基于烟气分析仪的数据采集与处理系统设计

郑文栋，杨耿煌，曹明哲

（天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222）

基于烟气分析仪的数据采集与处理系统设计

郑文栋，杨耿煌，曹明哲

（天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222）

为了实现工业锅炉运行经济性的在线监测与分析，便于生产运行人员及时了解和调整锅炉的运行状况，设计了一种基于烟气分析仪的数据采集与处理系统。该系统可以实时准确地采集数据，并实现数据显示、存储、远程通信等功能，解决了人工离线录入数据的难题，为性能优化分析、指导运行优化操作提供了便利。现场调试结果验证了该系统设计的合理性和有效性。

烟气分析仪；数据采集；远程通信；优化分析

现阶段，在火电厂、钢铁冶金、石油化工等企业中大多数工业锅炉都采用煤炭作为主要燃料，为了保证锅炉设备运行的经济性，重要的就是提高锅炉燃烧率。为了使锅炉的燃烧状况实时适应变工况，锅炉运行人员需要根据锅炉运行工况，对燃烧器出口的风速、风率和炉内空气系数等进行适当调整，改变烟气中的氧气量来优化锅炉燃烧工况，提高燃烧效率，达到节约能源及减少环境污染的双重效果[1-3]。

目前很多火电厂、炼钢厂、石油化工等企业都是通过对煤炭燃烧后烟气成分的测量来监控锅炉设备的运行情况，顺磁氧含量测试仪PMA10在烟气成分中被普遍采用。但是该设备只能显示测量结果，不具备数据记录与存储的功能，不便于进行数据的分析和数据的远程通信与监控。因此，针对该烟气成分分析仪，本文设计了一套数据采集与处理系统。该系统采集数据准确可靠，具有良好的人机界面，操作简单，体积小巧便于携带，具有很强的实用性与工程应用价值[4]。

1 系统的总体设计

本研究设计的数据采集与处理系统可以对顺磁氧含量测试仪的2种不同组分烟气成分测量的结果进行实时采集、显示与存储，具有较强的通用性与实用性。该系统采集的数据是顺磁氧含量测试仪通过串口输出的一连串数字信号序列，采集到的信号经过微控制器，将数字信号进行分析处理，使其成分与含量相对应地实时显示在LCD上，方便运行人员及时了解和改善锅炉运行状况。依据LCD上显示的数据，系统通过人机交互界面的控制按钮选择性地进行数据的存储，以供后期离线数据的分析与性能计算。利用无线模块与上位机软件建立远程通信，将信息实时传递给上位机，以便在监控室的技术人员在线监控锅炉运行情况，并且从宏观上指导生产运行。系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统的总体设计框图

2 系统的硬件设计

本系统的硬件电路主要包括以下6个模块:电源模块、微控制器模块、无线模块、串口通信、SD卡的数据存储以及液晶 LCD显示模块。信号经过串口RS3232模块输入到微控制器，微控制器模块一方面将信号输出给LCD液晶显示模块，并根据需要选择性地进行数据存储；另一方面将数据通过无线模块上传给上位机。

2.1 微控制器模块

本设计采用LPC2103FBD48的芯片作为微控制器，该微控制器是PHILIPS公司最新推出的基于ARM7TDMI-S的48管脚的LPC2103，最高工作频率可达70 MHz，拥有32 kB的程序存储器和8 kB的静态RAM。LPC2103低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32 768 Hz时钟输入，通用I/O口有32个。较小的封装和较低的功耗使LPC2103特别适用于访问控制和工业控制。它集成了多种功能模块，如多个定时器、多功能串行接口（USART、I2C、SPI）、10位ADC和DAC、CAN总线接口等。微处理器LPC2103的硬件连接图如图2所示。

图2 微处理器LPC2103硬件连接图

2.2 电源模块

电源模块为系统中的各个元件提供工作电压，一般的适配器输出电压为5 V，而STM32F103在正常工作时需要3.3 V和1.8 V两种工作电压，因此需要将5 V电压通过电压转换芯片将电压输出为3.3 V和1.8 V以供芯片使用。

为了与STM32F103工作电压保持一致，采用工作电压为3.3 V的串口MAX3232驱动芯片。电源模块电路图如图3所示。

2.3 液晶LCD显示模块

本设计选用液晶LCD的型号为JLX240160G—666，这种液晶模块由于使用方便、显示清晰，因此被广泛应用于各种人机交流界面。它可以显示240列× 160行点阵单色或者灰度级图片，或者显示7个/行×5行32×32点阵或显示10个/行×6行24×24点阵的汉字，或者显示15个/行×10行16×16点阵汉字。它的接口简单方便，可以选择4线SPI串行接口或并行接口。

在本系统的设计过程中，为了节省芯片的管脚，采用模拟4线SPI串行方式驱动LCD。LCD与微控制器LPC2103的连接图如图4所示。

图4 LCD的连接图

2.4 SD卡的数据存储

很多单片机系统都需要大容量的存储设备，以存储数据。综合比较发现，SD卡最适合单片机系统，不仅容量很大，而且支持SPI接口，方便移动。FAT32文件系统是一种完全开源的文件系统模块，具有良好的硬件移植性，可以对多个文件进行读/写、文件新建与删除等操作。

本系统采用SPI模式与LPC2103的硬件接线图如图5所示。当观察LCD显示的数据符合要求需要记录时，按下记录按键，从此时开始液晶上显示的数据会写到SD卡中，同时指示灯会一直闪烁，直到按下保存键为止。按下记录和保存时，系统均会提示是否需要记录和保存，通过取消与确认进行选择操作，防止错误操作。记录和保存过程中，LCD上均会显示记录中与保存中的字样。

