CN110646045B - 一种煤粉浓度流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤粉浓度流量测量装置及方法，主要是基于当前较为前沿的嵌入式ARM Cortex‑M7系列芯片，根据火力发电对煤粉测量的实际需求，使用“交流双频矩形波励磁环状复合式静电离子感应”传感器测量煤粉的流量、浓度和颗粒大小。本系统大致分为传感器数据采集端、嵌入式接收端和上位机数据分析端三部分。嵌入式设备通过RS‑485总线接收传感器信号，通过以太网将数据传输到上位机，电脑端使用上位机接收数据并显示，实现对锅炉风粉的在线调平，提高锅炉运行的安全性和经济性。最后，保存所有数据到当前目录，以便后期观察，也可用于以后机器学习的数据来源。

Description

一种煤粉浓度流量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种煤粉浓度流量测量装置及方法，属于工业煤粉浓度流量测量技术。

背景技术

当今社会必然离不开电能，但电的主要来源还是火力发电。火力发电需要消耗大量的煤炭，如何提高煤的利用率是很关键的。煤炭的完全燃烧需要控制好煤粉和空气的进入比例，如何测量煤粉的进入量成为关键问题。为了使煤炭能更加充分燃烧，就需要增加煤炭和空气的接触面积，使煤粉磨成粉末是最佳的方法。在传统火力发电当中，通过皮带秤测量煤粉的重量，来获取当前锅炉的进煤量，但这种方法存在一定的误差。煤粉经过鼓风机与空气混合之后，无法均匀的进入锅炉，就无法精确测量当前时刻的进煤量。

近些年来随着数字传感器技术的发展，出现了如HPS-3100之类的传感器，HPS-3100使用具有强大抗干扰能力的485总线通信，可以更好地在工业生产等恶劣稳定工作，不必因产生误码而产生数据分析错误，并且可以同时使用4个传感器和嵌入式设备连接，有助于发挥嵌入式系统的强大性能。HPS-3100新型传感器不仅能实现煤粉浓度流量的非接触测量，同时可以通过与微控制器相连将数据无线传输至监控端记录数据，更加符合工业自动化的要求，有助于工业自动化的实现。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种煤粉浓度流量测量装置及方法，可以适用于工厂或锅炉设备中粉浓度流量测量技术。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种煤粉浓度流量测量装置，包括传感器数据采集端、嵌入式接收端和上位机数据分析端三部分。传感器数据采集端将传感器采集到的数据通过RS-485总线传输至嵌入式数据接收端，嵌入式数据接收端首先将接收到的数据存储起来，然后通过以太网接口传输给PC端上位机，上位机端对原始数据分析后显示浓度、流量、颗粒大小、横截面、煤粉量等数据，并计算出当前的煤粉量，显示到折线图上。

所述传感器数据采集端包括传感器HPS-3100，所述嵌入式接收端包括微处理器STM32F767IGT6，外部SRAM W9825G6KH，以太网芯片LAN8720A和以太网接口插座RJ45。所述传感器HPS-3100通过485总线将所采集数据传输至嵌入式接收端；所述外部SRAM与微处理器之间通过FSMC地址总线和数据总线相连；所述以太网芯片与微处理器之间通过RMII接口传输数据，与所述以太网接口插座之间通过两对发送和接收差分线传输数据。

所述嵌入式接收端与PC机通过各自的RJ45接口使用网线连接起来，两者使用以太网进行数据传输通信。所述PC上位机基于Qt编写，上位机软件具有显示浓度、流量、颗粒大小、横截面、煤粉量等数据的功能，同时能够绘制煤粉通过量变化的折线图，以便专业操作人员进行分析，调整煤粉的进入量和空气的比例。

本发明还公开了上述煤粉浓度流量测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：传感器数据采集端进行初始化，检测数据采集端485总线接口传出数据是否正确；若数据开始传输且传输正确，则进入步骤2；否则，返回步骤1。

步骤2：嵌入式接收端开始工作后，开始初始化485通信总线，配置为接收模式并启用DMA，STM32F767IGT6微处理器芯片检测485总线是否初始化成功：若初始化成功，则进入步骤3；否则，打印错误，返回步骤2。

步骤3：嵌入式接收端开始工作后，开始初始化外部SRAM，在其中分配对应的内存缓冲区，STM32F767IGT6微处理器检测分配内存返回代码：若为分配正确代码，则进入步骤4；否则，打印错误，返回步骤3。

