李旭

摘要：換熱器在線檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與研究，主要是以服務(wù)換熱器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室和換熱器生產(chǎn)企業(yè)為核心，以檢測(cè)換熱器產(chǎn)品質(zhì)量為目標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊、處理模塊以及計(jì)算機(jī)軟件等的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)換熱器的在線檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：換熱器;機(jī)械設(shè)計(jì);在線檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41;TK172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，是一種在不同溫度的兩種或兩種以上冷熱流體間實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備[1]。換熱器檢測(cè)是指對(duì)換熱器性能的檢測(cè)，大多數(shù)采用傳熱與阻力性能作為對(duì)換熱器的評(píng)價(jià)依據(jù)。由于換熱器檢測(cè)系統(tǒng)的體積大、建設(shè)開(kāi)發(fā)成本高，大多數(shù)換熱器廠家并沒(méi)有完整的測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。國(guó)內(nèi)具備換熱器檢測(cè)資質(zhì)和能力的實(shí)驗(yàn)室較少，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)換熱器檢測(cè)主要是以送檢的形式，將換熱器運(yùn)輸?shù)骄邆錂z測(cè)能力和資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)輸和檢測(cè)周期較長(zhǎng)，運(yùn)輸和檢測(cè)費(fèi)用也很高，企業(yè)無(wú)法方便快捷地對(duì)換熱器進(jìn)行檢測(cè)。因此，目前的換熱器檢測(cè)系統(tǒng)不能完全滿足市場(chǎng)的需求。為解決以上問(wèn)題，本文提出換熱器在線檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與研究：企業(yè)的換熱器在安裝檢測(cè)裝置后，便可以對(duì)換熱器運(yùn)行時(shí)的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡髽I(yè)計(jì)算機(jī)中的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件上顯示，并依照標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算得出當(dāng)前工況下的總傳熱系數(shù)和壓力降。結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的換熱器在線檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了換熱器的在線檢測(cè)。

2 換熱器在線檢測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 換熱器在線檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)理念

換熱器在線檢測(cè)裝置硬件部分主要由單片機(jī)控制模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、報(bào)警模塊、通信模塊以及存儲(chǔ)模塊等組成，檢測(cè)裝置架構(gòu)如圖1所示。STM8S105C6T6型號(hào)的單片機(jī)具有功能多、價(jià)格低等特點(diǎn)，因此，選作本系統(tǒng)硬件的控制模塊，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及完成通信等功能。壓力、溫度傳感器和流量計(jì)等構(gòu)成了具有實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)功能的數(shù)據(jù)采集模塊;報(bào)警模塊的作用是在檢測(cè)數(shù)據(jù)超出系統(tǒng)預(yù)設(shè)范圍時(shí)，播放聲音警報(bào);電源模塊的作用是為蜂鳴器、單片機(jī)、壓力傳感器、溫度傳感器等提供所需的直流電壓。單片機(jī)通過(guò)RS-485總線的形式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 單片機(jī)控制模塊

2.2.1 單片機(jī)控制模塊的主要功能及選型

處理器單元作為硬件設(shè)計(jì)的核心，性能、可靠性等是評(píng)價(jià)控制芯片的主要參考依據(jù)。單片機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入輸出等設(shè)備構(gòu)成，協(xié)調(diào)整個(gè)硬件終端系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，包括數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸，以及對(duì)計(jì)算機(jī)命令的處理，是整個(gè)檢測(cè)單元的“大腦”。就本系統(tǒng)而言，在精度和功能滿足要求的前提下，對(duì)單片機(jī)最主要的需求是抗干擾能力強(qiáng)、成本價(jià)格低、方便開(kāi)發(fā)。STM8系列的單片機(jī)采用先進(jìn)內(nèi)核架構(gòu)和工藝技術(shù)，處理能力達(dá)20 MIPS，主頻為24 MHz的8位單片機(jī)，相比同類(lèi)的8位單片機(jī)，它最顯著的特點(diǎn)是功能強(qiáng)、支持在線仿真、引腳數(shù)多[2]，對(duì)比16位和32位單片機(jī)，它具有價(jià)格便宜的特點(diǎn)。本文采用的是STM8系列工業(yè)級(jí)的STM8S105C6T6作為微處理器。

