火电厂储煤筒仓综合安全监控系统硬件设计

毕 业 设 计(论文)题 目 火电厂储煤筒仓综合安全监控系统 硬件设计院 系机械工程系专业班级学生姓名指导教师二一六年六月火电厂储煤筒仓综合安全监控系统硬件设计摘要在火力发电厂、煤炭转运站等一些地方，煤炭存储已经成为其燃料管理控制的一个重要环节。然而由于没有安装安全监测系统的筒仓内的环境状况无法知道，经常发生毒气如CO等，可燃气体如CH4等含量过多，致使国内的储煤筒仓因为种种原因发生多次着火，甚至有筒仓发生爆炸的情况，而且筒仓一旦着火，很难将其在短时间内扑灭，并会造成人员伤亡和财产损失，所以筒仓安全保护装置的重要性也就越来越突出。鉴于此本文研究设计了一种储煤筒仓安全监测与控制系统，并在此基础上介绍和设计了筒仓安全监测的相关参数的测量，希望可以有效地改变储煤筒仓使用管理中存在的一些问题。文中主要设计了一种基于MSP430单片机的储煤筒仓安全监测系统，选择筒仓内部及筒仓壁的温度监测时的温度传感器型号，以及设计其安装位置、保护措施，并对筒仓中的可燃气体浓度、CO浓度、烟雾等参数进行监测，最后实物模拟了筒仓壁测温的过程，实时显示测量的温度并且拥有报警装置。论文最后给出了总结以及未来工作方向的展望。关键词：MSP430单片机；传感器；储煤筒仓；安全监测HARDWARE DESIGN FOR SAFETY MONITORING SYSTEM FOR COAL-FIRED POWER PLANT COAL STORAGE SILOAbstractIn thermal power plants, transfer stations and other places of coal, coal storage has become an important part of its fuel management control. However, due to environmental health safety monitoring system is not installed inside the silo can not know, as often happens too much gas such as CO, CH4 and other combustible gases such as content, resulting in domestic coal storage silo fire occurred many times for various reasons, even silo explosion happened, and silos once ignited, it is difficult to extinguish in a short time, and will cause casualties and property losses, so the importance of the silo safety devices is more and more prominent. In view of this paper studies the design of a coal storage silo safety monitoring and control system, and describes the design and measurement of silo safety monitoring of relevant parameters on the basis of hope that can effectively change the use of coal storage silo management in some of the problems.This paper mainly designed Coal Silo Safety Monitoring System Based on MSP430 choose internal silos and silo wall temperature monitoring when a temperature sensor models, as well as its design mounting position, protective measures, and silos combustible gas concentration, CO concentration, the concentration of dust, smoke and other parameters for selection of design monitoring and control device, and finally the silo wall temperature simulate physical processes, real-time display of temperature measurements and has an alarm system. Finally, a summary and future work directions.Keywords: MSP430 Microcontroller; Sensor; Coal Storage Silo; Safety Monitoring21目录摘要IAbstractII1绪论11.1国内外研究基本现状11.2设计目的及意义21.3本文主要设计内容22筒仓储煤温度的安全监控系统设计32.1筒仓储煤温度监控原因32.2 筒仓周壁温度监控详细设计42.2筒仓内部温度监控的详细设计52.3 筒仓壁周壁测温防砸结构设计83筒仓气体、料位高度安全监控系统设计103.1可燃气体的监测103.2烟雾浓度监测113.3料位高度监测113.3.1 雷达料位监测113.3.2 高料位监测114实物设计与结果分析134.1 MSP430单片机的特点及应用134.2温度传感器信号的采集154.3采集信号的处理164.4 软件程序的设计194.5 结果分析20总结与展望21参考文献22致谢24附录A251绪论在火力发电厂、焦化厂、钢铁厂、港口、煤炭转运站等场所，为了保证日常生产的正常运行，都需要储存大量的煤炭。