CN203941436U - 一种现场交互式工业锅炉安全与能效监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种现场交互式工业锅炉安全与能效监测装置。用于测量温度、压力、流量及含氧量的传感器经16个采样通道的模拟信号采集模块后接入微处理器的ADC接口，巡检按键及锅炉控制柜内的继电器经开关信号采集模块接入微处理器的IO口，多功能电量表通过RS485接口连接微处理器，GPRS通信模块通过USART接口连接微处理器，用来显示参数及人机交互的触控显示屏通过IO接口连接微处理器，用来存储参数及锅炉操作指导材料的数据存储模块通过SPI接口连接微处理器。本实用新型不仅以高性价比方式实现工业锅炉的远程监测，还能通过人机交互第一时间指导司炉工有效掌握锅炉运行状态，及时排除运行故障，经济安全地操作锅炉。

Description

一种现场交互式工业锅炉安全与能效监测装置

技术领域

本实用新型涉及工业锅炉远程监测装置，尤其是一种现场交互式工业锅炉安全与能效监测装置。

背景技术

当前我国的工业锅炉存在众多不足，例如机械化和自动化程度低、效率低、耗能高、污染严重，同时，锅炉操作人员普遍素质不高，责任心不强，对压力、温度、水位等动态参数的监控不严，易产生锅炉事故。从现有的监管手段来看，由于工业锅炉容量小、数量大、布点分散，难以集中监管，区域范围内的所有工业锅炉的基本信息及安全节能动态监管数据难以获取，这给更全面的安全监察和能耗监测带来一定难度。

目前判断锅炉是否节能运行的常规做法是现场能效测试。服务机构根据测试情况开出诊断书，提出锅炉效能提升改造方案。由于锅炉运行是动态过程，经能效调试改良后的锅炉在运行一段时间后，又会出现能效比下降的情况。要让锅炉长期保持最佳运行状态，就必须加强日常运行情况的监测，随时处理和调整运行方式。此外，能效检测工作通常采用人工现场记录数据，会存在数据记录不连续、不完整等情况，难以有效获取锅炉运行动态数据。

此外，我国目前定型的工业锅炉产品很少配置较为齐全的现场监测仪表，尤其是一些涉及能效的关键参数，如排烟含氧量、排烟温度等，大量燃煤锅炉甚至连蒸汽温度等常规参数都无法显示。现场仪表的缺乏导致司炉工无法真正掌握锅炉的运行情况，不能及时调节锅炉燃烧，从而使得热效率长期低于设计值。

基于物联网技术的现场交互式锅炉远程监测***是解决上述问题的一项重要技术方案。通过安装传感器，或者利用锅炉现有传感器，将工业锅炉的实时状态参数采集、分析计算，一方面进行编码并传送至远程管理平台，进一步针对安全及能效指标统计分析，并以互联网为载体向政府机构、使用单位、制造单位等实时动态发布被监测锅炉的运行情况；另一方面通过交互式人机界面向现场操作锅炉的司炉人员显示锅炉实时状态参数，并提供锅炉安全与节能操作的有效建议，指导司炉人员针对性的找出问题所在，优化锅炉运行，使锅炉长期保持最优状态。

发明内容

为了克服上述背景技术的不足，本实用新型的目的是提出一种现场交互式工业锅炉安全与能效监测装置，实现工业锅炉运行状态的现场显示及远程监测。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型包括传感器、多功能电量表、巡检按键、ARM微处理器、模拟信号采集模块、开关信号采集模块、串行通信接口电路、GPRS通信模块、LCD触控显示屏、数据存储模块、电源模块和UPS电源；用于测量温度、压力、流量及含氧量信号的传感器安装在被监测锅炉上，传感器通过信号线将4-20mA的输出信号接入具有16个采样通道的模拟信号采集模块，模拟信号采集模块将传感器信号进行隔离放大后接入ARM微处理器的ADC接口；包括综合报警信号、超压报警信号、高水位信号、低水位信号、运行信号、大火燃烧信号、小火燃烧信号在内的锅炉开关信号由锅炉控制柜内的继电器干接点经开关信号采集模块接入ARM微处理器的IO口；用于现场监管司炉工的巡检按键经开关信号采集模块接入ARM微处理器的IO口；用来测量锅炉耗电量的多功能电量表通过RS485接口经串口通信接口电路接入ARM微处理器的USART接口；用于向工业锅炉远程监测管理平台无线发送监测参数的GPRS通信模块通过USART接口与ARM微处理器连接；用来实时显示锅炉安全与能效状态参数，并与司炉工进行现场人机交互的LCD触控显示屏通过通用IO接口与ARM微处理器连接；集成了大容量SD卡的用来存储锅炉监测参数及锅炉操作运行指导材料的数据存储模块通过SPI接口与ARM微处理器连接；用来产生5V、4.2V、3.3V直流电压的电源模块分别与所述装置的各模块连接；产生24V稳定电能的UPS电源通过继电器连接传感器的电源线。

