CN107607046B - 一种基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统，包括若干监测节点、通信主站和总线转换模块；监测节点包括膨胀传感器模块和通信模块，膨胀传感器模块和通信模块相连；若干监测节点中的通信模块通过塑料光纤顺次串接后，再通过总线转换模块串接通信总站，若干监测节点和所述通信主站形成闭环的光纤环网；总线转换模块用来进行通信模块和塑料光纤环网的双向通信、以及塑料光纤环网与通信主站的数据交换；通信主站用来采集、存储和显示各膨胀监测点的实时膨胀数据。本发明以塑料光纤作为信号传输介质，采用塑料光纤将若干膨胀监测节点和通信主站串联形成光路环网，能够有效完成锅炉膨胀参数的测量、采集、传输、存储和监视。

Description

一种基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统

技术领域

本发明属于锅炉监测技术领域，具体是一种基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统。

背景技术

在锅炉启动和停炉的控制上，一旦温度变化过快，很容易导致锅炉水冷壁管屏与集箱间产生较大的膨胀差，从而发生拉裂事故。锅炉热膨胀程度是电站锅炉监测的关键参数之一。实现锅炉热膨胀参数准确实时监测，对保障电站运行安全有重要作用。

目前，对于锅炉膨胀监测技术的研究情况如下：

公告号为CN205375118U、名称为《基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统》的中国专利，其公开的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，包括监测装置与数据收发装置，监测装置和数据收发装置间采用无线通信。这种方式尽管能减少布线，但是无线信号易受到现场设备的电磁干扰，且无线信号对障碍物穿透能力有限，容易受到屏蔽和干扰。在环境复杂、电磁干扰源较多的工业现场，该锅炉膨胀监测系统的数据传输可靠性不高。

公告号为CN104832906A、名称为《一种锅炉膨胀检测监控系统》的中国专利，其公开的锅炉膨胀检测监控系统采用分层网络结构，该锅炉膨胀检测监控系统采用CAN总线协议，通过中继模块将数据采集模块采集的监测数据汇总后发送给监控模块。但该锅炉膨胀检测监控系统采用的星形拓扑结构布线量大，各监测点均需与中继模块连接，大大提高了安装和维护成本，增加了锅炉厂房环境的复杂性。而且，由于锅炉上的监测点数量多，数据在中继模块处形成瓶颈，数据处理负担重。中继模块的故障会导致整个膨胀监测系统的崩溃，危害电站运行安全。

目前电厂中广泛使用的通信介质为双绞线。双绞线通信网络成本低、技术上易实现，有一定的抗电磁干扰能力，但是对于强电磁干扰不能很好地屏蔽。而且随信号频率增高，双绞线的传输衰减随之提高。火力发电厂的工作环境十分恶劣，对电子设备的干扰源较多，各种高电压、大电流、大电感设备周围都存在很强的电磁场。

光纤传输具有频带宽、重量轻、抗干扰能力强的特点，特别是能够完全不受电磁、无线电干扰。而塑料光纤作为一种新型通信介质，与石英光纤相比，具有芯径大、接口结构设计简单、续接成本低、重量轻、绕曲性好、易弯折的优点，可以作为锅炉车间膨胀监测这一工业现场短距离通信网的理想通信介质。采用光纤环网传输，可以减少工业现场的布线量，增强信号的抗电磁干扰性、降低系统的安装和维护成本，同时提高监测系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统，该系统可增强信号的抗电磁干扰性，有效提高通信可靠性，降低安装和维护成本。

本发明的技术方案如下：

一种基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统，包括若干监测节点、通信主站和总线转换模块；

所述监测节点包括膨胀传感器模块和通信模块，膨胀传感器模块和通信模块相连，所述膨胀传感器模块用来获取锅炉监测点处的膨胀数据；

若干监测节点中的通信模块通过塑料光纤顺次串接后，再通过总线转换模块串接通信总站，所述若干监测节点和所述通信主站形成闭环的光纤环网；

所述总线转换模块用来进行通信模块和塑料光纤环网的双向通信、以及塑料光纤环网与通信主站的数据交换；

所述通信主站用来采集、存储和显示各膨胀监测点的实时膨胀数据。

进一步的，所述膨胀传感器模块包括位移传感器单元、微控制器、存储单元、CAN控制器和电源单元，位移传感器单元、存储单元、CAN控制器均连接微控制器，所述CAN控制器还连接通信模块，电源单元用来给位移传感器单元和微控制器提供电能；

