CN2752743Y - 基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用现场总线技术设计的、有利于提高测量与控制的准确度、减少传送误差的、可扩展性强、安装调试方便的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，包括工控机(1)、信号采集装置、信号处理电路(3)，若干信号采集装置安装在被检测炉管上，其特征是信号采集装置与信号采样电路(2)的输入端相连，信号采样电路(2)的输出端与A/D变换电路(9)的输入端相连，A/D变换电路(9)的输出端与信号处理电路(3)的输入端相连，信号处理电路(3)的输出端与总线驱动电路(11)相连，总线驱动电路(11)通过现场总线(12)与工控机(1)相连。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种锅炉炉管泄漏检测装置，尤其是一种基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置。
背景技术
目前，市场上的炉管泄漏检测产品普遍采用PC-BASED结构方式，采用将现场采集到的数据通过数据信号电缆传送至电子间的工控机，进行信号处理和信号分析，并通过工控机发送控制信号驱动现场设备。这种方式结构上比较冗长，信号传输采用模拟信道，现场设备没有控制功能，容易受到现场其他信号的干扰。
随着控制技术的不断发展，基于现场总线技术的新一代控制系统一FCS已经在许多的控制领域应用。这种系统的现场设备具有智能化特点，其功能自治性将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。同时节省安装费用，现场总线系统中一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，可大大减少电缆、端子、槽盒、桥架的用量，连线设计与接头校对的工作量也相应减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省投资，又减少设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60％以上。同时系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。但据申请人所知，将该技术运用到锅炉炉管泄漏检测装置中的相关产品尚未问世。
基于现场总线技术的炉管泄漏检测产品现场总线可以用工控PC机作为操作站，提高了系统的准确性与可靠性，由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。此外，由于设备的标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种利用现场总线技术设计的、有利于提高测量与控制的准确度、减少传送误差的、可扩展性强、安装调试方便的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置。
本实用新型的技术方案是：
一种基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，包括工控机1、信号采集装置、信号处理电路3，若干信号采集装置安装在被检测炉管上，其特征是信号采集装置与信号采样电路2的输入端相连，信号采样电路2的输出端与A/D变换电路9的输入端相连，A/D变换电路9的输出端与信号处理电路3的输入端相连，信号处理电路3的输出端与总线驱动电路11相连，总线驱动电路11通过现场总线12与工控机1相连。
本实用新型还采取了以下技术措施：
信号采集装置具体可为声音传感器。
信号采样电路2包括信号拾取电路4、前置放大电路5、二级放大电路6、滤波电路7、V/I变换电路8，信号拾取电路4的通过接插件J1与信号采集装置相连，其输出端与前置放大电路5的输入端相连，前置放大电路5的输出端与二级放大电路6的输入端相连，二级放大电路6的输出端与滤波电路7的输入端相连，滤波电路7的输出端与V/I变换电路8的输入端相连，V/I变换电路8的输出端与A/D转换电路9的输入端相连。
前置放大电路5包括电容C15、MOS管Q0、电阻R18、R19、R20，电容C15的一端与信号拾取电路4的输出端相连，另一端与MOS管Q0的3脚相连，MOS管Q0的1脚与二级放大电路6的输入端相连。
