thermal power plant

2.1 ZigBee无线传输模块设计

ZigBee无线传输模块是实现煤粉报警的关键，其是连接粉尘浓度传感器与监控主机的桥梁[8]。ZigBee无线网络架设如图2所示。ZigBee无线传输模块的无线网络内由若干个粉尘传感器采集点组成，使用网状网结构设计粉尘传感器节点，使其与路由器形成星型结构。该结构的粉尘传感器节点通信传输性能更为稳定的同时，可较大程度地保障数据不出现丢失情况[9-10]。各个路由器之间互相连接形成路由器网状结构后与协调器相连。利用协调器与监控主机相连形成火电厂煤粉报警系统完整的通信传输网络。用户通过监控主机向网络发送煤粉浓度采集命令后，协调器负责发起网络并分配设备网络地址、控制节点的加入和退出。路由器负责接收粉尘传感器节点并将其传输给协调器。

图2 ZigBee无线网络架设示意Fig.2 Schematic diagram of ZigBee wireless network erection

2.2 多传感器煤粉浓度采集电路设计

煤粉浓度采集为气固相流范畴[11-13]。其采集方法众多，其中电容法是以煤粉和空气两相流混合物的等效介电常数受煤粉浓度变化情况得到煤粉浓度的方式。电容法使用电容传感器可做到非接触式煤粉浓度信息采集，其在工业领域应用极为广泛[14]。在此选择型号为RN20-M18T电容传感器采集高炉煤粉喷吹过程中的煤粉传输流量浓度数据。电容法采集煤粉浓度时的电路如图3所示。在多传感器煤粉浓度采集电路中使用DDS信号发生器向电容传感器内置极板发出一组激励信号和一组参考信号。其中激励信号经过TIA跨组放大器放大后，再通过交流放大器进行放大处理得到一组直流调制信号。直流调制信号和参考信号均输入到模拟乘法器内，经过信号模拟和滤波处理后，经由ADC数模转换器传输到微控制器内备用。

图3 多传感器煤粉浓度采集电路示意Fig.3 Schematic diagram of multi-sensor pulverized coal concentration acquisition circuit

3.1 运行驱动程序设计

火电厂煤粉报警系统的驱动是保证其正常运行的关键之一，系统的驱动程序越稳定，则系统的鲁棒性越强[15-16]。在此使用DDK驱动包内的分层驱动程序作为本文系统的驱动。该驱动程序启动周期较短且其运行代码数量少，驱动运行顺畅。分层驱动程序驱动流程如图4所示。分层驱动程序主要由上层过滤驱动程序和下层驱动程序构成。当用户发出煤粉浓度采集、传输等命令时[17-19]，驱动程序将该命令转换成请求派遣包。请求派遣包经过上层过滤驱动程序、下层驱动程序后，被发送到总线驱动程序内。利用总线驱动程序启动功能设备对象执行相应命令[20]，即完成整个系统指令的驱动。

图4 分层驱动程序驱动流程示意Fig.4 Schematic diagram of layered driver driving process

3.2 基于最小二乘法的煤粉报警程序

火电厂煤粉报警系统的LCD显示报警模块接收到电容传感器采集到的煤粉浓度信息后，使用最小二乘法对煤粉浓度信息进行曲面拟合，并绘制不同时刻的煤粉浓度分布曲面，得到高炉煤粉喷吹过程中煤粉量浓度等级信息。然后设置煤粉超标等级阈值将当期高炉煤粉浓度等级与所设置的阈值进行对比，当其煤粉浓度超标时，向用户发出相应的画面报警和声音报警。将上述过程以软件编程方式写入到系统的LCD显示报警模块内，通过启动该模块即可实现煤粉超标报警，其软件运行过程如图5所示。

图5 LCD显示报警模块报警流程Fig.5 Alarm flow of LCD display alarm module

以某火电厂的高炉为测试对象，使用本文系统对该高炉煤粉喷吹过程中的煤粉传输流量浓度超标进行报警。为既简化测试过程又保障测试结果具备较高的可靠性，使用Matlab仿真软件模拟高炉煤粉喷吹过程，并设置不同测试环境，以验证本文系统的应用效果。