2.2.2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

STM8S105C6T6作為檢測(cè)單元的核心，所有的模塊都要與它進(jìn)行連接，單片機(jī)的引腳和部分連接如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊中的溫度檢測(cè)電路通過(guò)PB0、PB1、PB2、PB3進(jìn)行連接，壓力檢測(cè)電路通過(guò)PB4、PB5、PB6、PB7進(jìn)行連接，流量檢測(cè)電路通過(guò)PE6、PE7進(jìn)行連接，報(bào)警模塊通過(guò)PD5進(jìn)行連接。

2.3 存儲(chǔ)模塊

對(duì)于檢驗(yàn)檢測(cè)工作來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)安全、便捷、可靠的存儲(chǔ)十分重要。因此，系統(tǒng)存儲(chǔ)采用企業(yè)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和云服務(wù)器存儲(chǔ)兩級(jí)存儲(chǔ)方案。

第一級(jí)，將換熱器信息包含檢測(cè)單元實(shí)時(shí)采集到的信息存儲(chǔ)到相應(yīng)企業(yè)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)用移動(dòng)硬盤(pán)中。通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)需求和節(jié)約成本的原則，選用容量為1TB的聯(lián)想F500移動(dòng)硬盤(pán)作為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。該硬盤(pán)適用于Windows Vista/XP/7/8/10/Mac等系統(tǒng)，采用USB3.0的高速接口，硬盤(pán)理論讀取速度為60～140 MB/s，寫(xiě)入速度為50～90 MB/s，高速的讀寫(xiě)能力滿足系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需求。同時(shí)硬盤(pán)內(nèi)置加密軟件保證數(shù)據(jù)的安全性。第二級(jí)，通過(guò)云存儲(chǔ)技術(shù)將數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)到檢測(cè)中心服務(wù)器上。對(duì)于換熱器用戶來(lái)說(shuō)，檢測(cè)系統(tǒng)的使用時(shí)間并不固定，甚至是24小時(shí)不間斷工作運(yùn)行，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量非常大，因此，要求服務(wù)器設(shè)備具備運(yùn)行速度快、內(nèi)存大、能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn)。結(jié)合上述需求，選擇了聯(lián)想的TS250塔式服務(wù)器。

2.4 電源模塊

作為應(yīng)用在工業(yè)上的設(shè)備，硬件系統(tǒng)要求電源電壓穩(wěn)定、紋波小、壽命長(zhǎng)、效率高，能夠在惡劣環(huán)境穩(wěn)定工作[3]。系統(tǒng)硬件元件需要的供電直流電壓分別為單片機(jī)5 V、蜂鳴器5 V、溫度傳感器5 V、壓力傳感器24 V、電磁流量計(jì)24 V。采用型號(hào)為HD0524P36SR的雙路雙隔離開(kāi)關(guān)電源模塊，將市電AC 220 V轉(zhuǎn)為DC24 V和DC 5 V。電源模塊的電路如圖3所示。輸入電壓為220 V交流電，輸出電壓為5 V和24 V直流電，工作溫度-20～85℃滿足系統(tǒng)要求;RV壓敏電阻能夠在能量特別大時(shí)保護(hù)模塊，CX型號(hào)的電容對(duì)抑制差模信號(hào)干擾有很好的效果，R1泄放電阻能夠保障模塊掉電后消耗CX電容能量，LCM共模電感、CY1-Y2電容能夠抑制共模信號(hào)干擾的同時(shí)，還能提高設(shè)備抗干擾能力以及模塊的可靠性。

2.5 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的作用是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求采集現(xiàn)場(chǎng)工況下?lián)Q熱器進(jìn)口和出口管道內(nèi)的溫度、壓力數(shù)據(jù)以及進(jìn)口管道內(nèi)的流量數(shù)據(jù)。

