(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

氧化鋯氧量分析儀由氧化鋯探頭和氧量變送器兩部分組成，主要應(yīng)用于火電、化工、冶煉、輕紡和采暖等企業(yè)的工業(yè)鍋爐。氧化鋯探頭測(cè)量鍋爐煙氣中氧氣的體積百分含量，氧量變送器把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到的氧氣含量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，輸出至工控室記錄儀或DCS系統(tǒng)(儀表集散控制系統(tǒng))。氧氣體積百分含量的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)保障鍋爐運(yùn)行安全、提高燃燒效率及減少污染物排放起到重要作用。

氧化鋯氧分析儀多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，工控設(shè)備數(shù)量多且多為大功率設(shè)備，容易對(duì)電信號(hào)造成干擾，作為信號(hào)采集運(yùn)算及處理的氧量變送器，在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)因干擾造成的運(yùn)行不穩(wěn)定情況，給現(xiàn)場(chǎng)工作帶來(lái)很多不便和麻煩。針對(duì)這一問(wèn)題，需要對(duì)氧量變送器進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)其抗干擾性能[1]，降低現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行干擾故障率。

1 干擾原因分析

1.1 硬件濾波

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾源多，許多大功率設(shè)備，它們的運(yùn)行特別是啟停時(shí)，會(huì)對(duì)氧量變送器產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，系統(tǒng)外引線干擾尤為嚴(yán)重(表1)。干擾源輸入有兩種途徑：一是通過(guò)供電電源串入的電網(wǎng)干擾信號(hào)；二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，如圖1所示。

表1 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾情況說(shuō)明

圖1 變送器現(xiàn)場(chǎng)接線示意圖

硬件濾波不夠[2]會(huì)產(chǎn)生干擾引起測(cè)量誤差或運(yùn)行故障。現(xiàn)場(chǎng)安裝氧量變送器需要外接配電箱電源，與探頭連接存在引線，干擾可通過(guò)電源和連接線進(jìn)入。分析氧量變送器設(shè)計(jì)原理圖，在硬件濾波設(shè)計(jì)上，氧量變送器主板有常規(guī)隔離和電容濾波設(shè)計(jì)，沒(méi)有針對(duì)大功率設(shè)備強(qiáng)干擾在電源輸入及電流輸出端采取濾波措施[3]，電源輸入對(duì)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生干擾，DCS設(shè)備與電流輸出會(huì)互相影響，造成氧量變送器抗干擾能力降低?？梢酝ㄟ^(guò)模擬干擾試驗(yàn)，驗(yàn)證硬件濾波不夠時(shí)，干擾源對(duì)氧量變送器抗干擾能力影響程度。

因硬件濾波不夠，外部強(qiáng)干擾如大功率設(shè)備啟停或高壓發(fā)生過(guò)程中，干擾信號(hào)可能通過(guò)供電電源或信號(hào)線串入氧量變送器主控電路，對(duì)邊沿觸發(fā)型集成模塊造成影響。通過(guò)對(duì)氧量變送器主板及顯示板集成電路進(jìn)行分析篩選，顯示板上主控驅(qū)動(dòng)模塊MAX7219是邊沿觸發(fā)型，且沒(méi)有復(fù)位引腳，干擾異常時(shí)，容易“鎖死”，用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為氧量變送器顯示跳躍、亂碼、全暗或全亮的故障現(xiàn)象，需要系統(tǒng)重新加電才能復(fù)位。

1.2 軟件濾波

通過(guò)檢查及分析氧量變送器軟件設(shè)計(jì)流程，氧量變送器輸入模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并數(shù)字化以后，運(yùn)算前沒(méi)有數(shù)據(jù)濾波設(shè)計(jì)，運(yùn)算輸出為實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果。

