基于嵌入式ARM的圓頂閥控制主板在火電廠中的應用

0 引言

上海外高橋第二發電廠2×900 MW機組于2003年陸續投運，其氣力輸灰采用雙套紊流濃相正壓輸灰系統,主要由正壓濃相輸灰系統、電除塵灰斗氣化風系統、灰庫氣化風系統、灰庫及灰庫卸灰系統構成。即Mul-t-i TTS系統

。該系統中使用MOLLER公司的圓頂閥-MOLLER閥作為進灰和出灰閥門使用。系統投運至今，隨著時間的推移，MOLLER閥控制主板的故障占據了現場設備故障的較大比例，對輸灰系統造成了很大影響。根據對MOLLER閥多次故障的處理經驗，研發了基于嵌入式ARM系統的控制板，提出并實施改進措施和技術更新。

1 MOLLER閥控制器的主要結構及工作原理

1.1 MOLLER閥控制器的主要結構

MOLLER閥控制器主要由鋁合金殼體，氣動控制塊，控制器主板，凸輪軸，操作顯示燈等組成，見圖1。

1.2 MOLLER閥控制器的工作原理

MOLLER閥控制器的控制板為單片機設計，內部程序固化，無法修改。其工作原理如下：

1）上電初始狀態時，閥門關閉，壓力高，關限位至閥門關指示燈亮，其它指示燈不亮。

2）開閥門時，開指令發出，閥門關指示燈熄滅，壓力低指示燈亮，放氣電磁閥放氣；壓力高變為壓力低時，壓力正常指示燈熄滅，密封圈未充氣指示燈亮，閥門開電磁閥的電氣缸開；開限位至密封圈未充氣指示燈熄滅，閥門開指示燈亮。

3）關閥門時：開指令失去，閥門開指示燈熄滅，密封圈未充氣指示燈亮，開閥門電磁閥失電，閥門關閉；關限位至密封圈未充氣指示燈熄滅，壓力低指示燈亮，充氣電磁閥得電，密封圈充氣；壓力開關由壓力低變為壓力高，壓力不高指示燈熄滅，閥門關指示燈亮。原理梯形圖見圖2。

2 新控制器主板的設計

2.1 設計思路

對于圓頂閥的控制方式，主要有以下三類：

所有輸入信號都經過光電隔離進行隔離，所有輸出信號都經過繼電器隔離。

師：我們看出，有些立體圖形的表面包含著一些平面圖形．反之，我們也可以利用這些平面圖形來描述立體圖形．請觀察手中的四棱錐模型，描述四棱錐的特征．

經實驗操作臺模擬和對現場問題的分析，確認為電路設計參數問題，即電路中的開關量輸入高限閾值過大，主控板上自恢復保險絲容量偏小。兩者配合后使電路處于臨界狀態，造成有的電路正常有的則異常。

2)由PLC、壓力開關、電磁閥等組成的就地控制箱。其主要優點是自動化程度相對較高，但就地控制箱中的PLC對環境要求較高、閥門狀態的間接采集信號不夠，導致氣動系統被腐蝕、密封圈頻繁被擠破或磨損、閥體被沖刷等故障。

由于原MOLLER閥控制器在外高橋第二發電廠的裝用量較多（達86個），且控制箱內的氣動控制塊等部件都可以留用和通用，因此考慮僅對原MOLLER閥控制板進行改型替換。

藥師可以通過藥學門診對服用華法林的患者從疾病成因、用藥須知、藥物相互作用，并結合藥動學和藥效學特點，闡釋抗凝治療的必要性，對抗凝強度以及INR值進行監測和分析，熱情服務于患者，及時發現可能導致INR偏低的因素，配合臨床提出合理化建議，制定個體化的治療方案，使自己真正成為醫療團隊的一員。

在充分了解性染色體后，學生小組探究控制白眼基因的位置，大膽地提出2個假說：（1）控制眼色的基因位于Ⅱ-2區段。（2）控制眼色的基因位于Ⅰ區段。并分別給出圖1、圖2論證各自的觀點。

3)以MOLLER閥為代表的專用控制器，其優點是匹配度高，采用單片機技術，對現場環境要求比較低；但電路結構為多板拼接的方式，內部控制板故障率較高，且固化程序，用戶不能對其修改優化

，且價格昂貴。

2.2 設計原理及技術手段

原MOLLER閥控制器采用的是單片機技術。單片機和ARM都是嵌入式開發的硬件系統，各有不同的應用場景，有不同的特點。但單片機主要是面向于低端市場，僅實現常規性的控制功能，而ARM主要面向更復雜的嵌入式產品，主頻更高，外圍接口功能更加豐富。且ARM已經逐漸取代單片機，成為嵌入式產品的通用硬件平臺

