基于STM32的工业锅炉水垢监控系统设计

陈俊霖，郝一男，邓 娟

(1.重庆移通学院，重庆 401520；2.内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010018)

0 引言

工业锅炉在提高国家工业化水平过程中至关重要，据不完全统计到2022年我国的工业锅炉将达到69万蒸发量吨[1]。锅炉内壁出现结垢、腐蚀、汽水共腾等现象，会导致锅炉的寿命减短、燃料浪费和影响正常的水循环等[2]，其中锅炉内壁结垢的问题最为常见，为了解决这种问题，很多学者对此进行了深入研究，如程更生[3]对锅炉排污及水垢的形成进行了研究，得出了水垢产生的多种危害，范家彬[4]也浅析了水垢对锅炉的危害及形成原因，两者对水垢的形成和危害都进行了深入探讨，总结了水垢成因的几点因素，但是未能给出可用的解决办法；张兵等[5]开发了一种锅炉除垢防腐剂，对水垢中的金属离子有很好的溶解作用，张敏等[6]针对锅炉腔内壁上生成的碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐等混合水垢，采用碱煮转化+酸洗相结合的方式进行化学清洗取得了很好的效果，两者在论文中提出了不同的水垢去除方式，取得了很好的效果，但是实施该方法时需要专业人员监护，人力财力花费巨大；徐江陵[7]开发了循环水腐蚀结垢在线预测系统，能够预测出水质腐蚀结垢变化曲线，朱文娴等[8]针对锅炉水垢难以实时监测的特点采用模糊控制算法开发了水垢监测系统硬件电路，基本实现水垢的预测，两者都对水垢形成进行了在线监测，但是未能设计出一套智能除垢系统，难以在市场推广应用。

研究发现，在工业锅炉运行中，为了达到阻垢除垢的目的，厂家大都在锅炉中加入腐植酸钠复合水处理药剂，这种添加水处理的方法具有不增加设备和不改变循环水环境等优点[9],但如何构建使用腐植酸钠进行加药以实现防垢除垢功能的锅炉防垢系统还需要进一步研究，特别是构建智能化动态水质监护系统，实现锅炉的在线除垢防垢需要更深入的研究，基于上述分析，本文以传感器采集水质参数、以STM32为核心，设计开发一种集采集和控制为一体的终端设备，构建基于计算机的锅炉水垢监控系统，进而确保锅炉的安全、节能、经济运行。

1 系统总体设计

系统由水质采集模块、中央处理模块和加药与排污模块3部分构成。水质采集模块由进、出水口水质采集模块组成，检测该处水的多种质量参数，作为系统终端；中央处理模块负责4G网络的组建、数据的处理、显示和指令的控制，作为系统的控制中心。加药与排污模块根据上位机指令完成对锅炉进行加药或排污动作，作为系统控制终端。各个模块间通过ZigBee无线通讯。图1为系统整体设计框图。

图1 系统整体设计框图

2 硬件设计

系统硬件由水质采集模块、中央处理模块和加药与排污模块组成。图2是系统硬件设计结构框图。其中中央处理模块的硬件是购买的串口转无线透传模块，这里不介绍。

图2 系统硬件设计结构框图

2.1 水质采集模块

水质采集模块由STM32外围电路和水质传感器外围电路构成，通过RS485接口通信。

2.1.1 STM32外围电路

图3为水质采集模块STM32外围电路图，采用TTL转RS485电平的方式与外部3个传感器连接，使用USART方式直接与ZigBee模块LRF215A_PA连接。RS485通讯方式具有接口简单、传输距离长等优势，单片机能够通过串口直接向LRF215A_PA模块发送AT指令控制该模块，能够缩短开发周期。在电平转换电路中使用普遍应用的SP3485转换芯片，是一种低功耗半双工RS485收发器，具有工作稳定、成本低等优点，LRF215A_PA是一款无线转串口透传模块，串口指令上面封装了所有无线相关的操作，主控芯片为CC2530，具有传输距离远、稳定等优点[10]。

图3 STM32外围电路

2.1.2 水质传感器

为了提高数据的可靠性，传感器将布置于锅炉的进水口和出水口，采集2个信道的数据，由于出水口循环水的温度较高，一般传感器需要外加很多的保护措施才能进行数据采集工作，设计复杂。本设计使用金属复合材料传感器探头连接变送器的方式进行数据采集，金属复合材料的传感器探头能够在高温下正常工作，变送器将传感器探头的信号转换为数字信号，方便读取、显示和传输。采用RMD-ISHC20型pH传感器、RMD-ISEP10型电导率传感器。钙镁离子复合电极水质硬度传感器，以上传感器测量工作稳定、范围广、精度高，采用RS485输出型变送器。