二级放大电路6包括隔直通交电容C0、电阻R0，运放U0(INA128)、反馈电阻R16，电容C0的一端与前置放大电路5的输出端相连，另一端与运放U0的2脚相连，运放U0的6脚与滤波电路7的输入端相连。
滤波电路7包括由T型陷波器13、高通滤波电路14、低通滤波电路15组成；T型陷波器13包括电阻R11，R12，R13，R14，R15，电容C11，C12，C13，C14及四运放集成电路U2中的一部分，U2的1脚与高通滤波电路14的输入与电容C1的一端相连；高通滤波电路包括电阻R1，R2，R3，R4，电容C1，C2，C3，C4，C5，C6及四运放集成电路U1中的一部分，U1的7脚与低通滤波电路15中的电阻R5的一端相连；低通滤波电路15包括电阻R5，R6，R7，R8，R9，R10，电容C7，C8，C9，C10及四运放集成电路U1中的一部分，U1的16脚与V/I变换电路(8)中的U2的5脚相连。
V/I变换电路8也包括四运放集成电路U2的一部分。
A/D转换电路9包括AD集成电路U7，电压基准源U18，电容C19，C18，电阻R20，信号采样电路2输出的电流信号经电阻R20转成电压信号后，送入U7中数字化，U7的5，6，7脚分别与U0的59，45，48脚相连，59，45，48脚与U0相连。
信号处理电路3包括DSP U0(TMS320C5402)，U1(MAX706)，U2(EPM7064LC44-10)，U3(39VF400)，U4(CY7C1021CV33)，电阻R1，R2，R3，RP1，RP2，JTAG接口JP3，JP2，按键S1，地址开关S2，有源晶振Crystal。其中U3为扩展FLASH，U4为扩展RAM。
信号处理电路3的核心部分为DSP(U0，TMS320C5402)，其余都是其外围器件。包括：扩展IO口集成电路U2(EPM7064LC44-10)，U2的JTAG编程接口JP2，DSP的外扩ROM：U3(FLASH，39VF400)，DSP的外扩RAM(CY7C1021CV33)，DSP的JTAG编程接口JP3，DSP的看门狗U1(MAX706)，DSP的有源晶振Crystal。
其中U0的编程引脚83，84，85，86，87，88，89脚分别与JTAG接口JP3的13，14，7，3，2，9，1脚相连。
U0的地址总线引脚(131，132，133，134，136，137，138，139，140，141，5，7，8，9，10，11，108，109)和U2的引脚(27，28，30，31，33)分别与U3的地址总线(1～8，18～25)，U4的地址总线(1～5，19～21，24～27，42～44)相连。
U0的数据总线(99～104，113～119，121～123)分别与U3的数据总线(29，31，33，35，38，40，42，44，30，32，34，36，39，41，43，45)，U4的数据总线(7～10，13～16，29～32，35～38)相连。
U0的51脚与U1的6脚相连，U0的98脚与U1的7脚相连。
总线驱动电路(11)包括由总线控制器电路(10)、隔离电路(16)、CAN总线收发电路(17)组成；总线收发器电路(10)包括集成电路U9，电容C12、C13，电阻R25、R26，U9的20脚与隔离电路(16)中的电阻R24，R23的一端相连，U9的19端与隔离电路(16)中的电阻R22的一端相连，U9的13端与隔离电路(16)中的电阻R21的一端相连；隔离电路(16)包括电阻R21，R22，R23，R24，R28，光藕U12、U13，光藕U12的6脚与CAN总线收发电路(17)中的U10的1脚相连，光藕U13的3脚经过电阻R28与CAN总线收发电路(17)中的U10的4脚相连；总线收发电路(17)由CAN总线收发器U10及其外围器件电阻R27、R29、R30、R31、电容C14组成，总线收发器U10的6脚、7脚直接与现场总线(12)相连。
本实用新型的有益效果：
首次将现场总线技术应用到锅炉炉管泄漏检测领域，提高了系统的准确性与可靠性，由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。此外，由于设备的标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构的特点。
附图说明
图1是本实用新型结构框图。
图2是本实用新型的信号采样电路2的电原理图。
图3是本实用新型的A/D变换电路9的电原理图。
图4-1、4-2是本实用新型的信号处理电路3的电原理图。
图5是本实用新型的总线驱动电路11的电原理图。