。

因此，新的控制主板核心控制電路采用NXP的LPC1113，ARM Cortex-M0的ARM微控制器，主頻50 MHz。電源及I/O電路原理見圖3。

新控制主板邏輯采用類似順控功能編寫，主控制邏輯順控框圖見圖4。

經濟增加值，是指稅后凈營業利潤扣除全部投入資本的成本后的剩余收益。這里的稅后凈營業利潤是衡量企業的經營盈利情況，指調整后的凈營業利潤，即稅后凈利潤加上利息支出、非經常性、應予資本化費用后得到的稅后利潤。全部投入資本的成本反映的是企業持續投入資本所占用的資本成本。即平均資本占用乘以加權平均資本成本，平均資本占用包括債務資本和股權資本，不包括無息流動負債，根據企業經營實際情況調整項還包括：研發支出、在建工程、資產減值損失、遞延所得稅等。加權平均資本成本按照國資委印發的《經濟增加值考核細則》中規定原則上為5.5%，不同行業略有調整，且資本成本率確定后，三年保持不變。

主板24 V電源輸入經過兩個整流橋，整流橋的作用是輸入電源不分正負，一路經過DC/DC產生5 V電源供內部電路使用，另一路供繼電器、按鈕、壓力開關等IO設備使用。

首先，海西州草場面積較大，分布廣泛，在短時間內了解整個區域內草地的發展動態具有重大現實意義，但因為工作經費短缺、人員配備不足，嚴重影響全州鼠害測報工作的有效開展；其次，當地農牧民群眾對鼠害防治意識不強，對生物防治技術缺乏了解，防治工作并不能深入基層，不能使廣大農牧民群眾真正認識到鼠害發生的嚴重危害；最后，草場超載放牧、過量放牧現象屢禁不止。人為過度放牧，使草場覆蓋度下降，地表裸露，為老鼠打洞提供了條件，同時近年草場病鼠害發病較為嚴重，老鼠沒有天敵，繁殖能力極大提升，單位面積內的鼠害密度較大。

2.3 主控板的設計與制作

即：密封圈不是在充氣就是在放氣狀態，沒有中間態。

3 現場調試及優化

新控制主板在現場批量安裝后，集中發生兩類故障：密封圈充爆和關閥門無動作故障。針對這兩類故障分析和處理。

3.1 密封圈充爆故障分析

現場更換新控制板后，接連出現密封圈充爆現象。即當圓頂閥正常自動運行時無問題，充爆現象都出現在閥門故障，現場檢修的過程中。當閥門故障時，閥門處于關門充氣狀態，但壓力開關未動作，現場手動開閥門，此時閥門仍然處于充氣狀態，此狀態密封圈可以擴充空間變大，在壓力開關動作之前即可以充爆。

經仔細分析MOLLER圓頂閥的手冊，發現編寫邏輯時犯了一個錯誤：充氣電磁閥和放氣電磁閥是一個雙電控兩位五通先導電磁閥，并不是兩個獨立電磁閥。電磁閥組件原理見圖7。

例7 (2013湖北卷·文17)在平面直角坐標系中，若點P(x,y)的坐標x,y均為整數，則稱點P為格點.若一個多邊形的頂點全是格點，則稱該多邊形為格點多邊形.格點多邊形的面積記為S，其內部的格點數記為N，邊界上的格點數記為L.例如圖3中△ABC是格點三角形，對應的S=1,N=0,L=4.

針對此項目雙電控兩位五通先導電磁閥的操作為充放氣分別對應電磁閥的兩個線圈，兩個線圈不允許同時得電，每個線圈得電1～2 s之后可以失電，失電之后閥門仍然保持當前狀態。

當充氣線圈得電，開始充氣，此時即使充氣線圈失電也處于充氣狀態。

當放氣線圈得電，開始放氣，此時即使放氣線圈失電也處于放氣狀態。

在公共安全領域：以化學品及制品危險性分類鑒定技術為核心，以化學品儲運安全、健康環境評價、工業過程安全、應急救援、公共活動保障、食品安全為主要發展方向，建設“化學品公共安全技術中心”，為國家化學品公共安全和上海國際航運中心建設提供技術支撐。

新控制主板的設計布局及尺寸參考原主板，能夠匹配原控制器殼體內的固定安裝孔和PIN連接口。同時將原來多板拼接的控制板簡化為單層，新電路采用抗干擾能力強的四層板設計，將原有三張電路板的器件壓縮到一張電路板，提高了集成度。新舊主板對照見圖5。主板接口定義見圖6。