2.5.1 溫度檢測(cè)電路

溫度傳感器能夠在測(cè)量溫度時(shí)，將其非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)等可用的輸出信號(hào)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27698.8—2011第四部分的要求，溫度傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)或精度不得低于0.5，測(cè)溫元件的感溫點(diǎn)應(yīng)位于管道中心。在換熱器檢測(cè)的過(guò)程中，具有實(shí)際環(huán)境惡劣、溫度范圍通常為10～80℃之間、傳感器與處理電路之間引線長(zhǎng)等特點(diǎn)。對(duì)比常用的幾種溫度傳感器，根據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)溫點(diǎn)的要求且結(jié)合實(shí)際，系統(tǒng)選用Pt100型鉑熱電阻溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行采集。

2.5.2 壓力檢測(cè)電路

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27698.8—2011第四部分的要求，壓力變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)或精度不得低于0.5，在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中壓力通常為10～100 kPa，通過(guò)比對(duì)選擇壓阻式中的擴(kuò)散硅壓力變送器作為壓力采集設(shè)備。

被測(cè)水介質(zhì)在管道中的壓力直接作用在擴(kuò)散硅壓力變送器的彈性元件上，用傳感元件檢測(cè)傳感器電阻值的變化，進(jìn)而輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，其原理如圖4所示。

2.5.3 流量檢測(cè)電路

根據(jù)系統(tǒng)的要求，要分別測(cè)量冷、熱管道內(nèi)介質(zhì)的流量，依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27698.8—2011第四部分的要求，流量傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)或精度不得低于0.5。通過(guò)比對(duì)，電磁流量計(jì)更符合需求，具體電路原理如圖5所示。

2.6 通信模塊

通信模塊的作用是實(shí)現(xiàn)在工業(yè)環(huán)境中將各個(gè)檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)精確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。結(jié)合換熱器使用的情況，系統(tǒng)對(duì)通信模塊的主要需求是在能夠完成長(zhǎng)距離傳輸任務(wù)的同時(shí)，還能保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。因此選擇了RS-485總線的形式實(shí)現(xiàn)多個(gè)檢測(cè)單元與計(jì)算機(jī)間的通信，如圖6所示。

2.7 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的作用是在檢測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)范圍的時(shí)候發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警。采用蜂鳴器作為報(bào)警模塊，按結(jié)構(gòu)主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器。無(wú)源蜂鳴器只能發(fā)出很輕微的振動(dòng)聲，根據(jù)換熱器實(shí)際工作環(huán)境及系統(tǒng)的需求，要求報(bào)警模塊發(fā)出較大的警報(bào)聲音且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此選用了有源電磁式蜂鳴器。

3 換熱器在線檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)裝置軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境

檢測(cè)裝置的STM8單片機(jī)程序采用ST Toolset version 4.3.0作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要包括STVD（ST Visual Develop）和STVP（ST Visual Programmer）兩部分軟件，其中STVD是具備創(chuàng)建、調(diào)試、燒錄ST微控制器功能的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，STVP是用于生產(chǎn)或批量的專(zhuān)用燒錄軟件。本文采用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3.2 檢測(cè)裝置的軟件程序

系統(tǒng)的軟件程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)程序命令的應(yīng)答和處理以及對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集功能，具體是指對(duì)信號(hào)的判斷、處理和通信等。通過(guò)使用C語(yǔ)言對(duì)程序進(jìn)行了編程和調(diào)試工作，單片機(jī)的主程序調(diào)用相關(guān)子程序?qū)崿F(xiàn)具體功能，具體流程如圖7所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的換熱器在線檢測(cè)裝置，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求和企業(yè)換熱器實(shí)際工作環(huán)境的特點(diǎn)，在對(duì)在線檢測(cè)裝置整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，著重闡述了單片機(jī)及其外圍電路、存儲(chǔ)、電源、數(shù)據(jù)采集、通信、警報(bào)等模塊的選型和設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：武多多）

參考文獻(xiàn)：

[1]史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)（第5版）[M].南京：東南大學(xué)出版社，2014：1-35.

[2]董榮偉.基于STM8的交流電壓檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)機(jī)，2017（3）：57+59.

[3]彭博.基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的工廠能耗分析平臺(tái)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2017.