PDF《嵌入式智能磷酸根分析仪的设计》

自动化仪表 第32卷第 1期2011年 1月 江苏省常州市新北区第十六批科技计划资助项目 (编号: XE120091604);

江苏省常州市重点实验室基金资助项目 (编号: C30902);

河海大学基本科研基金资助项目 (编号: 2009B31214).

修改稿收到日期: 2010- 07-

05 . 第一作者黄皎, 男, 1963年生, 1988年毕业于东南大学测试计量技术 及仪器专业, 获硕士学位, 副教授;

主要从事网络化仪表及传感技术、 智 能与嵌入式技术等方面的研究. 嵌入式智能磷酸根分析仪的设计 Design of Em bedded Intelligent Phosphate Analyzer 黄皎1,

2 刘修峰

1 陆晓春

1 ,

2 丁彦1吴明春

1 (河海大学计算机与信息学院

1 , 江苏 常州

213022 ;

江苏省输配电装备技术重点实验室

2 , 江苏 常州 213022) 摘要: 磷酸盐处理是电厂中广为采用的一种锅炉水处理方法.为了实时准确地监测锅炉水中磷酸根离子的浓度, 设计了一种高精 度智能磷酸根分析仪.分析仪以 S3C2440为核心控制器, 以嵌入式 L inux为平台, 采用 24位高精度 A /D 转换器;

分析仪由测量控制模 块、 A /D采样模块、 存储显示模块和人机交互模块组成.该设计实现了数据采集和处理、 人机交互和以太网通信等功能.实验数据表 明, 嵌入式智能磷酸根分析仪工作稳定可靠、 测量精度高、 重复性好, 能够满足电厂监测磷酸根浓度的要求. 关键词: S3C2440 嵌入式 L inux 分析仪 数据采集 人机交互 中图分类号: TP216+ .

1 文献标志码: A Abstract : Phosphate treatment is thew idely used method for boiler feed -water in po w er p lants . In order to precisely mon itor the concentration of phosphate in feed -water , the high accurate intelligent phosphate analyzer is designed. I n this analyzer , S3C2440 is used as the core controller , w ith e mbedded L inux as the platfor m, adopting 24-bit high accurateA /D converter ;

the analyzer consists ofmeasuring and control module , A /D sa mpling module , storage and display m odule and human mach ine interaction module . The functions of data acqu isition and processing , human m achine interaction , E thernet communication are m i p le m ented . Th is intelligent phosphate analyzer is stable , highly accurate , and features good repeatability , meets the requirement ofm onitoring concentration of phosphate in power plants . K eywords : S3C2440 Embedded L inux A nalyzer Data acquisition Hum an mach ine interaction

0 引言 水是电厂锅炉工作的介质, 水质量的好坏直接关 系到锅炉能否安全、 可靠、 稳定和经济地运行 [ 1- 2] .如 果锅炉给水、 炉水处理不合格, 将会造成锅炉结垢、 腐 蚀和蒸汽品质恶化, 从而导致锅炉使用寿命缩短以及 人力、 物力和能源的浪费, 甚至造成严重的经济损失和 人员伤亡, 所以必须对锅炉水进行处理.国内外大多 采用加磷酸盐的处理方式, 以提高锅炉水的缓冲性能, 维持炉水的 pH 值, 防 止锅炉水冷壁管的结垢和腐 蚀[3- 6] .因此, 研制一种能快速、 准确地测定锅炉样水 中磷酸根含量的高精度磷酸根分析仪具有重要意义. 本文研制的分析仪具有测量误差小 ( 2% FS)、 重复性好 ( 1% FS)和测量速度快 (

9 m in)等特点, 同时还具有数据存储量大、 操作方便和人机界面美观 友好等优点, 实用性较强.

1 仪表总体概述

1 .

1 分析仪测量原理 根据 Lambert -Beer定律, 当一束平行单色光垂直 通过某一均匀非散射的吸光物质时, 其吸光度 A 与吸 光物质的浓度 c和吸收层厚度 b成正比 [ 7- 8] .所以, 为了测量溶液中磷酸根的浓度, 采用显色反应 [9] , 将磷 酸根转化为有色吸光物, 通过测量其吸光度, 可以计算 出磷酸盐的含量.在酸性条件下, 正磷酸盐与钼酸铵 溶液反应生成黄色的磷钼盐锑络合物, 再使用抗坏血 酸将其还原成磷钼蓝, 在最大波长为

710 nm 处, 用分 光光度法进行测定, 可以测得样水中正磷酸盐的含量.

1 .

