智能儀表在管道化溶出機(jī)組在線測厚的應(yīng)用分析

【摘要】通過分析管道化溶出機(jī)組測厚的特點(diǎn)，和智能儀表設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出一個以ARM為基礎(chǔ)的智能在線監(jiān)測組合模式，并在此基礎(chǔ)上簡要介紹了ZigBee無線通訊技術(shù)和超聲波技術(shù)。同時根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際提出管道測點(diǎn)布置方案。

【關(guān)鍵詞】測厚；ZigBee；超聲波；智能儀表

0.引言

管道化溶出機(jī)組在運(yùn)行中經(jīng)常要定期測量管道厚度，根據(jù)管道厚度判斷是否要進(jìn)行更換，因此每次計(jì)劃檢修時測厚任務(wù)就非常重，常規(guī)測點(diǎn)有近600個，尤其是高空管道的測厚作業(yè)，不但難度大而且危險性也較高，因此每次測厚占用人員和時間比較多，進(jìn)而造成檢修項(xiàng)目的確定存在滯后的現(xiàn)象，給檢修組織帶來很不利的影響。隨著智能儀表技術(shù)的發(fā)展，特別是智能儀表靈活的組合模式，使解決這種問題變得非常方便。對于各種管道來說，常用的便攜式超聲波測厚儀只能用來對其壁厚進(jìn)行離線式接觸局部抽檢，如從智能儀表設(shè)計(jì)角度出發(fā)，將現(xiàn)有成熟的模塊集合到一起，就可已實(shí)現(xiàn)對管道壁厚進(jìn)行自動在線測量。

1.智能儀表靈活組合模式

人工測量不能很好的觀測到管道磨損情況，人工測量造成的誤差因素比較多，往往一個點(diǎn)要進(jìn)行多次重復(fù)的測量，其次不能準(zhǔn)確定位，不利于觀測管道磨損情況，智能化儀表可以將超聲波發(fā)射模塊、信號無線傳輸模塊集成在一塊，根據(jù)需要設(shè)定相應(yīng)的功能，不僅能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和提醒功能而且在測量準(zhǔn)確性和信號傳輸方面帶來無可比擬的優(yōu)勢。特別是隨著工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線的方式被發(fā)送，因此智能儀表靈活組合模式有了更廣闊的發(fā)展空間，可以用較低的成本實(shí)現(xiàn)更加靈活實(shí)用的功能。

2.系統(tǒng)組成

3.系統(tǒng)說明

ARM處理器是一種低功耗高性能的32位RISC（Reduced Instruction Set）處理器。目前，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場中，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占32位RIsC微處理器75%以上的市場份額，基于ARM嵌入式智能儀表和電器技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。

ARM處理器具有以下特點(diǎn)。

（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

（3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快，大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

（4）尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。

利用ARM處理器可以通過編程及相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射于接收，進(jìn)而通過分析將超聲波的發(fā)射和回波的時間特種轉(zhuǎn)換為管道的厚度，通過多通道模擬輸入輸出系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對多個測點(diǎn)逐次測量。

工業(yè)無線通訊模塊：ZigBee是一種新興的低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。IEEE802.15.4是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)，它制定了ZigBee物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。在zigBee網(wǎng)絡(luò)層中，依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以通信效率非常高。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是功耗最低和成本最低的技術(shù)，同時由于ZigBee技術(shù)的低傳輸速率和通信范圍小的特點(diǎn)，也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和重復(fù)性低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)。管道化溶出磨損周期比較長，其監(jiān)測特點(diǎn)是定期監(jiān)測跟蹤，監(jiān)測周期可以選擇10天，所以，ZigBee非常適合管道化溶出機(jī)組的測厚監(jiān)測。如應(yīng)用廣泛的F8913ZigBee模塊，可以和ARM實(shí)現(xiàn)完美的結(jié)合。

超聲波發(fā)射模塊采用脈沖回波法，其簡單可行、成本低，在測量1mm 厚度以上的材料是精度很高。脈沖測試法主要應(yīng)用于具有晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料和非金屬材料。脈沖回波法超聲測厚原理是：主要是測量聲波在材料中的傳播時間，然后利用聲波在材料中的傳播速度計(jì)算材料的厚度，其公式是d=ct/2，（C：超聲波在所測材質(zhì)中的速度；t：從發(fā)射超聲波到接受回波的時間間隔）。利用ARM強(qiáng)大的功能可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測。

4.主程序流程圖

如圖2所示，主程序一般循環(huán)運(yùn)行在判斷有無測量請求，也可以通過設(shè)置中斷請求調(diào)用其它子程序，如可設(shè)置定期自動測量，調(diào)用歷史測量數(shù)據(jù)等，每次測量后都要對其特征數(shù)進(jìn)行判斷，如管道厚度是12mm，其發(fā)射波和回波的時差應(yīng)小于30ms，測量結(jié)果大于30ms就認(rèn)為是測量異常，可再次進(jìn)行測量。

主程序主要監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸入和輸出并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存入規(guī)定的地址，并根據(jù)中斷請求的級別依次響應(yīng)不同的中斷請求，進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)各種功能，ZigBee無線通信模塊主要用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輸入輸出，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對各測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。本地輸入輸出模塊主要用于顯示運(yùn)行狀態(tài)，也可以手動輸入命令。

5.測點(diǎn)布置

乏汽段各級之間的連接由三段小彎管通過法蘭連接而成，簡稱小彎管，乏汽段是逐級加熱，由于乏汽段后五級溫度低，磨損速度較快，所以進(jìn)行在線檢測，根據(jù)流體力學(xué)原理，在彎管和變徑處流速將發(fā)生變化，如彎管處，靠近外徑的料漿速度大于靠近內(nèi)徑的料漿速度，因流速較快的地方管道磨損速度加快，再加上物料和管道進(jìn)料量等影響因素，乏汽段小彎管更換周期性不太明顯，如管道化的檢修周期是45天到60天左右，僅僅在檢修時進(jìn)行測厚，就不能發(fā)現(xiàn)管道在運(yùn)行周期內(nèi)的磨損趨勢，如磨損突然加快，這往往會發(fā)生在運(yùn)行周期內(nèi)刺料的情況，給檢修決策帶來一定的難度，因此對管道厚度的在線監(jiān)測非常有必要，測點(diǎn)的布置也非常關(guān)鍵，測點(diǎn)位置如圖3和圖4所示，P1和P5在直管變彎管前取點(diǎn)，其余P3至P4在每組小彎管中間處取點(diǎn)，Q1至Q3在每個測量位置（P1至P5）的徑向靠外側(cè)取3個點(diǎn)。

6.結(jié)束語

通過分析管道化溶出機(jī)組的測厚特點(diǎn)，提出一個以ARM為基礎(chǔ)的智能在線監(jiān)測組合模式，利用現(xiàn)有成熟模塊，通過針對性的編程，實(shí)現(xiàn)管道化溶出機(jī)組管道在線測厚。

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