2.2 加药与排污模块

加药与排污模块功能由单片机控制三极管的开关驱动继电器触点的开、闭来实现。在电路中，单片机通过USART接收PC端发送的指令，GPIO发送的微弱信号由三极管放大控制继电器触点的开、合，继电器触点连接电磁阀实现加药与排污阀门的打开和关闭，利用二极管的单向导通性保护继电器的线圈。加药与排污模块电路图见图4。

图4 加药、排污模块电路图

2.3 电源模块

因为水质采集模块和中央处理模块各芯片的适配电压值多样，同时考虑到系统功率因素，还要保证系统在现场环境较为恶劣情况下能正常供电，决定采用12 V/6 A的适配器作为电源，并使用MP2359和LM2576-3.3V芯片设计电源电路，电源电路图如图5所示。

图5 系统电源电路

系统中各模块的主芯片的VCC为5 V和3.3 V，据此设计了芯片的电源电路。如图5所示。采用12 V的电源适配器，经过MP2359和LM2576芯片降压稳压后给各个模块芯片供电。LM2576系列芯片是一种开关型稳压降压芯片，它的内部封装有完整的过压、欠压和过流保护电路[11]，输出电压纹波小，输出最大电流为3 A，使用少量的外接元器件就可以搭建稳定的5 V降压输出电路。

3 软件设计

系统的软件设计由水质检测模块、中央处理模块和工业锅炉水垢监控系统可视化界面组成。

3.1 水质检测模块

水质检测模块具体流程如图6所示。水质检测模块端程序的主要作用是周期性的检测多种水质信号参数，并将参数的数据打包发送给中央处理模块的ZigBee模块。

图6 水质监测软件流程图

系统首先初始化，建立网络连接，然后传感器通过内部集成器件检测到水质各项参数后通过串口将信号传送给STM32，STM32将数据进行打包发送到ZigBee模块，ZigBee模块通过Z-Stack协议栈将数据发送至中央处理模块，最后检测是否接收到加药或排污指令，若有，通过GPIO控制继电器进行相应指令操作，否则，开始新一轮检测工作。

3.2 中央处理模块

中央处理模块的流程图如图7所示，通过购买的串口转无线透传模块硬件接收水质检测模块发送的数据包，将数据包解码后显示各采集点水质的真实值，向排污与加药模块发送指令，在线修改各种水质阈值，实现自动加药、排污功能，也能够通过人工判断进行手动加药、排污。

图7 中央处理模块流程图

3.3 可视化界面

为了实现采集数据的统一管理，便于工作人员对系统数据的后续采集和分析。设计了数据可视化界面软件，该软件具有数据可视化和存储功能。软件通过PYQT设计，PYQT是一个创建GUI应用程序的工具包。它是Python编程语言和Qt库的成功融合，PYQT设计上位机软件具有开发周期短、插件丰富等优点。

4 测试与分析

依据上述对系统硬件和软件的研究分析，本文研发了基于STM32的工业锅炉水垢监控系统，在实验室中对系统的功能和测量精度进行了模拟测试，按照图8的方式建立了测试平台，以2.5 L的玻璃烧杯模拟锅炉，并在进水口和出水口处安装了水质检测模块。开始实验时，使用水泵向烧杯中注水，形成工业循环水系统，在循环过程中观察系统界面是否正常显示水质参数，并将数据记录下来。图9为系统测试时某个时刻的系统界面截图，将记录的数据同标准仪器测量的数据进行对比分析，误差结果如表1所示。

图8 实验平台示意图

图9 可视化界面

表1 检测数据误差表

由图9看出，系统测量的电导率值、pH值、硬度值都正常地显示在了界面上，并在后台进行了保存，点击命令窗口的“开始加药”按钮与“开始排污”按钮后，加药与排污模块的继电器触点吸合，点击结束按钮后对应的继电器触点断开，证明系统预计的功能能够正常实现。观察表1的数据可知系统检测的水质的各项指标参数与标准仪表测量的数据的误差较小，全部保持在5%以下，表明系统的检测精度较高。基于以上分析可得，系统在功能实现和测量精度上都能满足设计的需求。

5 结束语

本文设计了基于STM32的工业锅炉水垢监控系统设计，将嵌入式与ZigBee技术结合，采用多点测量和多项水质参数采集相融合的方式检测循环水水质。对硬件和软件设计进行了详细分析，设计了系统的硬件和软件，通过实验测试证明了系统的可行性。