所述位移传感器单元包括环形底座和均匀分布于环形底座上的3～6个拉线编码器，环形底座布设于锅炉的膨胀监测点处，各拉线编码器的拉绳的端头均固定于膨胀监测点处；各拉线编码器均连接微控制器；

所述各拉线编码器用来监测各拉绳的直线位移量；

所述微控制器用来根据各拉绳的直线位移量估算以各拉线编码器和膨胀监测点为顶点的多面体的体积，即膨胀量；

所述CAN控制器用来对直线位移量和膨胀量进行信号转换，并发送至所述通信模块；

所述存储单元用来存储直线位移量和膨胀量。

进一步的，所述通信模块包括接口电路和光收发器，所述光收发器包括光发送器和光接收器；所述接口电路包括与非门、或门、与门和延迟器，输出信号同时连接与门的输入、与非门的输入以及延迟器的输入；与非门的另一路输入连接延时器的输出；与非门的输出连接或门的输入，或门的另一路输入连接光接收器；输入信号与或门的输出、与门的输入相连；与门的输出连接光发送器；

当前监测节点中，光发送器通过塑料光纤连接下游监测节点的光接收器，光接收器通过塑料光纤连接上游监测节点的光发送器。

进一步的，所述总线转换模块包括USB-CAN接口卡、CAN控制器、CAN收发器和光收发器，CAN收发器、光收发器均连接CAN控制器，CAN收发器通过USB-CAN接口卡连接通信主站，光收发器连接上游监测节点和下游监测节点的通信模块。

进一步的，所述通信主站为工业计算机，置于中控室，其通过RS485接口连接外界的DCS系统。

和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

(1)本发明以塑料光纤作为信号传输介质，采用塑料光纤将若干膨胀监测节点和通信主站串联形成光路环网，能够有效完成锅炉膨胀参数的测量、采集、传输、存储和监视。

(2)膨胀传感器模块由均匀分布于环形底座上的3～6个拉线编码器组成，采用测量近似体积的方式测量膨胀值，与现有技术相比测量结果更加准确、直观。

(3)通信主站通过485接口与DCS系统连接，为后期锅炉自动化控制系统升级提供支持。

(4)采用环网组网方式，与现有技术相比减少了布线量，同时提高了数据传输的可靠性。改善了现有系统布线量大、数据传输可靠性低的问题。提高了电站锅炉厂间运行的安全性、可靠性。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图；

图2为实施例中膨胀传感器模块的具体结构框图；

图3为实施例中位移传感器单元的结构示意图；

图4为本发明通信模块的结构示意图；

图5为本发明中通信主站的结构示意图。

图中，1-环形底座，201-第一拉线编码器，202-第二拉线编码器，203-第三拉线编码器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不作为本发明的限定。在没有背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

见图1，本发明系统包括若干监测节点、通信主站和总线转换模块；所述监测节点包括膨胀传感器模块和通信模块，膨胀传感器模块和通信模块相连，所述膨胀传感器模块用来获取锅炉监测点处的膨胀数据；若干监测节点中的通信模块通过塑料光纤顺次串接后，再通过总线转换模块串接通信总站，所述若干监测节点和所述通信总站形成闭环的光纤环网。所述膨胀传感器模块安装于锅炉监测点，用于获取监测点的膨胀数据。

本具体实施方式中，通信模块用来实现CAN链路层和物理层的协议功能，消除环网自锁现象，并实现光信号和电信号的转换。总线转换模块用来实现CAN总线信号和USB总线信号的双向转换以及光信号和电信号的双向转换。通信主站通过总线转换模块，采集、存储并显示各监测节点获取的膨胀数据，并将膨胀数据通过RS485接口传送到DCS系统。

见图2，所述膨胀传感器模块包括位移传感器单元、微控制器、存储单元、CAN控制器和电源单元，位移传感器单元、存储单元、CAN控制器均连接微控制器，所述CAN控制器还连接通信模块，电源单元用来给位移传感器单元和微控制器提供电能。

见图3，本实施例中，所述位移传感器单元包括环形底座1和均匀布设环型底座上的三个拉线编码器，分别记为第一拉线编码器201、第二拉线编码器202、第三拉线编码器203，第一拉线编码器201、第二拉线编码器202、第三拉线编码器203分别布设于环形底座1上的点A、B、C处，点A、B、C构成一等边三角形，其边长记为l。