2 仪表的总体设计 分析仪以 S3C2440 为MCU, 包含电磁阀控制模 块、 Flash和RAM 存储模块、 LCD 人机接口模块、 A /D 采样模块、 网络和串口通信模块、 报警单元以及复位和 时钟电路外围模块等. 控制模块完成仪表测量模块的控制, 通过调节电 磁阀和蠕动泵, 实现样水、 测量试剂和标准溶液的添加 及废液的排放和测量池的冲洗等工作;

存储模块完成 大量测量数据的存储和处理, 同时记录仪表警告和报 警的信息, 提供历史数据、 仪表报警和警告等记录的查 询, 方便用户进行维护;

A /D采样模块完成测量数据的

73 嵌入式智能磷酸根分析仪的设计 黄皎, 等PROCESS AUTOMATION IN STRUM ENTATION Vol

32 N o

1 January

2011 采集和转化, 并将测得的 A /D值转换为对应的浓度值;

人机接口模块为用户提供可视化友好的人机接口界 面, 实现用户对仪表的可视化测量编程和控制, 并提供 浏览仪表当前测量过程信息、 历史数据以及仪表的报 警和警告等信息.仪表总体结构如图 1所示. 图1仪表总体结构图 Fig .

1 Overall structure of the instrum ent

2 仪表主要模块设计

2 .

1 测量模块的设计 分析仪在测量之前采用标准液进行校准.测量时 在控制模块的配合下, 将一路样水通过蠕动泵送入到 测量池;

通过分光计测定这个溶液所产生的光吸收, 以 确定样品空白参考吸收值.该点形成的色度与

0 mg /L 的正磷酸盐样品一致, 从而提供了一个零点参考值, 补 偿了样品中所存在的任何背景浊度和色度, 以及比色 计灯光输出的变化, 或是来自样品池壁的污染.测量 模块采用蠕动泵将测量试剂按照控制模块设定好的时 序和时间间隔输送到测量分析池, 并用搅拌阀搅拌均 匀;

最后用最大波长为

710 nm 的分光度计测量此时 的光电信号变化情况, 并将此变化信息送至 A /D 采样, 即可获得此样水的磷酸盐浓度值.测量模块如 图 2所示. 图2测量模块图 Fig .

2 The measure m en tm odu le

2 .

2 A /D采样模块的设计 一般地, 基于信号处理的方法以采集到的过程数 据为基础 [ 10] .常见的工业现场数据采集, 其采集速度 和精度不是很高 [ 11] .为了提高仪表的测量精度, 采用 24位高精度的 AD7710芯片作为 MCU 外接 A /D采样 电路, 其接口电路如图 3所示. 图3A/D接口电路图 F ig .

3 A /D interface circuit 为了实现采集信号和 MCU 同步, 将AD7710的MODE引脚接低电平, 使其工作在外时钟模式下, 同时 将S3C2440的TXD0 端口作为 AD7710的外时钟输入, 这样可以编程调节和控制 A /D采样频率. 在蠕动泵按照时序完成测量后, 关闭搅动阀, 与分 光计相连的光敏二极管的电压会随着光度的变化而产 生变化 [ 12] ;

将此信号经过两级负反馈放大与 PWM 构 成减法, 再经过一级电压跟随电路, 送给 AD7710芯片 的采样输入端, 转化为高精度 A /D信号送给 S3C2440, MCU 再对数据进行转化、 存储和显示等处理.

3 仪表软件设计

3 .

1 平台的建立和数据库的移植 仪表选用开源的 L inux作为仪表的系统平台 [ 13] , 并采用交叉编译 ar m-linux-gcc为编译器开发应用程 序.下载 Linux -2. 4.

18 内 核代 码, 经 过解 压、 m ake m enuconfig 、 make clean、 m ake dep、 m ake 、 m ake zI m age 、 m ake modules 、 make moudlues_ install等步骤, 对内核进 行裁剪、 建立依赖关系、 生成内核引导文件并加载内 核, 最后通过超级终端将信息下载至 S3C2440硬件平 台[14] .最终在交叉编译环境下开发系统 A /D的驱动 和应用程序、 以太网的驱动和应用程序以及 LCD的驱 动和应用程序等. 为了对大量的测量数据和仪表报警和警告等记录 进行管理, 在系统中移植微型嵌入式 MYSQL数据库. 该数据库提供了足够的用 C语言编写的 API函数 [ 15] , 提供了友好的应用程序交互, 方便用户的使用和编程. 数据库编程如下.

74 嵌入式智能磷酸根分析仪的设计 黄皎, 等 自动化仪表 第32卷第 1期2011年 1月 void Data_M ysqlProcess( ) { MYSQL m y_con ;

定义数据库对象变量 int res ;

数据库操作返回值 string* query ;

数据库操作语句 其他变量 m ysql_ init( &

my_con);

数据库初始化 mysql _ real _ connect ( &

m y _ con, host , user , passwd, dbnam e);

建立数据库的链接 res= m ysq l_query(&

my_con , query) ;

数据库操作语句处理 其他处理程序 m ysql_close(&

m y_con);

关闭数据库连接 }

3 .

2 人机接口界面的设计 为了给仪表用户提供友好的、 可视化的、 智能的人 机接口界面, 采用 Q t designer工具完成触控式人机交 互界面的设计, 同时实现数据的接收、 处理、 存储和显 示等功能.Q t提供了面向对象的可视化编程, 且提供 真彩插件 [ 16] , 实现了测量信息、 仪表测试、 仪表设置、 历史数据查询、 仪表校准和仪表维护等功能.在人机 交互中最重要的是测量信息, 所以程序中提供了 5m in 的人机交互时间差, 即在人机界面没有被控制超过

5 m in, 仪表会自动跳转到测量界面, 显示测量信息.