信號(hào)輸入端或接地端因干擾產(chǎn)生異常信號(hào)時(shí)，異常信號(hào)數(shù)據(jù)也進(jìn)行了運(yùn)算及轉(zhuǎn)換輸出，造成現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的輸出端顯示數(shù)據(jù)波形出現(xiàn)短時(shí)間不規(guī)則尖峰。信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和直接運(yùn)算輸出還會(huì)造成輸出結(jié)果波動(dòng)較大[4]，如圖2所示。同時(shí)，氧量變送器輸入的跳變信號(hào)還會(huì)造成系統(tǒng)電路運(yùn)行不穩(wěn)定，造成跳變或死機(jī)故障。

2 抗干擾設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件濾波措施

1)輸入輸出濾波隔離

在電源輸入端加入電源濾波器，從額定電壓，額定電流以及插入損耗3方面選擇選擇單項(xiàng)高性能系列，有優(yōu)異的共模/差模干擾[5]抑制性能，適用于對(duì)噪聲抑制需要較高的電子設(shè)備。

圖2 氧量變送器輸出跳變波動(dòng)情況

氧量變送器電流輸出端與DCS設(shè)備因信號(hào)參考點(diǎn)不同存在電勢(shì)差，形成“接地環(huán)路”，造成信號(hào)傳輸失真。在氧量變送器電流輸出端接入電流隔離器，先將輸出信號(hào)調(diào)制變換，然后通過(guò)光感或磁感器件進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行解調(diào)變換回隔離前原信號(hào)，同時(shí)對(duì)隔離后信號(hào)的供電電源進(jìn)行隔離處理，保證變換后的信號(hào)、電源、地之間絕對(duì)獨(dú)立。連接示意圖如圖3所示。

圖3 輸入輸出濾波隔離器

2)系統(tǒng)顯示模塊設(shè)計(jì)

更換系統(tǒng)顯示設(shè)計(jì)，把MAX7219動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管方式改為74HC595靜態(tài)驅(qū)動(dòng)，連接示意圖如圖4所示。單片機(jī)89S52輸出RXD和TXD控制74HC595把顯示碼輸出至數(shù)碼管以及四位LED狀態(tài)指示燈。

圖4 顯示板設(shè)計(jì)原理圖

軟件設(shè)計(jì)字符定義和字型表編碼如下：

/* 74hc595顯示小數(shù)點(diǎn)的位數(shù) dp位與D0位聯(lián)接 */

#define POINT 8 /* point pos */

#defineDISP_r0×17/* 顯示 r 字型位置*/

#defineDISPALL0×1b/* 顯示全亮的字型位置 */

#define DISPHENG 0×1e /* -字型位置 */

#define DARK 0×1f /*顯示為空白的字型位置 */

#define DISPL 0×15 /*顯示為L(zhǎng)字型位置 */

#define DISP_H 0×14 /* 顯示為H字型位置 */

#define DISP_A 0×20 /* 顯示為A字型位置 */

#define DISP_B 0×21 /* 顯示為B字型位置 */

#define DISP_c 0×22 /* 顯示為c字型位置 */

#define DISP_D 0×23 /* 顯示為r字型位置 */

#define DISP_E 0×24 /* 顯示為r字型位置 */

#define DISP_F 0×25 /* 顯示為r字型位置 */

#define DISP_n 0×26 /* 顯示為n字型位置 */

#define DISP_C 0×28 /* 顯示為C字型位置 */

#define DISP_I 0×29 /* 顯示為I字型位置 */

/* 74hc595顯示字型表 */

/* 74hc595 TAB g=128 f=32 b=16 a=4 e=1 c=2 d=64 dp=8*/

uchar code segdb[]={0×77,0×12,0×D5,0×D6,0×B2,0×E6,0×E7,0×16,0×F7,0×F6,0×40,0×E5,0×B3,0×61,0×B5,0×00,0×40,0×B5,0×43,0×00,0×B3,0×61,0×C3,0×81，0×C0,0×08,0×F2,0×FF,0×67,0×C1,0×80,0×00,0×B7,0×E3,0×C1,0×D3,0×E5,0×A5,0×83,0×06,0×65,0×12,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×EE,0×06,0×DC,0×5E,0×36,0×7A,0×FA,0×0E,0×FE,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×EF,0×07,0×DD,0×5F,0×37,0×7B,0×FB,0×0F,0×FF,0×7F,0×50,0×00,0×00,0×00,0×00,0×00,0×FF,0×7F,0×00,0×00,0×00,0×00,0×00,0×00, };