膨胀监测点膨胀时，拉绳位移通过拉线编码器内拉线盒的转动鼓转换为旋转运动，通过拉线编码器得到三个拉绳的位移量a、b、c。由于环型底座固定，膨胀监测点的膨胀量可近似用四面体O-ABC的体积表示。已知四面体O-ABC的六条边长，利用欧拉四面体体积公式计算四面体O-ABC的体积V_O-ABC：

式(1)中，X＝b²+c²-l²，Y＝c²+a²-l²，Z＝a²+b²-l²。

本实施例中，所述拉线编码器为E6B2-CWZ6C型拉线编码器。

本发明位移传感器单元通过固定于膨胀监测点上的环形底座带动拉线编码器内的齿轮转动，拉线编码器将齿轮的角位移转化为拉绳的直线位移，并传给微控制器。微控制器根据拉绳的直线位移计算膨胀量。本发明中，位移传感器单元中拉线编码器的数量并不限于3个，拉线编码器的数量优选为3～6个。不管拉线编码器的数量为多少，本发明中微控制器用来计算以各拉线编码器和膨胀监测点为顶点的多面体的体积，并将该体积作为监测的膨胀量。

所述膨胀传感器模块布置于锅炉的膨胀监测点，例如省煤器入口集箱、末级过热器出口集箱、低温再热器入口集箱、末级再热器出口集箱等。当膨胀监测点处受热膨胀时，所述拉线编码器将监测的拉绳的直线位移量传给微控制器，微控制器根据直线位移量解析膨胀量，并将直线位移量和膨胀量发送给CAN控制器，同时存储于存储单元内。发生故障时，运行人员可查验存储单元所存储的数据，分析故障原因。CAN控制器用来将微控制器输出的RS-232信号转换成CAN信号后，发送至通信模块。

本实施例中，存储单元选用SD卡，微控制器通过SPI方式将数据写入存储单元；微控制器选用带有CAN控制器功能的STM32F103RCT6型MCU。

见图4，所述通信模块包括接口电路和光收发器，所述光收发器包括光发送器和光接收器。直接利用CAN控制器的CAN_TX和CAN_RX电平信号通过逻辑门运算后，驱动光收发器工作，从而实现与光纤环网的连接。本发明通信模块无需使用CAN收发器，降低了成本。CAN控制器的CAN_TX电平信号同时连接与门的输入、与非门的输入以及延迟器的输入；与非门的另一路输入连接延时器的输出；与非门的输出连接或门的输入，或门的另一路输入连接光接收器；CAN控制器的CAN_RX电平信号同时连接或门的输出、与门的输入；与门的输出连接光发送器；

当前监测节点中，光发送器通过塑料光纤连接下游监测节点的光接收器，光接收器通过塑料光纤连接上游监测节点的光发送器。本发明中，监测节点不会接收和转发自己发出的报文信号。

本实施例中，逻辑门通过可编程逻辑器件(programmable logic device,PLD)实现，延时器通过RC电路实现；光发送器为Firecomms公司生产的FT05MHNR光发送器，光接收器为Firecomms公司生产的FR05MHIR光接收器，工作波长为650nm，温度范围为-40℃～+85℃。塑料光纤发送端使用SN75451作为电流驱动器，为光发送器提供电流信号。塑料光纤发送端使用TC7SU04F作为反相器，将TX反相后转换成光信号。

延时器中，延时时间的设置关系到系统能否有效消除自锁效应，延时时间根据环路延时和总线波特率，并利用时序逻辑图决定。例如，对总线波特率125kbit，即位周期Delay1，环路延时Delay2)500nm的系统，延时时间(Delay)应小于8us，大于环路延时500nm。

本实施例中，所述总线转换模块由USB-CAN接口卡、CAN控制器、CAN收发器、650nm光收发器构成，CAN收发器、650nm光收发器均连接CAN控制器，其中，CAN收发器通过USB-CAN接口卡连接DCS系统，650nm光收发器连接上游监测节点和下游监测节点通信模块。总线转换模块的功能是实现USB总线协议与CAN总线协议的透明数据交换。可实现与所有监测节点的双向通信，以及与PC机间的快速数据交换。当有监测节点发送数据到CAN总线上时，所述总线转换模块将CAN数据信息接收并在通信主站上进行实时监视和处理；当通信主站有命令消息需要发布时，实现相应转发功能。