图6是本实用新型实施例中的二路开关量输入(一路压力反馈，一路扩展)的电原理图。
图7是本实用新型实施例中的电机驱动信号输出电原理图。
图8是本实用新型实施例中的自检信号输出电原理图。
图4中SZ表示数据总线，DZ表示地址总线，KZ表示控制总线。
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的说明。
如图1～8所示。
一种基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，包括工控机1、信号采集装置、信号处理电路3，若干信号采集装置安装在被检测炉管上，其特征是信号采集装置与信号采样电路2的输入端相连，信号采样电路2的输出端与A/D变换电路9的输入端相连，A/D变换电路9的输出端与信号处理电路3的输入端相连，信号处理电路3的输出端与总线驱动电路11相连，总线驱动电路11与现场总线12相连，现场总线12与工控机1相连。如图1所示。
其中：
信号采集装置具体可为声音传感器(微型麦克风)。
信号采样电路2包括信号拾取电路4、前置放大电路5、二级放大电路6、滤波电路7、V/I变换电路8，信号拾取电路4通过接插件J1与信号采集装置相连，其输出端与前置放大电路5的输入端相连，前置放大电路5的输出端与二级放大电路6的输入端相连，二级放大电路6的输出端与滤波电路7的输入端相连，滤波电路7的输出端与V/I变换电路8的输入端相连，V/I变换电路8的输出端与A/D转换电路9的输入端相连。如图2所示。
前置放大电路5包括电容C15、MOS管Q0、电阻R18、R19、R20，电容C15的一端与信号拾取电路4的输出端相连，另一端与MOS管Q0的3脚相连，MOS管Q0的1脚与二级放大电路6的输入端相连。如图2中所示。
二级放大电路6包括隔直通交电容C0、电阻R0，运放U0(INA128)、反馈电阻R16，电容C0的一端与前置放大电路相连，另一端与运放U0的2脚相连，运放的6脚与滤波电路的输入端相连。如图2中所示。
滤波电路7包括由T型陷波器13、高通滤波电路14、低通滤波电路15组成；T型陷波器13包括电阻R11，R12，R13，R14，R15，电容C11，C12，C13，C14及四运放集成电路U2(OP97)中的一部分，U2的1脚与高通滤波电路14的输入与电容C1的一端相连；高通滤波电路包括电阻R1，R2，R3，R4，电容C1，C2，C3，C4，C5，C6及四运放集成电路U1(OP97)中的一部分，U1的7脚与低通滤波电路15中的电阻R5的一端相连；低通滤波电路15包括电阻R5，R6，R7，R8，R9，R10，电容C7，C8，C9，C10及四运放集成电路U1(OP97)中的一部分，U1的16脚与V/I变换电路(8)中的U2的5脚相连。如图2中所示。
V/I变换电路8也包括四运放集成电路U2的一部分。
A/D转换电路9包括AD集成电路U7(ADS7816)，电压基准源U18(MAX873)，电容C19，C18，电阻R20，信号采样电路2输出的电流信号经电阻R20转成电压信号后，送入U7中数字化，U7的5，6，7脚分别与U0(TMS520C5402)的59，45，48脚相连，59，45，48脚与U0相连。如图3所示。
信号处理电路3包括DSP U0(TMS320C5402)，U1(MAX706)，U2(EPM7064LC44-10)，U3(39VF400)，U4(CY7C1021CV33)，电阻R1，R2，R3，RP1，RP2，JTAG接口JP3，JP2，按键S1，地址开关S2，有源晶振Crystal。其中U3为扩展FLASH，U4为扩展RAM。如图4-1所示。
信号处理电路3的核心部分为DSP(U0，TMS320C5402)，其余都是其外围器件。包括：扩展IO口集成电路U2(EPM7064LC44-10)，U2的JTEG编程接口JP2，DSP的外扩ROM：U3(FLASH，39VF400)，DSP的外扩RAM(CY7C1021CV33)，DSP的JTAG编程接口JP3，DSP的看门狗U1(MAX706)，DSP的有源晶振Crystal。
其中U0的编程引脚83，84，85，86，87，88，89脚分别与JTAG接口JP3的13，14，7，3，2，9，1脚相连。
U0的地址总线引脚(131，132，133，134，136，137，138，139，140，141，5，7，8，9，10，11，108，109)和U2的引脚(27，28，30，31，33)分别与U3的地址总线(1～8，18～25)，U4的地址总线(1～5，19～21，24～27，42～44)相连。详细连线见附图4-2所示。