4 实验结果 本文已成功地完成了磷酸根分析仪样机的设计, 在经过仪表调试和校准后, 对仪表进行了大量的数据 实验.由于电厂锅炉规定的锅炉水中磷酸根的含量在 5~

50 mg /L之间 [ 4] , 所以在样机测试时校准标定量程 为0~

100 m g /L. 采用制定好的样机进行重复性实验, 按照 GB /T 6913- 2008锅炉用水和冷却水分析方法 配制浓度为

20 mg /L的磷酸盐样水溶液, 在同一个时间段内, 对该 样水进行重复性测量, 得到如表 1所示的实验数据. 表1重复性测量实验数据表 Tab .

1 Experi m ental data ofm easuring for repeatability 序号 测量值 /( mg L-

1 ) 绝对误差 /(m g L-

1 ) 引用误差 /% FS

1 19 .

4 -

0 .

6 - 0.

6 2

19 .

6 -

0 .

4 - 0.

4 3

20 .

4 0 .

4 0.

4 4

19 .

6 -

0 .

4 - 0.

4 5

19 .

5 -

0 .

5 - 0.

5 由表 1可以看出, 最大重复误差为 0. 6% , 最大绝 对误差为

0 .

6 m g /L, 小于国家标准 GB /T 6913-

2008 锅炉用水和冷却水分析方法 磷酸盐的测定 制定 的试验室内绝对误差 1.

0 m g /L的标准. 按照标准, 分别配制磷酸根浓度 (单位: mg /L)为

5、10 、

20、

40、

60、

80、

100、

140、

160、190的标准液作为样 水[4] , 校准磷酸根测量仪表的量程为 0~

200 mg /L, 进 行误差性测量试验, 得到如表 2所示的实验结果. 表2误差性实验测量数据表 Tab .

2 Experi m ental data ofm easuring for error 序号标准值 /(m g L-

1 ) 测量值 /( mg L-

1 ) 绝对误差 /(m g L-

1 ) 相对误差 /% 引用误差 /% FS

1 5

5 .

2 0 .

2 4.

00 0.

10 2

10 9 .

6 -

0 .

4 - 4.

00 - 0.

10 3

20 19 .

6 -

0 .

4 - 2.

00 - 0.

05 4

40 40 .

9 0 .

9 2.

30 0.

45 5

60 61 .

2 1 .

2 2.

00 0.

60 6

80 81 .

4 1 .

4 1.

75 0.

60 7

100 98 .

7 -

1 .

3 - 1.

60 - 0.

65 8

140 141 .

2 1 .

2 0.

86 0.

60 9

160 158 .

6 -

1 .

4 - 0.

86 - 0.

70 10

190 191 .

0 1 .

0 0.

52 0.

50 由表 2可以得出, 在磷酸根仪表可测范围内, 仪表 测得的最大绝对误差均小于标准制定的三档最大误差 值[4] , 虽然引用误差随着测量值的增大有增大的趋势, 但是也在规定的允许范围之内 [ 4] . 大量实验数据证明, 此仪表的重复性和测量精度 均在

2 % FS之内.

5 结束语 本文结合显色反应化学原理、 嵌入式电子技术、 嵌 入式数据库技术和界面编程技术, 设计了一种适合电 厂测量锅炉水中磷酸根离子浓度的实时分析仪.仪表 以32位高性能嵌入式微处理器和嵌入式实时操作仪 表为核心, 且采用 24位高精度 A /D转换器, 具有功耗 低、 精度高、 实时性好和稳定性高等特点. 目前, 仪表已经通过大量实验测试, 实验数据均表 明该仪表测量精度高、 重复性较好, 且具有较高的可靠 性, 各项指标均满足电厂磷酸根浓度监测的要求, 具有 一定的实用价值. 参考文献 [ 1] 相朝斌. 浅谈锅炉过热器积盐原因及控制措施 [ J]. 工业锅炉, 2009( 5): 55-

57 . [ 2] 陈光利. 工业锅炉水质不良的危害及水质控制环节 [ J]. 特钢技 术,

2007 , 12( 2): 49- 51. [ 3] 傅强, 彭珂如. 锅炉水磷酸盐处理法的进展 [ J]. 化学清洗,

1999 , 15( 5): 27- 30. (下转第 79页)75 嵌入式智能磷酸根分析仪的设计 黄皎, 等 自动化仪表 第32卷第 1期2011年 1月 进行了对比, 数据对照表如表 2所示. 表中 C-ZK-2为本研制仪器命名的型号, 哈希 1和 哈希 2分别为 2台sension TM 156型号仪器. 表2测试数据对照表 Tab .

2 Cross reference of the test data 测量地点 测量结果 /( s cm -

1 ) C-ZK-2 哈希

1 哈希

2 相对误差 /% 哈希

1 哈希

2 灵武市 杜家滩 3队711

717 716 0................