然而以前这些场所的煤炭都堆放在露天煤场上，这种储存方式往往会造成环境污染、煤炭损失、煤质下降、占地面积大、以及含水量增加、煤炭冻结等现象，影响工厂日常正常生产。而且随着我国城市规模的不断扩展，城市用电量和相关产品类需求的增加，导致以前一些位于郊区的用煤工厂和企业相对于以前更近于城市，有的甚至位于城市腹地，故原有的露天储煤场也已成为市区环境的主要污染源1。所以，为了保证生产正常、保护环境等，必须采取新型的储煤方式。而采用筒仓储煤后可以做到最大程度的环保和节能效果，同时作业生产效率也得到大大提高。1.1国内外研究基本现状在我国国内传统的煤炭储存管理过程中，煤炭一般都是露天堆放的，但是这很容易造成大风扬尘和堆料取料过程中的二次扬尘污染，和暴雨条件下煤炭流失、煤炭水分不稳定、污染环境、煤质下降、占地面积大以及冻结等问题2，我国南方雨水较多的地方的电厂采用随后出现的半开放式煤场储煤，而采用封闭式储煤工艺堆存煤炭，作业效率较高，环境污染少，系统调度灵活，在煤厂、煤炭装卸港口、大型燃煤电厂等领域也得到认可并已推广应用。目前，国内常见的封闭式储煤场主要有圆形煤场、封闭式条形煤场、矩形封闭煤场、圆筒仓并列群仓等。并且随着社会对工厂和企业燃料管理水平和环保要求的不断提高提高，圆筒仓或圆筒仓并列群仓以及大型全封闭圆形煤场等新兴储煤技术逐渐被广泛使用到火电厂等一些污染度较高的工厂3。目前，国内各地的煤化工、火力发电厂等企业应用筒仓储煤的情况较多。而且国内大多数电厂均用筒仓代替了原来的露天堆放的储煤方法。但是，使用筒仓储煤也会产生新的危险因素，有资料显示，筒仓的安全问题并没有引起足够的重视，很多筒仓只设置了简单的防爆措施，用以排放筒仓爆炸时所产生的冲击， 以减少事故损失4。然而国内筒仓储煤已多次发生着火，甚至有筒仓发生爆炸的情况，造成人员伤亡和财产损失，通常没有安装安全监测系统的筒仓内的环境状况无法知道，而且经常发生由于毒气含量过多，造成筒仓爆炸和人员伤亡的情况5,6。所以筒仓保护装置的重要性也就越来越突出。国内煤场监测监控主要有2种方式：一、传统的有线传输方式，即监测系统各个部分的信号采集、通信、控制均通过线缆完成，然而煤场现场环境复杂并且煤场距离总控制室较远，故有线传输方式安装布线复杂，工作量大，耗时长，成本高；二、多点插入传感器方式，即随时根据煤场环境的变化进行接触式手动检测方式，然而由于煤升温时放出的CO对人体有害，且煤场的煤需要经常使用和填补，每次的改变就需要重复安插温度传感器，而这种检测方式容易对运行操作人员安全和健康容易造成威胁并且耗费大量时间和财力7。以上两种监测方法都不能非常满足国内筒仓现有的安全监测要求，因此，本文在此基础上设计了新型的筒仓安全监测系统，能全面监测煤炭温度、有毒有害和可燃气体、筒仓料位等相关信息，能及时向中央控制室操作人员提供报警信号和筒仓相关信息。1.2设计目的及意义一般来说，煤炭长期存放筒仓将会使煤的温度升高。而且因为储煤的导热系数相对而言较小，热量向四周扩散速度较慢，所以随着时间的积累，热量聚集在筒仓煤堆内使煤堆内部温度不断升高，当温度达到煤的燃点时，煤就发生自燃，而且随着温度的升高，煤的氧化速度也在不断的加快8。与此同时，生成的热量、一氧化碳CO、烟雾也在迅速增加，当温度、可燃气体浓度等物质达到一定的数值后，极易发生自燃，甚至火灾、爆炸等重大事故。而筒仓一旦发生火灾，很难扑灭，爆炸也很容易造成人员伤亡和财产损失，所以，加强预防是关键9。因此为了防止事故的发生，非常有必要对筒仓中的储煤温度、可燃气体浓度、CO浓度、粉尘浓度、烟雾等参数进行监测和自动控制，并针对出现的异常情况采取正确及时的应对方案和补救措施，以保证筒仓的安全运行。本文主要是为了研究开发储煤筒仓安全监测与控制系统，希望可以有效地改变目前储煤筒仓使用管理中存在的问题，减少事故的发生。1.3本文主要设计内容本次设计任务主要是完成对筒仓安全监测的硬件平台方案设计，即对筒仓中的储煤温度、可燃气体浓度、CO浓度、烟雾等参数进行监测，并完成了对筒仓储煤温度、料位高度以及气体监测的详细设计，包括储煤筒仓周壁测温装置防砸的结构设计，以及设计完成对筒仓煤内部温度各个断面的测量方案。以上各个监测系统之间既相互独立又互相联系，然后通过控制系统将他们无缝连接到一起，实现对筒仓内的温度、气体、料位高度、烟雾等的实时监测，为筒仓煤炭的储存和安全生产运行提供了保障。最后还利用MSP430单片机和温度传感器实物模拟了筒仓壁温度监测系统。