所述的ARM微处理器为基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103VBT6芯片。

所述的GPRS通信模块采用具有工业标准接口及SMT封装形式的SIM900A无线模块。

所述的LCD触控显示屏为7寸的电容式液晶触摸显示屏集成模块。

与背景技术相比，本实用新型具有的有益效果是：

1、以ARM Cortex-M3内核的微处理器为核心，构成锅炉运行状态数据采集监测装置，直接利用微处理器片内资源集成16路高精度模拟量输入通道及16路光耦隔离开关量安全输入通道，同时具备丰富的接口，整体具备高性能、低功耗、高性价比的特点，易于市场化推广。

2、本装置不仅能向远程管理平台发送被测锅炉的运行参数，同时也能与现场操作的司炉工进行互动，巡检按键能考核司炉工的在岗状态，触摸屏能向司炉工显示所测参数以及故障排除与节能操作指南，通过人机交互第一时间指导司炉工有效掌握锅炉的运行状态，及时排除运行故障，经济安全地操作锅炉运行。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型包括：传感器、多功能电量表、巡检按键、ARM微处理器、模拟信号采集模块、开关信号采集模块、串行通信接口电路、GPRS通信模块、LCD触控显示屏、数据存储模块、电源模块和UPS电源。

用于测量温度、压力、流量及含氧量信号的传感器安装在被监测锅炉上，传感器通过信号线将4-20mA的输出信号接入具有16个采样通道的模拟信号采集模块，模拟信号采集模块将传感器信号进行隔离放大后接入ARM微处理器的ADC接口；包括综合报警信号、超压报警信号、高水位信号、低水位信号、运行信号、大火燃烧信号、小火燃烧信号在内的锅炉开关信号由锅炉控制柜内的继电器干接点经开关信号采集模块接入ARM微处理器的IO口；用于现场监管司炉工的巡检按键经开关信号采集模块接入ARM微处理器的IO口；用来测量锅炉耗电量的多功能电量表通过RS485接口经串口通信接口电路接入ARM微处理器的USART接口；用于向工业锅炉远程监测管理平台无线发送监测参数的GPRS通信模块通过USART接口与ARM微处理器连接；用来实时显示锅炉安全与能效状态参数，并与司炉工进行现场人机交互的LCD触控显示屏通过通用IO接口与ARM微处理器连接；集成了大容量SD卡的用来存储锅炉监测参数及锅炉操作运行指导材料的数据存储模块通过SPI接口与ARM微处理器连接；用来产生5V、4.2V、3.3V直流电压的电源模块分别与所述装置的各模块连接；产生24V稳定电能的UPS电源通过继电器连接传感器的电源线。

ARM微处理器是本装置的核心控制元件，采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103VBT6芯片。该微处理器使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，最高工作频率高达72MHz，内置128 KB Flash程序存储器及20 KB的SRAM，具有100个外部引脚，采用LQFP封装，工作电压为2.0~3.6V，工作温度范围为-40℃~85℃。此外，该微处理器片内集成了大量***设备，包括3个USART，3个16位定时器，1个PWM定时器，2个SPI接口，2个I2C接口，1个USB接口，1个CAN接口，80个通用IO口，2个12位的ADC，可构成16个通道的模拟量同步采样，其性能和使用条件都满足工业锅炉安全与能效参数现场监测的要求。该微处理器在连接上电源、晶振及复位电路后即可以最小***工作。

工业锅炉运行时的物理参数可分为4类，即温度参数，如蒸汽温度、排烟温度、给水温度；压力参数，如蒸汽压力；流量参数，如蒸汽流量、给水流量；氧量参数，如排烟含氧量；用于测量上述物理量的传感器安装在被监测锅炉本体或管道上，传感器由测量探头和变送器组成，输出信号统一采用4-20mA电流信号，电流信号通过信号线接入监测装置的模拟信号采集模块的输入接口。上述传感器可独立安装于锅炉上，也可在获得锅炉使用单位和制造单位的授权许可情况下，部分地采用锅炉自身的传感器，其自身传感器的输出电流信号通过一个1入2出的电流隔离器后接入模拟信号采集模块的输入端。

模拟信号采集模块的作用是对4-20mA的输入信号进行滤波、隔离并放大，避免采集信号传输的故障、失真及干扰。本装置采用ARM微处理器片内集成的12位ADC实现16路模拟量的高精度采样。以单路模拟信号采集通道为例，采用一个10欧姆的精密电阻进行I/V变换，输出的40-200mV的电压信号经RC滤波电路后接入线性光耦芯片HCNR201，隔离输出的电压信号经op07芯片放大后接入ARM微处理器的ADC接口。

工业锅炉远程监测所需的开关量参数主要是一些锅炉自身的开关信息、报警信息，包括综合报警信号、超压报警信号、高水位信号、低水位信号、运行信号、大火燃烧信号、小火燃烧信号，根据具体炉型的不同所监测的开关量信号略有区别，采集方式采用从锅炉控制柜内的继电器或接触器的干接点接入开关信号采集模块的输入端。此外，用于现场监管司炉工的巡检按键也接入开关信号采集模块的输入端，通过巡检按键可考核司炉工的在岗状态，督促司炉工在一定的时间间隔内到锅炉本体旁检查锅炉的运行状态，并按下巡检按键。