3)CPU設(shè)置看門(mén)狗[6]，檢查程序運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控電源電壓，實(shí)現(xiàn)塊鎖保護(hù)及復(fù)位(圖5)。

圖5 看門(mén)狗芯片電原理圖

看門(mén)狗管腳定義及設(shè)置子程序如下：

sbit CS=P1^1;

sbit SO=P1^0;

sbit SI=P1^6;

sbit SCK=P1^5;

void×5045_reset_watchdog(void)

{CS=1; CS=0; CS=0; CS=1;}

void×5045_write(uchar *cpu_addr,uint×5045_addr,uchar i)

{

×5045_addr &= 0×01ff;

while(i--)

{

×5045_latch_open();

SCK=0;

CS=0;

outbyte(0×02|((×5045_addr&0×0100)>>5));

outbyte(×5045_addr & 0×ff);

outbyte(*cpu_addr);

SCK=0;

CS=1;

cpu_addr++;

×5045_addr++;

×5045_write_wait();

}

×5045_latch_off();

}

2.2 軟件濾波措施[7]

輸入信號(hào)中位值平均濾波，分組采集輸入信號(hào)，比較去除兩端值平均后進(jìn)入下一步計(jì)算處理。設(shè)計(jì)流程圖及軟件調(diào)試界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)濾波流程圖

void calc(void)

{

uchar cc;

float×1;

uint max1;

uint min1;

if (first==0) // 第1次進(jìn)入

{

first=1;

// total_count=0;// clear total big_small

for (cc=0;cc<=4;cc++)

{

i_out[cc]=100;

};

}

i_out[savecount]=100;//存儲(chǔ)結(jié)果

savecount++;

if (savecount>=5)

{

savecount=0;

};

max1=min1=i_out[0];

×1=0;

for (cc=0;cc<=4;cc++)

{

×1=×1+i_out[cc];

if (max1

if (min1>i_out[cc]) min1=i_out[cc];

};

×1=(×1-max1-min1)/((float)3);

}

3 抗干擾性能

1)實(shí)驗(yàn)測(cè)試：模擬電磁干擾或電源干擾，測(cè)試氧量變送器抗干擾性能(表2)。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試抗改進(jìn)性能情況

從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果看，改進(jìn)后氧量變送器死機(jī)和輸出跳變故障占比明顯下降。

2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試：改造后氧量變送器發(fā)往山東、河北、廣東、四川等地用戶(hù)，跟蹤

現(xiàn)場(chǎng)安裝及運(yùn)行情況。特別針對(duì)出現(xiàn)過(guò)輸出跳變或死機(jī)故障的廠家，對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)檢測(cè)氧量變送器輸出波形 ，該用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)使用改進(jìn)前氧量變送器持續(xù)出現(xiàn)輸出跳變情況，更換改進(jìn)后氧量變送器檢測(cè)輸出穩(wěn)定，跳變情況未出現(xiàn)。

對(duì)改進(jìn)后的氧量變送器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)使用情況測(cè)試，輸出跳變和死機(jī)故障率較改進(jìn)

前有明顯下降(表3)。

圖7 改進(jìn)前后用戶(hù)使用情況對(duì)比

表3 用戶(hù)使用情況反饋

4 結(jié)語(yǔ)

在氧量變送器基礎(chǔ)上，針對(duì)其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用中因干擾造成的故障問(wèn)題，從硬件和軟件上采取濾波和抗干擾措施，硬件上采用電源輸入濾波和電流輸出隔離；更換易出現(xiàn)“鎖死”情況的顯示電路設(shè)計(jì)方案；設(shè)置看門(mén)狗電路3個(gè)措施。軟件上采用中位值平均濾波，濾除輸入異常型號(hào)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，改進(jìn)后的氧量變送器干擾故障率降低，濾波和抗干擾性能增強(qiáng)，有益于工業(yè)生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。