2筒仓储煤温度的安全监控系统设计2.1筒仓储煤温度监控原因本次设计是基于一个筒仓直径为40m，高约43m，储煤量约为3万吨，能够防雨雪、防流失、防自燃，可有效保证煤炭成分和湿度稳定的储煤筒仓的安全监测系统设计，并对筒仓安全监测系统中最能反应其内部情况的几种重要的监测参数进行设计并正确安装其传感器元件，且该种筒仓采用了双环缝进的出料系统也是国内外同型号筒仓中的领先水平。使其在筒仓安全运行过程中：进出料均匀、流畅、连续并且不堵煤，不起拱，储煤对筒仓壁没有不均匀的压力等特性，保证了筒仓可以安全运行的基础10。筒仓内是否会发生自燃与爆炸取决于筒仓内储煤温度及其空间温度的高低，因此筒仓温度监测是筒仓安全监测系统中的重要组成部分。从煤的自燃原理可以知道，煤的自燃需要有氧气的存在。而在整个相对密封的筒仓里除了煤自然堆积的上表面接触氧气较多之外，自然堆积煤的过程中粒度相对较大的煤往往会向四周滑落，导致靠近筒仓壁的储煤由于间隙相对较大，与氧气接触的可能性也大大提高，故属与易燃区域。另外，在煤靠近筒仓锥部出料口的地方，由于煤与锥壁之间相互碰撞摩擦比较多并且也处于氧气含量充足的环境，因此在筒仓锥部也属于易燃区域11。所以，对筒仓温度的监测首先要对筒仓壁的温度进行监测。由于储煤粒度的差异，当煤落向筒仓时会发生离析，颗粒大的回流向落料点的外侧，而颗粒小的如粉末等则会集中于落料点中心。这样就形成了筒仓外侧物料密度小，而中心处物料密度大的情况。并且在煤的存储过程中不可避免地发生氧化反应而使煤发热，且由于筒仓壁处的物料密度小，热量相对易于散发，而中心部位的物料密度大，热量不易散出，使得筒仓中心部位物料温度普遍高于筒仓壁处物料温度12。因此对筒仓内储煤温度的监测不仅要监测筒仓壁处的温度，更要监测筒仓中心处的温度，这样才能全面地了解筒仓内储煤的温度。而且筒仓中心和筒仓壁的温度变化值会随着煤炭种类、储煤颗粒度大小以及储存的时间长短等因素的变化而变化，没有相对固定的关系值。所以，对筒仓温度的监测也要对筒仓中心内部的温度进行监测。综上所述，故此对筒仓储煤温度的监测分为筒仓周壁测温和筒仓内部测温。煤堆在 2060时与空气接触，会被氧化生成不稳定的氧化物，此时煤的氧化过程平稳而缓慢，氧化放热量很少，有微量的CO释放出。如果储煤温度继续上升，假设从60 上升至 80 ，煤的氧化速度会加快，煤中不稳定的氧化物就会开始分解成水，且释放出等CH4、CO等气体，并且伴随着氧化释放出大量的热量。氧化产生的热量也会使煤温继续升高，达到临界点(约80)，此阶段耗氧量明显增加，产生的 CO 也随温度上升而逐渐增加。当煤温超过临界温度80后，煤的氧化反应速率加快，并且随着煤温的不断升高，就会开始出现煤的干馏，生成可燃气体如氢和CO等 13。当环境条件能继续维持煤氧化自热进行时，则会使煤温上升到煤的着火点而导致自燃，甚至发生爆炸。因此，报警值选择70作为临界点，可以满足及时发现警报以及安全处理自然问题的时间差，有效防止煤的进一步自燃，防止发生更大的安全事故。对于温度的监测，必然会使用到温度传感器。然而随着社会的不断发展，各种技术不断精进，温度传感器也朝着高精度、高可靠性、多功能和总线标准化以及超高的安全性方面发展。目前市面上主要有单点和多点两种测温仪器。对于单点测温，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电偶、热电阻等传感器的测量精度最高，并且测量范围大，应用广泛；对于多点温度测量，相对于单点测温测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格却昂贵。综上，在本课题中，以PT100热电阻为筒仓壁温度监测元件，设计一个对单点温度实时监测的系统，并做出实物验证其可行性。以DS18B20数字温度传感器为筒仓内部温度监测元件，设计一个对多点温度实时监测的系统。2.2 筒仓周壁温度监控详细设计对于筒仓壁的测温，主要有2种测量方法，第一：采用热电阻法，即从筒仓的不同部位将热电阻插入煤中进行测量，但这样会在煤炭存储过程中对温度探头造成损坏。第二：即红外线测温，虽然解决了前面测量方法的缺陷，但是却只能监测到煤炭的表面温度，其也有一定的缺陷14。最终，选择第一种方法，采用热电阻法对仓壁进行测温，且通过对筒仓壁测温点的防砸结构的设计，解决了煤炭存储过程中测温探头会损坏的问题。热电阻采用pt100，其主要用于工业过程中温度参数的测量和控制。测温范围为：-250+850，允许偏差值（）为A级（0.15+0.002|t|）、B级（0.30-0.005|t|）；允许通过的电流5mA，且其还有抗振动、准确度高、稳定性好、耐高压，由于其在0-100时其铂热电阻线性好等特点，故近似表达式为Rt=100*（1+At），其中A=0.00390802。另外为了保证温度传感器的测量精度，pt100温度传感器一般采用三线式接法，因为采用三线制可以消除连接导线电阻引起的测量误差，使测量更加精准。接线如图2-1所示，当R1*（Rx+r2+r3）=R2*(Rpt100+r2+r1)时，电桥平衡，U=0；当Rpt100受温度变化时，电桥不平衡，U0。图2-1 PT100温度传感器三线式接法实时测量筒仓周壁储煤的温度以及自然点、易燃点，可以防止筒仓发生煤炭自然现象。分析可以知道，进料点发生自燃的现象比较小，故可以不检测，在筒仓圆柱体大致在储煤段中部处设置一圈温度监测点，根据煤的品质和粒度决定监测点数，易挥发、粒度值较小的煤，可适当选取大值，反之取小值15。