CN205375118U - 基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，包括：设于各监测点的监测装置、数据收发装置和监控终端，其中：监测装置通过三维定位机构和第一微控制器监测锅炉膨胀数据，并通过无线通信模块将锅炉膨胀数据发送至数据收发装置；数据收发装置通过现场总线将接收的锅炉膨胀数据转发至监控终端。监测装置、数据收发装置和监控终端组成了分级通信的锅炉膨胀监测系统，监控终端通过现场总线与锅炉现场的数据收发装置进行通信，数据收发装置通过无线网络实时接收现场多个监测装置的返回锅炉膨胀数据。本实用新型具备通信功能，能向操作站实时返回各监测点的锅炉膨胀数据，便于锅炉运营人员根据实时数据及时调整锅炉启停速度。

Description

基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统

技术领域

本实用新型属于锅炉监测技术领域，尤其涉及一种基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统。

背景技术

由于锅炉运行时会发生热胀冷缩，为避免设备发生损坏，电厂在锅炉重要位置会安装锅炉膨胀指示器来测量锅炉膨胀的具体数据。目前市场锅炉膨胀指示器主要为接触式，指示器面板和指针采用电刻标识刻度。电站运营人员在锅炉启停过程中定时到各监测点读取并记录锅炉膨胀数据，当监测点膨胀过大时，电站运营人员通知操作站工作人员，及时调整锅炉启停速度。但由于监测点较多、分布位置分散，并且现下的锅炉膨胀指示器并不具备通讯功能，需要人工进行读数，导致运营人员较大的工作量。此外，锅炉运营人员在锅炉启停过程中，需定时去各监测点读取数据，所以无法保证膨胀数据的连续性和实时性，操作站工作人员无法根据各监测点的实时膨胀情况及时调节锅炉启停速度，极有可能造成设备损伤。

近年来，研究人员针对锅炉膨胀监测系统进行了相应的开发与改进。申请号为201510260589.3的中国专利公开了一种锅炉膨胀检测监控系统，该系统使用分层网络结构，使用CAN总线作为监测装置与中继装置间的传输途径，能较好完成锅炉膨胀的实时监测。但由于锅炉现场十分复杂，但该系统需要通过总线完成通信，故若使用该系统，则需要在锅炉现场进行大量的走线设计，极为不便。申请号为00130246.9的中国专利公开了一种锅炉膨胀监测显示管理系统，该系统将测量信息返回至主控室的计算机进行计算，并在主控室CRT中显示锅炉数据，该系统基本可以及时反馈锅炉膨胀数据，但该系统并未将数据写入DCS系统当中，只能由锅炉运营人员进行操作，无法为后期实现锅炉启停自动化提供帮助。综上所述，目前对锅炉膨胀监测系统的研究与改进不能真正满足电厂需求。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种精度高、可靠性强、且具备实时通信功能的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：

一种基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，包括：

设于各监测点的监测装置、数据收发装置和监控终端，其中：

监测装置通过三维定位机构和第一微控制器监测锅炉膨胀数据，并通过无线通信模块将锅炉膨胀数据发送至数据收发装置；所述的三维定位机构包括底座、导轨、中心滑座、编码器和齿条，导轨固定于底座；导轨包括2条沿X方向导轨和2条沿Y方向导轨，齿条包括相互垂直的第一齿条、第二齿条和第三齿条，2条沿X方向导轨上套装可沿X方向移动的第一齿条，2条沿Y方向导轨上套装可沿Y方向移动的第二齿条；第一齿条、第二齿条和第三齿条均穿过中心滑座且可相对中心滑座移动，中心滑座上固定有第一编码器、第二编码器、第三编码器，第一编码器、第二编码器、第三编码器分别与第一齿条、第二齿条、第三齿条啮合；X方向和Y方向即底座所在平面的两相互垂直的方向；第一编码器、第二编码器、第三编码器连接第一微控制器；

数据收发装置通过现场总线将接收的锅炉膨胀数据转发至监控终端。

上述监测装置包括三维定位机构、第一电源模块、第一微控制器和第一无线通信模块；三维定位机构中的第一编码器、第二编码器、第三编码器、第一电源模块、第一无线通信模块均连接第一微控制器，第一电源模块还连接第一编码器、第二编码器、第三编码器、第一无线通信模块。