U0的数据总线(99～104，113～119，121～123)分别与U3的数据总线(29，31，33，35，38，40，42，44，30，32，34，36，39，41，43，45)，U4的数据总线(7～10，13～16，29～32，35～38)相连。
U0的51脚与U1的6脚相连，U0的98脚与U1的7脚相连。
总线驱动电路(11)包括由总线控制器电路(10)、隔离电路(16)、CAN总线收发电路(17)组成；总线收发器电路(10)包括集成电路U9(SJA100)，电容C12、C13，电阻R25、R26，U9的20脚与隔离电路(16)中的电阻R24，R23的一端相连，U9的19端与隔离电路(16)中的电阻R22的一端相连，U9的13端与隔离电路(16)中的电阻R21的一端相连；隔离电路(16)包括电阻R21，R22，R23，R24，R28，光藕U12(6N137)、U13(6N137)，光藕U12的6脚与CAN总线收发电路(17)中的U10的1脚相连，光藕U13的3脚经过电阻R28与CAN总线收发电路(17)中的U10的4脚相连；总线收发电路(17)由CAN总线收发器U10(PCA82C250)及其外围器件电阻R27、R29、R30、R31、电容C14组成，总线收发器U10的6脚、7脚直接与现场总线(12)相连。如图5所示。
下面结合具体实施例对本实用新型的作进一步详细说明：
以CAN总线为例，实施案例如下(24节点)，电路部分主要由信号采集和信号处理两部分构成。
在图1给出的控制电路中，首先用麦克风采集微弱声音信号，考虑到信号微弱，必须先前置放大。首先麦克风产生的mV级微弱信号通过一个1uF的电容C15隔直通交，再经过MOS管Q0(3DJ4F)进行前置放大。然后再经由仪用仪表放大器U0(INA128)进行二级放大，INA128所配反馈电阻R16采用高精密，低温漂的电阻，最大限度的减少放大倍数的温漂。最后得到V级信号。由于该信号包含许多无用信号，为了得到真实有效的音频信号。必须滤波。滤波电路主要有三部分组成：陷波器，高频滤波，低频滤波。首先用双T有源滤波电路对信号进行陷波处理，滤去工频干扰(50HZ)，然后采用巴特沃斯滤波器，先高通滤波(拐点为100HZ)，后低通滤波(拐点为18KHZ)。最后通过V/I变换电路，将信号转成电流(4-20mA)然后输出。
在图2给出的控制电路中，处理系统由DSP TMS320C5402和89S51控制。
输入电流信号先被一高精密低温漂的电阻RS转变成电压，处理器控制AD芯片U7(ADS7816)以100Ksps的速度连续采样该电压1024次为一次有效采样。然后将所得数据读入处理器U0，进行信号分析处理，分析算法为大陆专门开发。
单片机U8(89S51)来控制CAN总线通讯，和一些外围设备。单片机通过U0的HPI口读取所需数据，然后再送往总线控制器U9(SJA1000)，最后通过CAN接口芯片U10(PCA82C250)发往总线。该系统支持CAN2.0B，最大速度为1Mbits/s。
另上位机也可以通过总线来访问该系统，甚至可以通过协议来控制一些现场节点的外围设备。现场节点的一些外围设备：
2路开关量输入：一路为压力反馈，另一路作扩展。如图6所示。
4路数字量输出：自检信号(+5V)输出输出，电机驱动信号(+12V，6A)输出，2路扩展。
1路模拟量输出：模拟音频信号(0-5V)到声卡。
1路模拟量输入：模拟音频信号(0-5V)到AD。
电机驱动信号输出及自检信号输出的电原理图分别见图7、8所示。
本实用新型的工作原理如下：
首先信号拾取电路来拾取信号，然后通过前置放大部分将微弱信号放大，再经过滤波电路将无用信号部分滤除，再将剩余有用信号放大，转成电流输出送出。接受部分将电流转成电压后进行AD，然后由处理器对信号进行处理分析，将结果通过总线送往计算机，并且执行计算机发出指令。
Claims (9)
1、一种基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，包括工控机(1)、信号采集装置、信号处理电路(3)，若干信号采集装置安装在被检测炉管上，其特征是信号采集装置与信号采样电路(2)的输入端相连，信号采样电路(2)的输出端与A/D变换电路(9)的输入端相连，A/D变换电路(9)的输出端与信号处理电路(3)的输入端相连，信号处理电路(3)的输出端与总线驱动电路(11)相连，总线驱动电路(11)通过现场总线(12)与工控机(1)相连。