在圆柱体靠近锥部出料口的地方设置一圈温度监测点，因为此处是储煤摩擦挤压较多且容易形成热量堆积的区域，理论上为了反映此时煤温度实际情况，应该放置在锥部靠近圆柱体的地方，但为了便于工程中测温元件的选型、安装以及检修方便，将测量点适当上移并将测温元件报警值作适当调整，使之安装方便并且具有可操作性16。出料口温度监测数量可根据其结构形式确定。筒仓底部为缝式出料口，即可在出料口的长边的两侧各设置一个监测点。 综上所述，每个筒仓可以配置26只温度传感器，且温度传感器采用铠装式结构。其中，4只在锥面标高6米处，4只在锥面标高15米处，8只在外环面标高24米处和8只在外环面标高33米处。测温范围应达到-20+180，误差范围应不超过(0.3+0.0005t)(t为实际测得温度数值)。并且铂电阻外壳由不锈钢制成，外径大约为16mm，为了保证温度传感器插入筒仓后不被落煤砸坏或者磨损，传感器被安装在不锈钢套件内，保护其不被砸坏或者磨损，并且套管伸入筒仓内长度大约150mm左右，且每个温度传感器配带放大器以及变送器，输出为0-5v(输出信号可以自己设计，本文中采用MSP430单片机，因为AD接口只能接受电压信号，所以设计温度变送器输出为电压信号)，信号线段采用远程端子；并且配备智能温度巡检报警装备，报警温度上限为 70 17，报警温度上限可以通过程序调节。2.2筒仓内部温度监控的详细设计筒仓内部各个端面温度的测量不但是筒仓监测最重要的参数之一，也是最难测量的参数。现有的用来实际监测温度的温度传感器如热电阻、热电偶型都是接触型，它们只能监测到探头接触到的物体的表面温度，另一种红外测温仪虽然可以间隔一定距离测量，但也只能测量煤堆表面温度，煤堆内部各个端面的温度很难测量。而且煤的自燃主要是靠筒仓内部的煤炭氧化发热造成，外加煤的导热性较差，热量不容易扩散出去，导致筒仓内部温度过高，而筒仓外部储煤由于靠近筒壁，所以散热较快，温度比内部低。当热电阻测量的筒仓内壁附近温度达到一定温度时，其内部温度可能已经超过了报警值，而且由于筒仓情况复杂很难推算出煤仓内部的温度18。为了解决这个问题，本章中设计了一种较为科学的多点测温电缆，使得测量的温度能够真实地反映筒仓内的温度情况。测温电缆，顾名思义就是可以对整个测量区域内的温度的变化进行实时监控，而且可以知道温度随时间的变化情况，测得的温度也是该区域内的最高温度。测温电缆主要分为两种，模拟式和数字式。模拟式测温电缆即测温电缆中所包含的传感器输出为模拟信号，数字式即其传感器输出为数字信号19-22。本设计为筒仓内部各个端面温度的监测，采用数字式测温电缆，基于DS18B20一线总线式数字温度传感器测温电缆且所有测点均密封于线缆内部。其具有独特的温度探测功能，完全和目前现有的温度传感器不同，利用寻址的方式，能够不断的识别电缆上不同位置的温度，还能监测到温度变化的速率和幅度，而且能确定温度变化的地点。可以准确的测出筒仓内部各个端面温度。DS18B20因为器件不但体积小，而且集成度高，元件线性度也比较好（在0100时，最大线性偏差小于1），自带A/D转换功能，更重要是其低功耗，符合现代工业的发展要求。DS18B20温度传感器的引脚如图2-2所示。引脚功能 1）VDD：可选电源脚，电源电压范围35.5V。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地；2）DQ：数据输入/输出脚。漏极开路，常态下高电平；3）GND：电源地。图2-2 DS18B20温度传感器引脚图DS18B20内部结构主要由四部分组成：64 位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。光刻 ROM 中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻ROM的作用使每一个DS18B20都各不相同。这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的23。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，并且输出为数字信号。其内部结构如图2-3所示。图2-3 DS18B20内部结构图为了实时监控筒仓内煤层各个断面的温度，在每个筒仓中设置4 套煤层测温电缆装置，外部缠绕不锈钢钢丝绳，以防止煤炭对测温元件的冲击磨损。因为每个DS18B20器件都有一个唯一的64 bit ROM地址，通过相关通信协议就能识别这些序列号，这样多个DS18B20可以挂接在同一条单总线上，构成多点温度采集网络。而且由于DS18B20具有“单总线”的技术特点，因此具有两种不同的方式连接单片机，单端口并联连接（所有DS18B20均连接在同一条总线上，然后再连接到单片机的某个I/O端口。这种连接方式具有硬件开销小的优点，理论上一根总线可以挂接256个DS18B20，但若连接的数字传感器数量较多，单片机需要花较多的时间才能获得每个传感器的序列号，会降低系统的实时性，使用这种连接方式会使编程变得非常复杂难懂。）和多端口并行连接（即每一个DS18B20单独占用单片机某个I/O端口。这种并行连接方式使得单片机能够同时对所有的传感器进行并行操作，同一时间能实现多个输入输出，实现对温度数据的快速读取，从而提高了系统的实时性，同时软件编程也变得简单，缩短了项目的开发周期。）根据温度监测要求，设计一个结合单端口并联连接和多端口并行连接的系统，即每个I/O口连接1根测温电缆，DS18B20芯片的DQ端和采集模块的DQ端口相连。该测温电缆有许多特点和优点，如图表2-1所示。