所述的第一电源模块包括第一恒压直流电源、第一开关电源模块和第一降压驱动电路，第一恒压直流电源输入端连接电力线，其输出端连接第一开关电源模块输入端；第一开关电源模块输出端连接第一编码器、第二编码器、第三编码器、第一降压驱动电路输入端，第一降压驱动电路输出端连接第一微控制器电源端、第一无线通信模块电源端。

所述的第一微控制器为STM32F103型号单片机。

上述数据收发装置包括第二电源模块、第二无线通信模块、集中控制器和第一电平转换模块，第二电源模块、第二无线通信模块、第一电平转换模块均连接集中控制器，第二电源模块还连接第二无线通信模块、第一电平转换模块，第一电平转换模块连接现场总线接口。

所述的第二电源模块包括第二恒压直流电源、第二开关电源模块和第二降压驱动电路，第二恒压直流电源输入端连接电力线，其输出端连接第二开关电源模块输入端；第二开关电源模块输出端连接第一电平转换模块、第二降压驱动电路；第二降压驱动电路输出端连接集中控制器电源端、第二无线通信模块电源端。

所述的集中控制器包括单片机和存储模块，存储模块和单片机相连。

上述监控终端包括DCS通信装置，DCS通信装置包括第三电源模块、第二电平转换模块和第二微控制器，第三电源模块、第二电平转换模块均连接第二微控制器，第三电源模块还连接第二电平转换模块；第二电平转换模块连接DCS机柜的现场总线接口。

所述的第三电源模块包括第三恒压直流电源、第三开关电源模块和第三降压驱动电路，第三恒压直流电源输入端连接电力线，其输出端连接第三开关电源模块输入端；第三开关电源模块输出端连接第二电平转换模块、第三降压驱动电路；第三降压驱动电路输出端连接第二微控制器电源端。

上述第一无线通信模块和第二无线通信模块均为CC2530F256芯片，采用ZigbeePROZ-Stack通信协议。

上述第一电平转换模块和第二电平转换模块均为MAX485芯片。

本实用新型中，监测装置中第一电源模块负责为编码器、第一微控制器和第一无线通信模块供电。锅炉膨胀使三维定位机构监测部件移动，监测部件上编码器返回电信号至第一微控制器对应接口，由第一微控制器分析电信号得锅炉膨胀数据。第一无线通信模块将锅炉膨胀数据通过Zigbee协议发送至数据收发装置，利用Zigbee技术可实现多个监测装置与数据收发装置间的组网功能，数据收发装置在网络中可接受各监测装置传回的锅炉膨胀数据。

数据收发装置中，第二电源模块负责给第二无线通信模块、集中控制器和第一电平转换模块供电。第二无线通信模块将各监测装置传回的锅炉膨胀数据传输至第一电平转换模块，第一电平转换模块通过MODBUS协议将锅炉膨胀数据经由现场总线发送到监控终端。

监控终端中，第三电源模块为第二电平转换模块和第二微控制器供电，监控终端接收到锅炉膨胀数据后，使用MODBUS协议通过RS485总线将锅炉膨胀数据写入DCS机柜，并在上位机界面实时显示各监测点数据，供运营人员参考。

和现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

（1）本实用新型使用传感器测量锅炉膨胀数据，无需刻度面板，既可提高测量精度，又可避免因面板刻度模糊不清而导致的更换监测装置。

（2）本实用新型具备通信功能，能向操作站实时返回各监测点的锅炉膨胀数据，便于锅炉运营人员根据实时数据及时调整锅炉启停速度。

（3）本实用新型采用无线通信和总线通信相结合的分级通信机制，避免了锅炉现场走线过多的情况，极大地降低了使用难度并提高了本实用新型的适用性。

附图说明

图1为本实用新型监测装置的具体结构示意图；

图2为三维定位机构的具体结构示意图；

图3为本实用新型数据收发装置的具体结构示意图；

图4是本实用新型系统结构示意图。

图中，1-底座，2-1-沿X方向导轨，2-2-沿Y方向导轨，3-中心滑座，4-1-第一编码器，4-2-第二编码器，4-3-第三编码器，5-1-第一齿条，5-2-第二齿条，5-3-第三齿条，6-导轨支座，7-直线轴承，8-编码器支架，9-监测装置，10-数据收发装置，11-DCS通信装置，12-DCS系统，13-监控终端。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施作进一步说明。