2、根据权利要求1所述的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，其特征是所述的信号采集装置为声音传感器。
3、根据权利要求1所述的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，其特征是信号采样电路(2)包括信号拾取电路(4)、前置放大电路(5)、二级放大电路(6)、滤波电路(7)、V/I变换电路(8)，信号拾取电路(4)通过接插件J1与信号采集装置相连，其输出端与前置放大电路(5)的输入端相连，前置放大电路(5)的输出端与二级放大电路(6)的输入端相连，二级放大电路(6)的输出端与滤波电路(7)的输入端相连，滤波电路(7)的输出端与V/I变换电路(8)的输入端相连，V/I变换电路(8)的输出端与A/D转换电路(9)的输入端相连。
4、根据权利要求3所述的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，其特征是所述的前置放大电路(5)包括电容C15、MOS管Q0、电阻R18、R19、R20，电容C15的一端与信号拾取电路(4)的输出端相连，另一端与MOS管Q0的3脚相连，MOS管Q0的1脚与二级放大电路(6)的输入端相连。
5、根据权利要求3所述的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，其特征是所述的二级放大电路(6)包括隔直通交电容C0、电阻R0，运放U0、反馈电阻R16，电容C0的一端与前置放大电路(5)的输出端相连，另一端与运放U0的2脚相连，运放U0的6脚与滤波电路(7)的输入端相连。
6、根据权利要求3所述的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，其特征是所述的滤波电路(7)由双T型陷波器(13)、高通滤波电路(14)、低通滤波电路(15)组成；双T型陷波器(13)包括电阻R11，R12，R13，R14，R15，电容C11，C12，C13，C14及四运放集成电路U2中的一部分，U2的1脚与高通滤波电路(14)的输入相连；高通滤波电路包括电阻R1，R2，R3，R4，电容C1，C2，C3，C4，C5，C6及四运放集成电路U1中的一部分，U1的7脚与低通滤波电路(15)中的电阻R5的一端相连；低通滤波电路(15)包括电阻R5，R6，R7，R8，R9，R10，电容C7，C8，C9，C10及四运放集成电路U1中的一部分，U1的16脚与V/I变换电路(8)中的U2的5脚相连。
7、根据权利要求1所述的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，其特征是所述的A/D转换电路(9)包括AD集成电路U7，电压基准源U18，电容C19，C18，电阻R20，信号采样电路(2)输出的电流信号经电阻R20转成电压信号后，送入U7中数字化，U7的5，6，7脚分别与U0的59，45，48脚相连。
8、根据权利要求1所述的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，其特征是所述的信号处理电路(3)包括DSP U0，U1，U2，U3，U4，电阻R1，R2，R3，RP1，RP2，JTAG接口JP3，JP2，按键S1，地址开关S2，有源晶振Crystal。
9、根据权利要求1所述的基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，其特征是所述的总线驱动电路(11)包括由总线控制器电路(10)、隔离电路(16)、CAN总线收发电路(17)组成；总线收发器电路(10)包括集成电路U9，电容C12、C13，电阻R25、R26，U9的20脚与隔离电路(16)中的电阻R24，R23的一端相连，U9的19端与隔离电路(16)中的电阻R22的一端相连，U9的13端与隔离电路(16)中的电阻R21的一端相连；隔离电路(16)包括电阻R21，R22，R23，R24，R28，光藕U12、U13，光藕U12的6脚与CAN总线收发电路(17)中的U10的1脚相连，光藕U13的3脚经过电阻R28与CAN总线收发电路(17)中的U10的4脚相连；总线收发电路(17)由CAN总线收发器U10及其外围器件电阻R27、R29、R30、R31、电容C14组成，总线收发器U10的6脚、7脚直接与现场总线(12)相连。
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