表2-1 测温电缆特点特点1提供二次开发通讯协议，便于二次开发2传感器采集方式为总线式布线，接线简单方便灵活3具有传感器搜索功能，可自动识别传感器ID4可以在线读出传感器64位唯一序列号5可与组态王、PLC、单片机等联机使用连接温度采集模块可以安装在每个筒仓温度监测系统的控制柜里，并将现场采集到的各点温度值实时传送给上位机。在控制程序中设置报警显示，当系统监测到某点的温度超过70 时，发出报警信息，运行操作员根据报警的信息决定是否需要启动相关操作降低煤炭内部温度，防止煤炭继续升温造成爆炸等影响。该测温电缆垂直吊装在筒仓顶部，伸入筒仓煤层内部，每根测温钢缆的长度为35 m，实际测温点布置范围在0 30m 间，共设置不少于6个测温点，测温点布置位置分别为L1 =8 m，L2 = 13 m，L3 = 21 m，L4 = 26 m，L5 = 31 m。温度感应范围在5 m内，测温范围达到0 + 200 。但由于缆式传感器置于煤堆内部，受到煤的压力较大，特别是在卸料的过程中压力会产生巨大的拉力，因此，对筒仓顶板结构和传感器的材料提出了很高的要求。如图2-4所示，为测温电缆的安装示意图，可以防止测温电缆在煤炭下料过程中受力过大而断裂。图2-4 测温电缆的安装示意图图2-4 测温电缆安装示意图2.3 筒仓壁周壁测温防砸结构设计周壁测温温度传感器需设有足够强度、 刚度和耐磨性能的防护套管，温度探头的保护外壳可采用不锈钢制作，而且防护套管和传感器均无法取出更换。温度传感器的安装应注意 3 点:选择正确的传感器安装角度和插入的深度，一般温度传感器与筒仓壁在顺着煤流方向时成45角；温度传感器插入筒仓深约150mm，这样可以防止温度传感器与煤流因直接碰撞或者受到冲击而导致防护套管变形、传感器失效；安装一个角钢，防止煤炭落下时直接撞击传感器，让其有一个缓冲的过程。其安装如图2-5所示。图2-5 筒仓周壁测温防砸结构示意图3筒仓气体、料位高度安全监控系统设计3.1可燃气体的监测 可燃气体包括：氧气、CO、CH4等，他们的存在是筒仓发生爆炸事故的一大因素，煤炭在筒仓存储过程中，如CO、CH4会从煤炭中逸出（逸出速度及数量不但与煤炭种类有关外，还与筒仓内煤的温度及贮存时间的长短有关），分布在筒仓内部，因为这些可燃气体密度都比空气小，故漂浮在筒仓顶部，因此用来监测这些气体质量浓度的装置应该安置在筒仓顶部。但是因为在筒仓进料的过程中，连续下落的物料也会导致筒仓空间内空气形成环流，造成可燃气体分布扩散开来，因此除了在筒仓顶板上分别安装两个CH4和CO传感器外，还应该在筒仓顶部的布袋除尘器的排空口处设置一个监测点可以更好的监测筒仓内部可燃气体的含量，防止发生爆炸事故24。筒仓顶板上的可燃气体监测元件配置安装附件后伸入筒仓 1 000 mm 即可，安装位置也不能距离筒仓顶部进料口太近，防止煤炭流动时冲刷并且损坏监测元件，另外注意煤流在进入筒仓后的自然堆积状态。监测装置输出信号接至安装在就地控制箱内分散式智能数据采集网络上。对于可燃性气体，比如CH4的监测，采用MQ-4可燃气体传感器，应该设置两级报警程序：一级报警25%LEL，表示已有一定浓度可燃性气体，提醒运行人员进行预警操作，即对筒仓里面的煤进行喷淋和优先使用；高限报警值：40%LEL，表示筒仓内可燃性气体浓度已达到危险状态，筒仓就面临爆炸的危险，运行人员必须马上安排输出筒仓内原有的储煤，并且启动惰化保护设施（惰化保护设施通常是指，当筒仓内可燃气体未发生爆炸的时候，将惰性气体充入到筒仓内稀释可燃性气体，从而达到阻止筒仓爆炸的目的。常用的惰性气体有：N2，CO2），并且其传感器的监测范围上下线可以调整，以防发生重大事故。由于 CO 不但是可燃气体也是有毒气体，而且筒仓顶部进料处和底部下料处都属于CO浓度较高的地方。为了保证进入装置人员的人身安全，应该在筒仓顶部和底部CO浓度较高的区域设置 CO 有毒气体检测器，监测元件最好设置为固定式，假如不具备设置固定式的条件时，凡进入该区域的操作人员，都应该配置便携式CO监测报警仪。除此之外，CO 视为可燃气体和视为有毒气体的监测报警的浓度和要求完全不一样。CO视作可燃气体时候的爆炸下限为 12.5%，而视作有毒气体时候的最高容许浓度为 30 mg/m3。经换算可得知后者远小于前者，因此不能将两者一起分析监测，更不能将监测元件简单的互相替换使用。对于CO传感器的测量范围：0-1000ppm（单位ppm，含义为100万体积的空气中所含一氧化碳的体积数），报警分为2级：一级报警值20ppm和二级报警值40ppm，并且报警上限可以调整。当设备监测到一氧化碳气体浓度达到低报警值时，向运行操作人员发出报警信号，并自动连锁启动筒仓顶部防爆排风机，排风机将仓内气体向外界排放，起到降低可燃气体浓度的作用。故而在筒仓顶部操作平台上也应该配备CO传感器，采用MQ-7一氧化碳传感器，监测空气中CO含量并提醒操作人员撤离。3.2烟雾浓度监测不管什么原因，当筒仓内的煤炭发生自然或阴燃时，都会有烟雾产生，而一旦有烟雾存在，运行人员必须采取紧急措施，消除自然，防止事故的扩大。烟雾监测装置与可燃气体监测装置的安装布置方式相似，但两者要错开布置，防止监测装置互相影响造成测量不准确。烟雾监测采用MQ-2烟雾传感器，装置用气敏元件作探头，当探头内的传感器接触到烟雾时其导电率增加，烟雾浓度不同时，与传感器所对应的导电率也不同，这一变化量可以通过电平指示电路及控制电路来分别驱动电平指示二极管和报警电路工作，发出报警信号，及时处理事故。