步骤4：内存分配返回分配成功代码，表示成功分配了可以使用的缓冲区，接着初始化UCOSIII操作系统，STM32F767IGT6微处理器芯片检测操作系统内核初始化返回代码：若为成功代码，则进入步骤5；否则，结束嵌入式程序运行，抛出异常。

步骤5：微处理器接收到UCOSIII初始化成功代码，接着判断LAN8720A的RMII接口是否配置成功：若配置成功，则进入步骤6；否则，返回步骤5。

步骤6：RMII接口配置成功，表示嵌入式接收端以太网初始化成功，然后打开上位机，配置上位机服务器端IP地址、端口号和子网掩码等信息，开始侦听对应端口，检查上位机服务器端是否侦听成功：若侦听成功，则进入步骤7；否则，返回步骤6，上位机服务器端不断尝试侦听，直到侦听成功。

步骤7：上位机服务器端侦听成功，表示可以允许嵌入式下位机进行连接，这时需要配置嵌入式接收端即TCP客户端的IP地址、子网掩码、网关等信息，选择对应于服务器的端口号，进行TCP连接，然后检查TCP客户端是否连接成功：若连接成功，则进入步骤8；否则，不断重复尝试连接至上位机服务器，返回步骤7。

步骤8：TCP客户端初始化成功，STM32F767IGT6微处理器开启485总线的DMA控制器以进行DMA传输，等待一次DMA数据传输至缓冲区完成；若DMA传输了有效数据，则进入步骤9；否则，返回步骤8，等待DMA传输完成。

步骤9：微处理器接收到DMA中断，说明DMA缓冲区已满，需要对缓冲区进行处理以进行下一次有效数据传输，MCU将当前已满缓冲区中的内容写入外部SRAM对应空闲区域，进入步骤10。

步骤10：UCOSIII以太网发送任务判断外部SRAM缓冲区下一个位置是否有数据：若有有效数据，则取出FIFO缓冲区中对应位置数据并将缓冲区中数据进行重新封装，转换成嵌入式端和上位机端事先商量好的封装数据的格式存放在新开辟的临时缓冲区中，然后MCU将当前缓冲区中的有效数据附加显示在LCD上，接着通过以太网发送接口循环将缓冲区数据发送至上位机服务器，进入步骤11。

步骤11：嵌入式端有采集的数据通过网线传输到PC，则需要查看上位机端客户端的连接情况，当嵌入式客户端连接成功后，开始有煤粉相关的多项数据如浓度、流量、颗粒大小、横截面、煤粉量等被传到上位机，这时上位机端就会从原始数据包中解析数据并显示在界面相应区域，同时计算并绘制煤粉通过量变化的折线图，同样将其显示在界面上方。

有益效果：

本发明针对传统火力发电当中，通过皮带秤测量煤粉的重量来获取当前锅炉的进煤量的过程中误差大、速度慢、测量精度低的缺点，提出了一种基于嵌入式设备，并使用HPS-3100传感器测量煤粉浓度流量的方法，该方法不用人工测量煤粉重量等参数，通过传感器非接触实时测量，不需要人员去现场实测，节省了人力资源，提高工人们的工作效率，并提升了测量的精度和实时性，很好地克服了传统的皮带秤传感器在测量上的弊端。同时比起传统的皮带秤传感器，HPS-3100能更加精确的测量煤粉的进入量，控制鼓风机的运转，控制煤粉的进入量和空气的比例，使煤粉在锅炉中完全燃烧，高效并且环保，煤粉完全燃烧可以提高能量转换效率，并且可以减少环境污染，一举两得。

附图说明

图1 为本发明系统架构示意图；

图2为本发明的系统连接示意图；

图3为本发明上位机端运行示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所述的一种煤粉浓度流量测量装置，包括传感器数据采集端、嵌入式接收端和上位机数据分析端。传感器数据采集端首先接收HPS-3100采集的煤粉浓度流量数据。在传感器数据采集端接收到传感器的数据后，通过485总线稳定地远距离传送数据到嵌入式接收端。

嵌入式接收端通过相应的485总线接口读入数据，并且将485总线信号转换成嵌入式端识别的信号从而读入前端传感器采集的原始数据。其中具体接收是通过485配置DMA传输完成的：嵌入式接收端主控芯片首先使用DMA（Direct Memory Access）方式将485总线中的原始数据传输至MCU内存，接着以太网发送任务循环检测SRAM中有效位置数据是否存在，若有数据则读取SRAM第一个有效位置内数据通过TCP经过网线传输给上位机，上位机端对原始煤粉数据流分析后从中提取并计算出浓度、流量、颗粒大小、横截面、煤粉量几部分数据，分别显示在界面对应区域，随后绘制煤粉通过量变化的折线图在界面上显示。