本实用新型包括设于各监测点的监测装置、数据收发装置和监控终端，监测装置包括三维定位机构、第一电源模块、第一微控制器和第一无线通信模块；三维定位机构中的编码器、第一电源模块、第一无线通信模块均连接第一微控制器，第一电源模块还连接编码器、第一无线通信模块，见图1。

见图2，三维定位机构主要包括底座（1）、导轨、中心滑座（3）、编码器和齿条，底座（1）为长方形的底座，齿条为圆柱状齿条。导轨包括2条沿X方向导轨（2-1）和2条沿Y方向导轨（2-2），4条导轨分别固定于底座（1）的4条边缘上，导轨通过位于底座（1）四角的导轨支座（6）固定。齿条包括相互垂直的第一齿条（5-1）、第二齿条（5-2）和第三齿条（5-3），第一齿条（5-1）沿Y方向，第二齿条（5-2）沿X方向，第三齿条（5-3）沿Z方向。2条沿X方向导轨（2-1）上套装可沿X方向移动的第一齿条（5-1），2条沿Y方向导轨（2-2）上套装可沿Y方向移动的第二齿条（5-2），第一齿条（5-1）和第二齿条（5-2）通过直线轴承（7）套装于导轨上。第一齿条（5-1）、第二齿条（5-2）和第三齿条（5-3）均穿过中心滑座（3）且可相对中心滑座（3）移动。第一编码器（4-1）、第二编码器（4-2）、第三编码器（4-3）通过对应的编码器支架（8）固定于中心滑座（3），第一编码器（4-1）、第二编码器（4-2）、第三编码器（4-3）的齿轮分别与第一齿条（5-1）、第二齿条（5-2）和第三齿条（5-3）啮合。第一编码器（4-1）、第二编码器（4-2）、第三编码器（4-3）均通过数据线连接微控制器。X方向和Y方向即底座所在平面的两相互垂直的方向；Z方向垂直于底座所在平面。

本实施例中，编码器采用ZSP3806型号编码器。第一微控制器采用STM32F103型号单片机，内含两个高级控制定时器和四个通用定时器，均可实现正交解码功能，可完成编码器产生脉冲的计数。同时，第一微控制器内含RTC时钟模块，在不断电情况下可实现实时时钟功能，可用于记录数据。

第一电源模块包括第一恒压直流电源、第一开关电源模块和第一降压驱动电路，第一恒压直流电源输入端与电力线相连，输入24V直流恒压电源；第一开关电源模块输出5V直流电压给编码器和第一降压驱动电路输入端；第一降压驱动电路输出端输出3.3V直流电压给第一无线通信模块、第一微控制器。

数据收发装置和监测装置通过第一无线通信模块和第二无线通信模块进行通信，本实施例中第一无线通信模块和第二无线通信模块均为CC2530F256芯片，运行ZigbeePROZ-Stack协议。

数据收发装置和监控终端通过第一电平转换模块和第二电平转换模块进行通信。本实施例中，第一电平转换模块和第二电平转换模块为MAX485芯片。数据收发装置将接收的数据通过第一电平转换模块由TTL电平转为485电平，使用MODBUS协议通过485总线将数据传回监控终端。监控终端通过第二电平转换模块接收数据并写入DCS系统，并在上位机界面实时显示各监测点数据，供运营人员参考。

以下将详细说明本实用新型的工作原理和工作过程如下：

见图4，监测装置和数据收发装置设于锅炉现场，监控终端设于主控室。监测装置、数据收发装置和监控终端组成了分级通信的锅炉膨胀监测系统，主控室的监控终端通过现场总线与锅炉现场的数据收发装置进行通信，数据收发装置通过无线网络实时接收现场多个监测装置的返回锅炉膨胀数据。