而且这种监测装置灵敏度高、稳定性好、传感器精度高、价格便宜并且能够抗非烟雾和粉尘干扰、安装方便等优点25。3.3料位高度监测3.3.1 雷达料位监测 采用筒仓的方式储煤后，也对筒仓内煤炭的料位高度监测提出了更高的要就，煤炭通过卸料小车卸入到筒仓内，保证卸料小车可以在筒仓内均匀完成卸料操作的前提下，同时还要考虑煤炭超高堆放及冒仓的风险， 因此需要设计筒仓内煤炭的堆高、堆形以及高位报警装置。设计时考虑料位高度检测方式为非接触式。在采用非接触方式测量煤堆高度时，可以采用超声波或雷达式料位检测设备，通过物体回波反射的原理来计算出堆积煤炭的实际高度。但考虑到在实际应用中，超声波为机械波，在空间传输过程中极易受到环境中的粉尘或者障碍物的影响，使得测量精度受到影响；而雷达波则是一种电磁波，在传递中对粉尘及较小的障碍物都有一定的穿透效果；故在选择料位监测设备时优先考虑设计采用雷达方式料位检测设备，其精确度高，还具有现场编程调试，受介电常数、温度、压力与密度的影响小、测量不受物位表面波动、粉尘、蒸汽和泡沫的影响，测量长度可灵活变化、无须标定等功能特点，并且控制简单方便，通过计算声波在空气中传播的时间来确定料位计到测量物体的距离。被测的距离通过模拟量信号输出给相应的控制设备。所以料位高度采用雷达式形式监测。雷达安装在筒仓仓顶，位置在出料口的正上方，可实时连续监测每个出料口的储煤高度。筒仓内的料位雷达检测最大范围为76 m，工程实际应用范围为大约为40 m，设备测量精度在10cm 范围内。在筒仓工作实际应用时，地面控制系统可通过每个筒仓配置的料位雷达反馈的物料高度信息，经过数学建模计算出筒仓内储煤容量26。同时该雷达料位计的数据也为筒仓顶部卸料小车自动堆料和仓底激活给料机自动卸料提供了数据参考依据。3.3.2高料位监测为了保证筒仓内储煤高度的绝对可靠，防止出现冒仓现象，在每个筒仓设置了高料位倾斜式水银开关（水银开关即倾侧开关，为电路开关的一种，为一个有一滴水银、接着电极且其中为真空或者惰性气体的小容器。由于存在重力，水银水珠会向容器中较低的地方流去，如果同时接触到两个电极，开关便会将电路闭合，开启开关。）该监测开关的作用是用来监测当筒仓内堆料到一定高度时，料堆碰触到水银开关并发出报警信号。该报警信号采用无源常闭触点型信号，控制系统在接收到报警信息后，立即使堆料设备停机，禁止进料。该信号检测设备是预防筒仓冒仓的最后保护措施。当筒仓上卸料小车对所在筒仓进行工作时，雷达料位和水银料位相连锁。当雷达检测筒仓内物料高度在20 m 以下时，采用三点堆料形式，即卸料小车在筒仓上平均选择三个堆料点进行堆料作业；当筒仓内物料高度在20 m 以上32 m 以下时，采用六点堆料模式，即卸料小车在筒仓上平均选择六个堆料点进行堆料作业；当筒仓内物料高度在32 m 以上时，采用往复堆料模式，即卸料小车在筒仓上以低速行走并同时进行堆料作业；当雷达检测筒仓内物料高度达到37 m 时，系统发出报警信号，通知操作人员，操作人员采取相应的措施。如果操作人员未采取措施，仓内物料高度继续上升，触碰到水银高料位开关后，则堆料系统设备自动停机，防止筒仓溢料，从而保证筒仓储煤运行的安全27,28。各类传感器的安装示意图如图3-1所示。图3-1 各类传感器安装示意图4实物设计与结果分析系统调试，即是通过设计硬件和软件正确的结合方式，实现系统的最终功能，本次设计实物模拟实现了筒仓壁温度测量的过程。利用铠装式铂电阻、温度变送器采集温度，然后用MSP430单片机控制数码管显示温度传感器测得的温度。在本次设计中，使用的是在MSP430单片机基础开发完成的开发板DM430-A，DM430-A是具有超高性价比的 USB 型多功能复合型 MSP430 单片机开发板，具有应用丰富使用简单的特点，而且该开发板板载了丰富的外围资源模块，包括 8 位高亮数码管、8 位发光二极管、有源蜂鸣器、温度传感器、EEPROM 芯片、DAC 芯片、4 位独立键盘等等功能，支持 USB 供电与外接稳压电源供电，满足本次设计基础的需要。4.1 MSP430单片机的特点及应用MSP430 系列单片机是美国德州仪器公司开发的16位超低功耗，具有精简指令集的混合信号处理器。因为将不同功能的模拟电路，数字电路和微处理器集成在一个芯片上，故性价比高，在单片机市场中广泛应用29。16位处理器加上RISC精简指令集的应用，使得MSP430有着51系列单片机无可比拟的处理速度，MSP430每条指令的执行只需要一个机器周期，这意味着更高的执行效率。此外，MSP430内部集成了大量的片内外设，根据不同的系列和型号，分别有模拟比较器，定时器，ADC转换模块，硬件乘法器，液晶驱动器，WDT等等，能够实现各种各样不同的功能，极大的简化了外围电路的设计和减少了附加芯片的选用，同时也提高了MSP430芯片的性价比。MSP430单片机的一些特点见表4-1。表4-1 MSP430单片机特点特点内容超低功耗1.8-3.6v电压，200-40uA电流，可以实现电池长时间供电强大的处理能力16位精简指令，Risc结构，指令及寻址方式丰富高性能模拟技术具有传感器搜索功能，可自动识别传感器ID12位精度ADC转化同时处理8路外部模拟信号，内存器直接操作ADC模块丰富的片上外围模块WDT、模拟比较器、硬件乘法器、液晶驱动器等系统工作稳定DCOCLK和MCLK配合工作，若程序跑飞，看门狗将其复位高效的开发环境支持汇编和C语言编程及JTAG调试接口适用性好运行环境温度为-40+85摄氏度，适用于工业环境因为相比于51单片机，MSP430有更精简的编程指令，以及超低功耗的特点，更适合工业上的应用。