所述嵌入式接收端485总线与MCU内存之间的数据传输采用DMA双缓冲模式实现，首先需要先在MCU内存开辟所用双缓冲区。在双缓冲模式下，当DMA控制器填充其中一个内存缓冲区时，MCU可以对另一个已满的缓冲区数据进行复制或者其他操作，如此循环，直到一次传输结束。DMA完全由硬件实现，在DMA传输时MCU可以运行其他系统任务，加快了485总线传输速度，减少了传输过程中因阻塞而造成的数据丢失情况。

由于DMA传输到内存在复制到外部SRAM速度较快，如果等待以太网将当前缓冲区数据发送结束再等待485总线传输并填充当前缓冲区，传输会遭到阻塞，从而可能造成原始采集数据的丢失，为了增大传输速率并尽可能地存储所有485传输的数据，所述MCU内存数据复制到外部SRAM和以太网从外部SRAM中读取数据采用了FIFO（First In First Out）算法。FIFO相当于构造了一个循环队列，需要设置FIFO位置的个数和每个位置可存放数据的大小，队列有两个指针：一个写指针标识当前可以写入的下一个空闲位置，一个读指针标识当前第一个有效数据所处的位置，写指针和读指针在每进行一次操作后会向前进一位，同时读指针一定要比写指针慢，否则读取失败，如此循环进行，则可以最大程度地提高传输速率和加大嵌入式接收端缓存的原始数据量。

因为嵌入式接收端在系统中充当客户端，所以在嵌入式接收端能够将数据传输至上位机端之前，需要先打开上位机服务器端进行侦听相应的端口，如图3的上位机运行流程所示。在等待上位机监听成功相应端口并且嵌入式接收端成功连接到服务器后，上位机会在软件当前文件夹中生成“data”文件夹，用于保存下位机发送过来的数据，文件的命名格式为“年月日时分秒.csv”，文件会以 Excel表格的格式打开，当下位机发送完数据后，会保存数据到之前创建的文件。

根据图2，所述嵌入式端将接收到的数据通过以太网口传输给上位机，其通过以太网传输的数据并不是外部SRAM中原始数据，而是先从原始数据中提取并根据固定参数计算出煤粉浓度相关的数据，然后按照浓度、流速、颗粒大小顺序复制到封装好的一个新的缓冲区中的数据。在所述嵌入式接收端传输了数据后就可由上位机进行数据的接收和解析工作。

所述嵌入式接收端通过485总线接收的数据是二进制的原始数据，以太网接收的也是字节数据，因此需要从重新封装的数据包中提取出传感器采集的有用数据。根据上述提到的数据包封装格式，一个以太网传输数据包中的数据按照浓度、流速、颗粒大小的顺序排列，因此在提取原始数据时只需先以数据包为单位将原始数据分包，然后再在每个包中按照规定的数据传输顺序提取数据中相应位置的数据并转换成十进制数据显示在屏幕显示。

经过所述嵌入式设备封装并通过以太网传输的数据有浓度、流速、颗粒大小，它们的单位分别是%，m/s，g/m^3，同时锅炉的横截面是一个固定值，在实际设备上测量后将只需将其值填入上位机界面上相应字段，单位是m^2，这样总的煤粉量就能由上面提及的4个参数相乘在上位机软件上算出，单位是g/s，在操作员填入横截面的值后煤粉量会自动计算并显示在界面上不断更新。如图3，在总的煤粉量被计算出后，相应的煤粉通过量变化的折线图也会不断更新，每秒钟会有两个采集值被显示在折线图上，同时这些值也会存储到所属嵌入式接收端网络连接成功后创建的Excel表格中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种煤粉浓度流量测量装置的测量方法，其特征在于：所述的测量方法是基于测量装置实现的，所述的测量装置包括传感器数据采集端、嵌入式接收端和上位机数据分析端三部分；传感器数据采集端将传感器采集到的数据通过RS-485总线传输至嵌入式数据接收端，嵌入式数据接收端首先将接收到的数据存储起来，然后通过以太网接口传输给PC端上位机，上位机端对原始数据分析后显示浓度、流量、颗粒大小、横截面、煤粉量数据，并计算出当前的煤粉量，显示到折线图上；所述传感器数据采集端包括传感器HPS-3100，所述嵌入式接收端包括微处理器STM32F767IGT6，外部SRAM W9825G6KH，以太网芯片LAN8720A和以太网接口插座RJ45；所述传感器HPS-3100通过485总线将所采集数据传输至嵌入式接收端；所述外部SRAM与微处理器之间通过FSMC地址总线和数据总线相连；所述以太网芯片LAN8720A与微处理器之间通过RMII接口传输数据，与所述以太网接口插座RJ45之间通过两对发送和接收差分线传输数据；所述嵌入式接收端与PC机通过各自的RJ45接口使用网线连接起来，两者使用以太网进行数据传输通信，所述PC上位机基于Qt编写，上位机软件具有显示浓度、流量、颗粒大小、横截面、煤粉量数据的功能，同时能够绘制煤粉通过量变化的折线图，以便专业操作人员进行分析，调整煤粉的进入量和空气的比例；其测量方法具体包括如下步骤：