开关信号采集模块的作用是对提取的开关信号进行安全隔离，本装置采用光耦隔离芯片TLP181，隔离后的信号直接接入ARM微处理器的通用IO口，实现16通道的开关信号采样。

串行通信接口电路采用MAX485芯片，通过与ARM微处理器的USART接口连接构成2路RS485通信接口。其中一路用于和多功能电量表通信，另一路用于和锅炉主控制器通信，在锅炉制造厂开放通讯协议的情况下，直接从锅炉主控制器提取运行参数。多功能电量表用来测量锅炉运行消耗的总电量，可通过RS485接口向外发送实时电压、电流、功率、功率因素等电参数信号。

GPRS通信模块的作用是向搭建在监管机构的工业锅炉远程监测管理平台无线发送被监测锅炉的实时参数。本装置采用具有工业标准接口及SMT封装形式的SIM900A无线模块来实现。该模块采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 900/1800MHz，可以以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输，适合低成本、紧凑尺寸的开发要求。SIM卡通过SIM卡接口电路和GPRS通信模块连接，GPRS通信模块通过USART接口与ARM微处理器连接，采用SIM900A集成的AT指令实现GPRS通信模块和ARM微处理器的交互。

LCD触控显示屏的作用是实时显示采集及计算出的锅炉安全与能效状态参数，并与司炉工进行现场人机交互，采用7寸的电容式液晶触摸显示屏集成模块，该模块通过通用IO接口与ARM微处理器连接。实时显示的锅炉安全与能效状态参数的包括直接监测的锅炉参数，如排烟温度、排烟氧量等，由微处理器间接计算和判断出的参数，如热效率、过量空气系数、能效报警信号等。此外，当所测锅炉出现故障或运行报警时，可通过操作触摸屏访问存储在数据存储模块中的锅炉故障排除及安全经济运行操作指导材料，帮助司炉工现场排除故障，正确安全地操作锅炉。

数据存储模块的作用是存储锅炉的实时监测参数以及锅炉操作运行指导材料，采用大容量SD卡，方便指导材料的更新，SD卡通过SD卡接口电路与ARM微处理器的SPI接口连接。锅炉操作运行指导材料的形式以文字和图片为主。存储的实时监测参数为最近1000条的采集记录。

电源模块为本装置的各模块提供稳定的工作电压，采用LM2596S和LM1117-3.3芯片产生5V、4.2V、3.3V的直流电压，分别向采集模块、GPRS通讯模块、ARM***等提供电能。

UPS电源用来产生24V的稳定电压，一方面作为电源模块的输入，另一方面向传感器供电。在传感器和UPS电源之间连接有用来控制供电线路通断的继电器，作用是在微控制器检测到锅炉熄火停炉时及时切断传感器供电，以延长易耗型传感器的使用寿命。UPS电源采用带铅酸蓄电池的开关电源，具备一定的续电能力。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种现场交互式工业锅炉安全与能效监测装置，其特征在于：包括传感器、多功能电量表、巡检按键、ARM微处理器、模拟信号采集模块、开关信号采集模块、串行通信接口电路、GPRS通信模块、LCD触控显示屏、数据存储模块、电源模块和UPS电源；用于测量温度、压力、流量及含氧量信号的传感器安装在被监测锅炉上，传感器通过信号线将4-20mA的输出信号接入具有16个采样通道的模拟信号采集模块，模拟信号采集模块将传感器信号进行隔离放大后接入ARM微处理器的ADC接口；包括综合报警信号、超压报警信号、高水位信号、低水位信号、运行信号、大火燃烧信号、小火燃烧信号在内的锅炉开关信号由锅炉控制柜内的继电器干接点经开关信号采集模块接入ARM微处理器的IO口；用于现场监管司炉工的巡检按键经开关信号采集模块接入ARM微处理器的IO口；用来测量锅炉耗电量的多功能电量表通过RS485接口经串口通信接口电路接入ARM微处理器的USART接口；用于向工业锅炉远程监测管理平台无线发送监测参数的GPRS通信模块通过USART接口与ARM微处理器连接；用来实时显示锅炉安全与能效状态参数，并与司炉工进行现场人机交互的LCD触控显示屏通过通用IO接口与ARM微处理器连接；集成了大容量SD卡的用来存储锅炉监测参数及锅炉操作运行指导材料的数据存储模块通过SPI接口与ARM微处理器连接；用来产生5V、4.2V、3.3V直流电压的电源模块分别与所述装置的各模块连接；产生24V稳定电能的UPS电源通过继电器连接传感器的电源线。

2.根据权利要求1所述的一种现场交互式工业锅炉安全与能效监测装置，其特征在于：所述的ARM微处理器为基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103VBT6芯片。

3.根据权利要求1所述的一种现场交互式工业锅炉安全与能效监测装置，其特征在于：所述的GPRS通信模块采用具有工业标准接口及SMT封装形式的SIM900A无线模块。

4.根据权利要求1所述的一种现场交互式工业锅炉安全与能效监测装置，其特征在于：所述的LCD触控显示屏为7寸的电容式液晶触摸显示屏集成模块。