51单片机因为其本身结构的限制，很难再实现模拟功能部件的增加，而MSP430单片机无论扩展 8 位功能模块还是 16 位的功能模块，以及扩展A/D、D/A这类的功能模块也很方便，而且51单片机在线编程也不容易。MSP430单片机不仅开发工具简便，可以使用汇编语言，也可以使用C语言，而且价格也相对低廉，并且可以实现在线编程，非常适合工程现场的数据采集和处理30。MSP430单片机包含了计算机所有部件，是一个真正的单片机微控制器，其内部结构如图4-1。综上所述，本次设计更适合采用MSP430单片机来控制储煤筒仓温度，可燃气体浓度等参数的采集。而且实物实验设计中，采用MSP430F149系列单片机，其芯片采用LQFP64封装，管脚分布图如图4-2所示。图4-1 MSP430单片机内部结构图图4-2 MSP430F14X系列单片机管脚分布图4.2温度传感器信号的采集设计采用pt100温度传感器采集温度，但由于温度传感器输出是电阻信号，无法直接连接到MSP430单片机中，通过分析，使用温度变送器可以实现将传感器输出的电阻信号转化成电压或者电流信号，然后在连接到单片机的AD转化模块。研究DM430-A开发板可以知道，其AD模块只能接受0-2.5v的电压，故需要将输出信号转化为电压信号。采用输出信号为电压的温度变送器，外加24VDC外接电源即可。其pt100温度传感器、温度变送器、以及MSP430单片机的连接图如图4-3所示。此类温度变送器可以接收热电阻和各类热电偶的输入信号，并且可以直接安装在温度传感器接线盒内，并标出标准电压或者电流信号，广泛用于电力、冶金等行业去控制传感器的输出信号。其有良好的功能特点：体积小巧、安装方便、精度好、抗干扰、稳定性好、免维护，并且外部可直接调零和满度，输出为电流或者电压信号，传输距离远，缩短了控制装置与传感器的距离，同时降低由于线路连接所带来的误差。而且温度和实际输出电压成线性关系，测量方便。其中实际温度=量程/电压*实际电压输出。在此实物实验中，选择传感器测量温度量程为0-150，输出电压为0-5v的温度变送器，测量精度为热电阻0.2%FS，温度误差为0.2%，调整方式为使用电位器，电源24VDC10%，负载能力：0500，环境温度：-2080，环境湿度：85%RH。此情况下，完全满足电厂筒仓周壁温度测量的要求。分析知要测量的实际温度和测得的输出电压成30倍的线性关系。利用单片机的A/D转化模块将采集到的电压信号模拟量转化成数字量，即可显示测得温度。图4-3 电压输出温度变送器接线图4.3采集信号的处理MSP430F149单片机ADC模块为12为ADC，即ADC12，可以快速的进行12位A/D转化，应用了12位SAR核、采样选择控制、参考产生和16位的转化控制缓冲区。共有16路输入通道，其中8路独立的外部输入通道，2路接外部电源，3路内部通道可分别测内部温度传感器、AVCC、和外部参考源。温度变送器将采集到的模拟信号接到MSP430的P6.0到P6.7的引脚上并送入单片机内部ADC转换器中，即可转换为12位的2进制数，然后CPU读取数字量并进行相应的处理。8路独立的外部输入对应芯片 P6.0P6.7 共 8 个 IO口，ADC0 和 ADC1 分别接入到 P6.0 和 P6.1，当如果我们需要采集更多的外部模拟信号时，需要更多的ADC 输入管脚，此时可以接入到单片机扩展 IO 口对应位置。通过设置P6口的功能寄存器P6SEL的值改变其功能选择，对引脚的初始化也都是通过设置引脚对应的寄存器来进行的。P6IN和P6OUT分别为P6口作为普通I/O使用时的输入和输出8位寄存器，每一个位值可以控制P6的相应引脚的电平高低。而P6DIR则用来控制P6口上8个引脚的方向，且只有当P6口作为普通I/O口使用时才有效，其中位值为1时表示对应引脚为输出状态，为0时为输入状态。而当P6引脚作为ADC信号输入脚的时候，不需要使用到这三个寄存器。P6SEL为功能选择寄存器，其位值为1时表示相应引脚链接到内部ADC模块，清0则代表为普通I/O口。P6SEL和P6DIR在单片机复位后自动清零，因此上电复位后需要重新赋值。通过设置ADC寄存器的位置实现其寄存器的功能，ADC各寄存器以及其中相关的设置位如表4-2所示。表4-2 ADC各寄存器以及其中相关的设置位位bitADC12CTL0ADC12CTL1ADC12MCTLx0ADC12SCADC12BUSYINCHx1ENCCONSEQx2ADC12TOVIE3ADC12OVIEADC12SSELx4ADC12ONSREFx5REFONADC12DIVx6REF2_57MSCEOS8SHT0xISSH9SHP10SHSx1112SHT1xCSTARTADDx131415除了这些寄存器之外，当需要使用到ADC12中断时，还需要对ADC12IE寄存器进行设置，使能对应通道寄存器的中断，寄存器ADC12IFG中对应位标志了对应通道的中断情况。在这些设置中，最常用到的是ADC12SC触发中断（SHSx=00），采样保持信号由采样时钟发生器产生（SHP=1）。MSP430F149单片机ADC模块有4种采样模式，分别为：单通道单次转换、多通道单次转换、单通道多次转换、多通道多次转换，可以通过设置CONSEQ和MCS的位值来选择控制。