通過以上分析可以得出密封圈充爆的原因，尋求問題處理方法。正常工作時充氣線圈和放氣線圈交替工作，閥門工作正常，當出現異常情況時，壓力開關不動作，執行開門指令時跳過放氣指令（認為充氣線圈無電就不在充氣），實際情況是充氣仍然在進行中，導致密封圈會充爆。修改程序后增加了強制放氣指令，即結束充氣，現場問題得以解決。

3.2 關閥門無動作故障分析

故障現象為主控板安裝之后可以正常操作，在操作幾次之后出現開閥門到位，執行關閥門指令時無動作，遠程和就地操作均無動作。斷電重新上電后又能繼續工作，經持續一段時間后故障重現。

1)由壓力開關、電磁閥等組成的現場控制回路。其主要優點是價格低，工藝簡單；主要缺點是體積龐大，氣動系統裸露在外，動作不可靠，自動化程度低。

電路中存在的保護器件僅有兩個自恢復保險絲，從現場反饋的情況，斷電后重新上電能夠正常工作與自恢復保險絲動作特性相似。自恢復保險絲部分電路框圖見圖8。

2.1 播種期：3月3日，播種方式和方法：廂面上開種植溝，每廂兩行，馬鈴薯塊莖直播；播種時每畝用3袋辛硫磷顆粒劑和底肥混勻施用；播種后進行覆膜蓋土。

DCS系統能夠收到開到位的反饋信號，說明開到位繼電器能夠正常閉合，繼電器閉合需要兩個條件，一是24 V I/O電源正常，二是5 V的工作電源正常，從現象分析這兩個電源都正常。

根據爆發時間,去除1953—1954年和1968—1969年兩次事件。另外,把1986—1988年的一個事件作為一個特例去除(事件持續時間長,且有明顯的雙峰結構)。按爆發時間分類統計,1950—2016年間共發生17次El Nio事件,其中:SP型有8個,平均持續時間12 mon,平均最大振幅1.95 ℃;SU型9個,平均持續時間6 mon,平均最大振幅1.01 ℃。

結合ARM系統邏輯分析，DCS發出關閥門指令后首先執行了1 s的放氣指令然后判斷壓力低信號和壓力高信號的狀態，狀態正常后執行關閥門的動作，DCS的關閥門指令是觸點斷開，一般情況下不會接收不到，如果閥門沒有反應，可能是卡在壓力信號的檢測步驟。執行放氣程序后壓力低閉合壓力高斷開，斷開信號不會出問題，經分析可能是未收到壓力低的閉合信號。見圖9。

開關量輸入信號為了抗干擾都會有一個輸入閾值，此電路設計的高限輸入閾值為19 V（18 V加上光電耦合器的1 V降壓），此電路的持續電壓在19 V，動作電壓需要20 V。

綜合以上的分析可以復現現場的問題，當執行開信號到位時，現場開閥門繼電器閉合，開到位信號繼電器閉合。此時電路板的24 V I/O部分電流為100 mA，電路上在整流橋和自恢復保險絲上產生1.7 V的壓降，所以24 V I/O信號的電壓為22.6 V，當執行關閥門動作時，放氣電磁閥得電，由于電磁閥啟動沖擊電流使自恢復保險絲瞬間到臨界狀態，24 V I/O電源下降到20 V以下，但是繼電器仍然沒有釋放，由于電壓的降低使電流進一步增大（繼電器和電磁閥的總功率不變），造成壓力低信號無法正確輸入，邏輯卡在這一步，由于自恢復保險絲電流變大，溫度上升，電阻變大，無法自動恢復。當電路斷電后，自恢復保險絲熱量散失，電阻變小，電路恢復正常，操作一段時間后溫度又上升重復此過程。

后續將自恢復保險絲容量由1.1 A調整到2 A，開關量信號的輸入閾值由20 V調整為15 V，該故障解除。

4 結束語

本文對嵌入式ARM的圓頂閥控制主板性能參數及技術特點進行了工作控制原理和設計思路的詳細介紹，并針對其進行試制檢驗，現場實裝和調試改進。結果表明，其產品的性能達到設計要求。各項技術指標均已具有較高水平，且實現了進口產品國產化，打破了國外產品的技術壟斷。

[1]朱建強.雙套紊流正壓濃相輸灰系統在某電廠的應用.電力學報，2008（2）.

[2]畢寧.圓頂閥AI智能控制器在粉煤灰氣力輸送系統中的應用.科技創新與應用，2017（35）.

[3]張勇.ARM嵌入式微控制器原理與應用——基于Cortex-M0+內核LPC84X與μC/OS-.清華大學出版社，2018.

[4]MOLLER閥操作維護手冊.