图5 SD卡与LPC2103的硬件接线图

2.5 无线模块

无线模块采用的主芯片是NRF24L01，该芯片具有2.4 G全球开放的ISM频段，最高工作速率为2 Mbps，抗干扰能力强。125个可选频道满足系统中多点通信的需要。内置CRC检错和多点的通信地址控制，可设置自动应答，确保数据可靠传输。该芯片通过SPI与外部的MCU进行通信，确保传输的快速性。将采集的数据经过NRF2401无线模块传递给相匹配的另外一个或者多个接收NRF2401无线模块，接收的数据再通过微控制器转换为串口输出到上位机，通过上位机可以实现远程监控。本系统通过一对多的方式，将采集到的数据上传给多个上位机，以供实时观测烟气中的成分，从而判断锅炉的运行情况。无线模块打破了物理线路的限制，可以实现较远距离的传输，在监控室可以有效地了解现场实际的运行情况，为烟气监控与监管提供了便利。

3 系统上位机软件设计

上位机采用NI公司开发的LabVIEW进行编程，LabVIEW即实验室虚拟仪器集成环境，是一种典型的图形化编程语言（G语言）。它具有图形化编程高性能与灵活性，以及专为测试、测量与自动化控制应用而设计等特点，因此它能够完成本系统中数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等功能。本系统采集的数据分别为SO2、CO、NO、H2O、CO2、NO2这6种成分的含量，如果采集数据有些成分没有，就会在相应项那栏中显示***，这使得该设备具有一定的普适性。根据显示的要求，利用LabVIEW设计合理的上位机软件，以便直观地显示。设计的上位机通信界面如图6所示。

图6 上位机软件

4 系统的程序设计

在嵌入式设计过程中，数据采集模块可以采用中断或查询方式进行数据的采集。在本系统的设计中，数据采用中断方式进行接收，这种方式使得CPU的利用率较高[5～6]；与人机相关的采用查询的方式进行查询，可轮回查询按键的状态，根据按键的状态执行其相对应的操作。数据存储流程图如图7所示。

图7 数据存储流程图

数据采集与处理的步骤:将串口接收到的连续一串数据，根据成分进行分类实现右对齐方式显示，采集的数据实时显示在LCD上。当需要进行数据存储时，按下记录，系统就会检查SD卡是否有文件夹与目前的日期相吻合，如果不存在，就以实际的年月日命名新建一个文件夹；如果存在，就在此文件夹中新建一个txt文件，以实际的时、分命名。新建文件的同时检查是否有同名文件，如果有同名的文件就在文件名后面加自增的后缀来命名。文件建好后，此时采集到的数据就不断向其写入。当按下保存，系统就会提示是否保存，选择确定，此txt文件数据存储就会结束；选择取消，数据还会继续向其写入。如果需要删除目前txt文件，只需再次按下记录键，选择按钮即可。如果一开始按下的不是记录键，系统就会提示，请按记录。SD每次写入数据，系统会自动检查SD卡是否写满（容量小于512字节），如果写满，系统就会在液晶上提示SD已经写满。系统显示如图8所示。

图8 系统显示图

5 结束语

本文设计了一种基于烟气分析仪的数据采集与处理系统，该系统是面向实际生产过程的实时监控和管理系统。现场实时采集数据的准确度直接影响数据分析和性能计算的精度。该系统设计合理、运行稳定可靠，能够有效指导锅炉运行、检修和改造，同时还具备性能优化分析和指导运行操作等功能，从而提高火力发电厂运行的经济性，减少对环境的污染，具有明显的经济效益和社会效益。

［1］常虹.烟气排放连续监测系统的分析与改进［D］.北京:华北电力大学，2011.

［2］郑海明.烟气排放连续监测系统在燃煤火电厂的应用［J］.仪器仪表学报，2006，27（6）:1509-1510.

［3］李蔚，任浩仁，盛德仁，等.300MW火电机组在线能耗分析系统的研制［J］.中国电机工程学报，2002（11）:154-155.

［4］杨晓亮，颜秋男，朱震.基于NDIR传感器的卷烟烟气CO浓度检测装置设计［J］.电子应用技术，2014（3）:15-18.

［5］王琳，商周，王学伟.数据采集系统的发展与应用［J］.电测与仪表，2004（8）:4-6.

［6］吴量.高速数据采集系统的设计［J］.电子测量技术，2006（6）:85-86.

Design of data acquisition and processing system based on gas analyzer

ZHENG Wen-dong，YANG Geng-huang，CAO Ming-zhe
（Tianjin Key Laboratory of Information Sensing and Intelligent Control，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In order to realize the on-line monitor and analyze the industrial boiler operation economy，to facilitate operating personnel of the production who can keep abreast of the situation and adjust the boiler operation，the data acquisition and processing system based on gas analyzer are designed in this paper.The device can accurately capture real-time data，and implement the data display，storage，remote communication，etc.It solves the problem of manual offline data entry and provides convenience for performance optimization analysis，optimization operation guidance.The results at fields indicate that the system design is rational and valid.

gas analyzer；data acquisition；remote communication；optimization analysis

TK226.1；TP274

A

2095－0926（2015）02－0011－04

2015-03-24

天津职业技术师范大学研究生创新基金资助项目（YC14-11）.

郑文栋（1989—），男，硕士研究生；杨耿煌（1978—），男，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为智能信息处理技术和电力系统自动化.