步骤1：传感器数据采集端进行初始化，检测数据采集端485总线接口传出数据是否正确；若数据开始传输且传输正确，则进入步骤2；否则，返回步骤1；

步骤2：嵌入式接收端开始工作后，开始初始化485通信总线，配置为接收模式并启用DMA，STM32F767IGT6微处理器芯片检测485总线是否初始化成功：若初始化成功，则进入步骤3；否则，打印错误，返回步骤2；

步骤3：嵌入式接收端开始工作后，开始初始化外部SRAM，在其中分配对应的内存缓冲区，STM32F767IGT6微处理器检测分配内存返回代码：若为分配正确代码，则进入步骤4；否则，打印错误，返回步骤3；

步骤4：内存分配返回分配成功代码，表示成功分配了可以使用的缓冲区，接着初始化UCOSIII操作系统，STM32F767IGT6微处理器芯片检测操作系统内核初始化返回代码：若为成功代码，则进入步骤5；否则，结束嵌入式程序运行，抛出异常；

步骤5：微处理器接收到UCOSIII初始化成功代码，接着判断LAN8720A的RMII接口是否配置成功：若配置成功，则进入步骤6；否则，返回步骤5；

步骤6：RMII接口配置成功，表示嵌入式接收端以太网初始化成功，然后打开上位机，配置上位机服务器端IP地址、端口号和子网掩码信息，开始侦听对应端口，检查上位机服务器端是否侦听成功：若侦听成功，则进入步骤7；否则，返回步骤6，上位机服务器端不断尝试侦听，直到侦听成功；

步骤7：上位机服务器端侦听成功，表示可以允许嵌入式下位机进行连接，这时需要配置嵌入式接收端即TCP客户端的IP地址、子网掩码、网关信息，选择对应于服务器的端口号，进行TCP连接，然后检查TCP客户端是否连接成功：若连接成功，则进入步骤8；否则，不断重复尝试连接至上位机服务器，返回步骤7；

步骤8：TCP客户端初始化成功，STM32F767IGT6微处理器开启485总线的DMA控制器以进行DMA传输，等待一次DMA数据传输至缓冲区完成；若DMA传输了有效数据，则进入步骤9；否则，返回步骤8，等待DMA传输完成；

步骤9：微处理器接收到DMA中断，说明DMA缓冲区已满，需要对缓冲区进行处理以进行下一次有效数据传输，MCU将当前已满缓冲区中的内容写入外部SRAM对应空闲区域，进入步骤10；

步骤10：UCOSIII以太网发送任务判断外部SRAM缓冲区下一个位置是否有数据：若有有效数据，则取出FIFO缓冲区中对应位置数据并将缓冲区中数据进行重新封装，转换成嵌入式端和上位机端事先商量好的封装数据的格式存放在新开辟的临时缓冲区中，然后MCU将当前缓冲区中的有效数据附加显示在LCD上，接着通过以太网发送接口循环将缓冲区数据发送至上位机服务器，进入步骤11；

步骤11：嵌入式端有采集的数据通过网线传输到PC，则需要查看上位机端客户端的连接情况，当嵌入式客户端连接成功后，开始有煤粉相关的多项数据如浓度、流量、颗粒大小、横截面、煤粉量等被传到上位机，这时上位机端就会从原始数据包中解析数据并显示在界面相应区域，同时计算并绘制煤粉通过量变化的折线图，同样将其显示在界面上方。

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