数据收发装置和各监测装置构成一个基于无线通信的通信网络。数据收发装置在网络中作为协调器，起到类似于集线器的作用，用于接受各监测装置发送的锅炉膨胀数据。数据收发装置中集中控制器负责将接收的锅炉膨胀数据转发至监控终端，数据收发装置通过MODBUS协议，将锅炉膨胀数据通过总线传送至监控终端。

监控终端在主控室中，与设于锅炉现场的数据收发装置通过现场总线进行通讯。DCS通信装置收到锅炉膨胀数据后，将数据写入DCS系统，并在上位机界面将锅炉膨胀数据实时反馈给锅炉操作人员。操作人员根据锅炉特性及其膨胀情况，及时对锅炉启停速度进行调节。

锅炉膨胀数据采用监测装置实时监控获得，监测原理如下：

选择合适位置安装三维定位机构，将中心滑座（3）移至参考杆下方，并与参考杆连接。锅炉膨胀过程中，会带动中心滑座（3）在X方向和/或Y方向移动，编码器产生相应的脉冲并发送至微控制器，微控制器对脉冲进行计数，经计算获得相对位移，从而可获得参考杆的当前相对坐标，并显示于显示模块。中心滑座（3）与参考杆的连接务必保证连接稳定、牢固，这样可避免膨胀数据偏差。本实用新型使用三相编码器，利用Z相脉冲进行计数校正，即一旦接收到Z相脉冲，则计数归0。

以上实施例仅供说明本实用新型之用,而非对本实用新型的限制,有关技术领域的技术人员,在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下,还可以作出各种变换或变型,因此所有等同的技术方案,都落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是，包括：

设于各监测点的监测装置、数据收发装置和监控终端，其中：

监测装置通过三维定位机构和第一微控制器监测锅炉膨胀数据，并通过无线通信模块将锅炉膨胀数据发送至数据收发装置；所述的三维定位机构包括底座、导轨、中心滑座、编码器和齿条，导轨固定于底座；导轨包括2条沿X方向导轨和2条沿Y方向导轨，齿条包括相互垂直的第一齿条、第二齿条和第三齿条，2条沿X方向导轨上套装可沿X方向移动的第一齿条，2条沿Y方向导轨上套装可沿Y方向移动的第二齿条；第一齿条、第二齿条和第三齿条均穿过中心滑座且可相对中心滑座移动，中心滑座上固定有第一编码器、第二编码器、第三编码器，第一编码器、第二编码器、第三编码器分别与第一齿条、第二齿条、第三齿条啮合；X方向和Y方向即底座所在平面的两相互垂直的方向；第一编码器、第二编码器、第三编码器连接第一微控制器；

数据收发装置通过现场总线将接收的锅炉膨胀数据转发至监控终端。

2.如权利要求1所述的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述的监测装置包括三维定位机构、第一电源模块、第一微控制器和第一无线通信模块；三维定位机构中的第一编码器、第二编码器、第三编码器、第一电源模块、第一无线通信模块均连接第一微控制器，第一电源模块还连接第一编码器、第二编码器、第三编码器、第一无线通信模块。

3.如权利要求2所述的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述的第一微控制器为STM32F103型号单片机。

4.如权利要求2所述的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述的第一无线通信模块为CC2530F256芯片。

5.如权利要求1所述的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述的数据收发装置包括第二电源模块、第二无线通信模块、集中控制器和第一电平转换模块，第二电源模块、第二无线通信模块、第一电平转换模块均连接集中控制器，第二电源模块还连接第二无线通信模块、第一电平转换模块，第一电平转换模块连接现场总线接口。

6.如权利要求5所述的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述的集中控制器包括单片机和存储模块，存储模块和单片机相连。

7.如权利要求5所述的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述的第二无线通信模块为CC2530F256芯片。

8.如权利要求5所述的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述的第一电平转换模块为MAX485芯片。

9.如权利要求1所述的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述的监控终端包括DCS通信装置，DCS通信装置包括第三电源模块、第二电平转换模块和第二微控制器，第三电源模块、第二电平转换模块均连接第二微控制器，第三电源模块还连接第二电平转换模块；第二电平转换模块连接DCS机柜的现场总线接口。

10.如权利要求9所述的基于分级通信机制的锅炉膨胀监测系统，其特征是：

所述的第二电平转换模块为MAX485芯片。