模拟信号经过ADC转换后的结果保存在16位寄存器ADCMEMx中，但ADCMEMx只有低12位用作结果存储，因此转换结果为12位的二进制数，类型为无符号整型数，最大值为4095，最小值为0。在对转换结果进行处理时，先读取ADCMEMx中的数值，然后还原为输入电压。其中，输入电压的最大值不应该超过参考电压最大值，否则无法测得真正的输入电压。ADC12的转化公式见式4-1。 NADC=4095(Vin-VR_)/(VR+-VR_) （4-1） 式4-1中，当采样最高电压Vin高过或等于参考电压VR+的时候，NADC 是最大值4095。当采样最低电压低于或是等于参考电压VR_的时候，NADC 是最小值0。只要将转换结果值代入公式4-1中处理，即可得到原始的电压信号值。得到电压信号值之后，根据模拟信号与待测温度变量的关系在单片机中进行编程处理就可以得到测得的温度值。通过独立按键来显示具体的温度传感值，键盘扫描采用逐键扫描的方式。首先读取IO口的状态，判断是否有按键按下：IO口值发生变化时则表示有按键按下，以此为判断依据，然后再对键盘进行消抖，延时20ms，防止IO口值是由于不小心触碰到按键导致。然后再次读取IO状态，确定是否是有真正的按键按下。如果有键按下，读取端口值，判断是那个键按下，否则返回键值初始值。在测量过程中，对传感器进行编号，即实现按下相应的键值，即可显示相应的传感器温度，实现筒仓温度的实时实地监测，其程序流程图如图4-4所示。图4-4 按键程序流程图4.4 软件程序的设计在程序设计模块，主要由主程序和子程序两个模块组成。主程序主要是实现系统的初始化以及A/D转化，数码管数据显示，包括通过独立按键控制具体传感器值测量值的显示。系统初始化又分为下面几部分的初始化：寄存器（控制和中断）初始化，通信（如串口、单片机、信息发送）初始化，数码管显示初始化，输出端口以及数据采集的初始化等等。A/D转化即将测得的传感器输出的模拟信号转化成数码管显示所需的数字信号。数码管主要显示测得的温度传感器以及该传感器的温度。程序流程图如图4-5所示，具体的测试程序见附录A。 图4-5 程序流程图4.5 结果分析经过系统的整体调试，本设计达到了预期的设计要求：用数码管直接显示测得温度值，并且通过独立按键控制具体的温度传感器值的显示，在2个温度传感器值只要有一个值大于设置的报警值时，进行报警，按下复位键时，数码管不再显示温度值，并停止报警，进行复位。该系统在硬件设计上主要是通过其核心控制器件MSP430单片机将采集到的模拟量经单片机处理得到相应的温度值，送到8位数码管显示，以数字形式显示测量的温度。整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活。可以满足实现筒仓壁多个温度传感器的测量。早上9点实际测量煤炭温度如图4-6所示，按下独立按键1，显示第一个温度传感器温度，按下按键2，显示第2个温度传感器温度，按下按键3，显示2个温度传感之和。图4-6 实际测量煤温度图总结与展望1.论文设计总结在大四下半学期的时间里，根据设计任务，按时按量的完成了本次毕业设计。首先，在此次毕业设计初期，阅读了大量的资料和相关该论文题目信息的收集工作，为完成本次毕业设计奠定了坚实的基础，并完成了文献综述和外文翻译的毕业论文写作要求。设计中期，完成了对筒仓温度、气体、料位高度等监测的传感器的选型和其控制装置的选择设计。设计最后，主要进行了防砸结构设计和各种图纸的绘制，并在前期的设计基础上完成了模拟筒仓壁温度测量的实物设计。并且通过此次设计，熟悉了电厂储煤筒仓安全监控的相关知识，了解电厂运行的相关情况。2.设计展望本次设计工作只是筒仓安全监控的一部分，有许多设计和相关知识还需要更进一步的探索和深入研究。比如，目前国内监控均采用有线的传输方式，即信号采集、通信和控制通过线缆完成，这种方式由于煤场环境复杂，所以安装布线困难，工作量大，耗时长，成本也高等。今后的设计，可以设计一种信号的采集、通信和控制均通过无线方式进行，单片机和传感器做成一体化安装在筒仓相关位置，单片机具有无线发送模块，上位机部分使单片机和PC机一体化，单片机具有无线接收模块，可以实现测量与控制的无线连接，解决传统的有线传输出现的问题和缺点。以后的设计还应该包括筒仓防爆设计和惰性气体保护装置的设计，比如，在一些温度监测要求非常严格的场合，不但需要监测温度之外，还需要配备相应的可以用来降温的自动喷洒或者火灾连锁控制报警装置，一旦温度超过预警值，即自动开启喷洒装置和连锁报警装置，实施筒仓安全保护系统的相关操作。 编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第32页 共36页参考文献 1郭湛.火电厂贮煤筒仓安全监测系统的研究与设计J.节能技术. 2005(05):414-436.2胡焕国.贮煤筒仓自燃及安全监控系统研究J.才智.2009(13):38-39.3许宁.筒仓储煤自燃预警方法的研究和应用J. 煤矿机电.2014(06):109-121.4杨培成，王志鹏.煤炭储存场所的火灾危险性及防治措施J.武警学院学报. 2008(12):64-67.5 李焱，姚新港. 圆筒储煤仓煤炭 “自燃” 事故的启示 J .煤质技术，2002(1):7- 8.6张静，白建明.火电厂贮煤筒仓安全监测系统的研究与设计J.水利电力机械. 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