见图5，所述通信主站具体为一工业计算机，包括CPU、电源、存储器、通信接口、外设、RS485接口和拓展接口。通信主站的通信接口用于连接外设和接收现场信号。RS485接口用于连接DCS系统。

通信主站功能是采集并显示各监测节点的膨胀数据，并且将分析结果按照Modbus协议整理打包后，通过RS485接口传送到DCS通信装置中。

下面将提供本发明系统的工作流程。

本发明系统启动时，通信主站和各监测节点初始化，各监测节点开始按周期向总线发回测点的膨胀数据。当膨胀超限或膨胀受阻时，监测节点自动进入报警流程，即通过通信模块将报警信息上传至光纤环网，通信主站收到报警信息后，提示运行人员采取措施。

将本发明应用于工程实际，能方便运行人员实时、直观地了解锅炉设备的膨胀情况，可提高火电厂运行的安全性和自动化水平。另外，本发明系统能够准确测量并记录锅炉关键测点的实时膨胀参数，并提供事故报警功能；本发明能够与火电厂现有DCS系统进行通信，具有良好的兼容性；本发明具有拓展接口，便于以后的维护与升级；本发明采用测量近似体积的方法测量膨胀值，测量结果更加准确、直观；本发明使用塑料光纤作为通信传输介质，完全不受火电厂的强电磁干扰影响，进一步提高了数据传输的稳定性、可靠性；本发明直接利用CAN_TX和CAN_RX电平信号驱动光纤收发器，装置中无需使用CAN收发器，降低了系统成本。使用逻辑电路作为环网组网的接口电路，消除光纤环网的自锁现象。

Claims (4)

1.一种基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统，其特征是，包括：

若干监测节点、通信主站和总线转换模块；

所述监测节点包括膨胀传感器模块和通信模块，膨胀传感器模块和通信模块相连，所述膨胀传感器模块用来获取锅炉监测点处的膨胀数据；

若干监测节点中的通信模块通过塑料光纤顺次串接后，再通过总线转换模块串接通信主站，所述若干监测节点和所述通信主站形成闭环的光纤环网；

所述总线转换模块用来进行通信模块和塑料光纤环网的双向通信、以及塑料光纤环网与通信主站的数据交换；

所述通信主站用来采集、存储和显示各膨胀监测点的实时膨胀数据；

所述膨胀传感器模块包括位移传感器单元、微控制器、存储单元、CAN控制器和电源单元，位移传感器单元、存储单元、CAN控制器均连接微控制器，所述CAN控制器还连接通信模块，电源单元用来给位移传感器单元和微控制器提供电能；

所述位移传感器单元包括环形底座和均匀分布于环形底座上的3～6个拉线编码器，环形底座布设于锅炉的膨胀监测点处，各拉线编码器的拉绳的端头均固定于膨胀监测点处；各拉线编码器均连接微控制器；

所述各拉线编码器用来监测各拉绳的直线位移量；

所述微控制器用来根据各拉绳的直线位移量估算以各拉线编码器和膨胀监测点为顶点的多面体的体积，即膨胀量；

所述CAN控制器用来对直线位移量和膨胀量进行信号转换，并发送至所述通信模块；

所述存储单元用来存储直线位移量和膨胀量。

2.如权利要求1所述的基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述通信模块包括接口电路和光收发器，所述光收发器包括光发送器和光接收器；所述接口电路包括与非门、或门、与门和延迟器，其中，膨胀传感器模块的两路电平信号，输出信号同时连接与门的输入、与非门的输入以及延迟器的输入；与非门的另一路输入连接延时器的输出；与非门的输出连接或门的输入，或门的另一路输入连接光接收器；输入信号与或门的输出、与门的输入相连；与门的输出连接光发送器；

当前监测节点中，光发送器通过塑料光纤连接下游监测节点的光接收器，光接收器通过塑料光纤连接上游监测节点的光发送器。

3.如权利要求1所述的基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述总线转换模块包括USB-CAN接口卡、CAN控制器、CAN收发器和光收发器，CAN收发器、光收发器均连接CAN控制器，CAN收发器通过USB-CAN接口卡连接通信主站，光收发器连接上游监测节点和下游监测节点的通信模块。

4.如权利要求1所述的基于塑料光纤环网的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述通信主站为工业计算机，置于中控室，其通过RS485接口连接外界的DCS系统。