4.1 通信性能测试

频谱效率是指信息在传输过程中每秒每Hz速率，其是衡量通信传输指标之一。以频谱效率为衡量指标，分析本文系统在不同数量通信节点情况下，其通信频谱效率理想值与实际值曲线，结果如图6所示。分析图6可知，本文系统在通信时的频谱效率数值与通信节点数量呈正相关关系。其中在通信节点不超过1 000个，系统通信时的频率效率数值与理想值存在一定差距，但相差数值不大。此时理想的频谱效率数值和本文系统实际的频谱效率数值曲线表现为较大幅度上升趋势。当通信节点数量超过1 000个之后，理想的频谱效率和本文系统实际的频率效率数值呈现稳定状态，此时二者曲线逐渐重合，说明此时系统通信时的频谱效率数值为理想数值。综上所述，本文系统在通信过程中通信节点数量越多，其通信效果越符合理想数值，其较为适合传输较大的数据量，具备较好的通信性能。

图6 通信性能测试结果Fig.6 Communication performance test results

4.2 及时性测试

在Matlab仿真软件内设置10次煤粉浓度超标状况，并设置报警阈值不得超过30 s。测试本文系统报警时间与发生煤粉浓度超标状况时间，分析系统煤粉浓度报警的及时性，结果见表1。由表1可知，在10次煤粉浓度超标报警测试中，系统报警时间与发生煤粉浓度超标时间之差最大为16 s，最小仅为3 s。其中最大数值较所设阈值低14 s。该数值说明本文系统可有效在煤粉浓度发生超标时及时向用户发出报警提示，且其报警时间较为及时。

表1 煤粉浓度超标报警及时性测试结果Tab.1 Timeliness test results of over standard alarm of pulverized coal concentration

4.3 报警效果测试

在仿真软件内设置煤粉浓度超标状况，测试本文系统画面报警效果，结果如图7所示。分析图7可知，在煤粉浓度报警画面中，用户可观察到火电厂高炉当前压力数值，以及该压力开始时间、持续时间以及保持该压力的剩余时间。还有煤粉浓度阈值和当前浓度数值。从煤粉当前浓度数值可看出该数值已超过所设置的煤粉浓度阈值，因此本文系统向用户发出浓度已超标红色报警框，且为用户呈现了报警等级。综上所述，本文系统可有效在高炉煤粉浓度超标时向用户发出画面报警。

图7 系统画面报警测试结果Fig.7 System screen alarm test results

为更充分呈现本文系统报警效果，下面从语音报警角度展开测试。在Matlab仿真软件内设置8次煤粉浓度超标情况，测试本文系统语音报警功能，结果见表2。

表2 煤粉浓度超标语音报警测试结果Tab.2 Test results of voice alarm for excessive pulverized coal concentration

分析表2可知，本文系统在煤粉浓度超标时，可有效向用户发送语音报警信息，并播报当前煤粉浓度和已超标数值，便于用户及时调整火电厂高炉吹煤相关参数。且每次语音报警在用户未手动终止情况下均播报3次，每次持续1 min，能有效提醒工作人员注意报警。

综上所述，本文系统的语音播报能力较好，具备较强的应用性。

4.4 兼容性测试

首先验证本文系统的兼容性。系统的兼容性是描述其软件和硬件适用于多种运行环境内的适应度，由于火电厂设备环境不同，计算机装机配置不同，因此对系统兼容性要求较高。在此分别从软件、版本、网络的兼容角度展开测试，分析本文系统的兼容性，结果如图8所示。分析图8可知，本文系统在软件和网络方面的兼容度数值较高，其中软件的兼容度已达到98%左右，而网络兼容度为97%左右。版本的兼容度稍低，说明本文系统在运行时对浏览器以及硬件版本存在一定需求。但其兼容度数值依然达到85%左右，说明本文系统支持大多数的计算机运行环境，在应用过程中无须更换火电厂现有计算机软硬件，其具备较好的兼容性。

图8 系统兼容性测试结果Fig.8 System compatibility test results

本文设计基于多传感器的火电厂煤粉报警系统，在该系统内使用若干个电容传感器采集火电厂高炉煤粉喷吹过程中的煤粉浓度。电容传感器通过连接采集电路，以采集煤粉和空气两相流混合物的等效介电常数形式描述当前煤粉浓度。该种煤粉浓度采集方法为无接触式采集方法且不受环境影响。使用Matlab仿真软件搭建仿真环境测试本文系统的应用效果，测试结果表明，本文系统在不同运行环境下具备较强的兼容性；
通信传输时的频谱效率在通信节点超过1 000个后接近理想数值；
具备较好的煤粉浓度画面报警和语音报警功能，应用性良好。