时间：2023-01-08 07:44:24
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电路设计尤其是超声波信号的收发处理采用诸如TX734激励电路、MAX2038回波放大处理电路等专用IC效果固然理想，但考虑到研发专用设备仅需小批量试制的因素，故在电路方案选型设计时遵循简单实用、器件易于采购的原则，尽量选用通用元器件实现，系统电路主要由超声波发射激励和电源变换单元、超声波回波信号处理单元、时间差测量单元、单片机控制和数据处理单元组成。排版布线亦尽量参照IC生产厂商的DEMO方案，采用贴片元件的双面PCB设计制作，以提高样机研发的一次性成功率。
1.1超声波收发电路由于检测装置工作于井下，井口只为其提供了一路＋24V直流电源，各单元电路的工作电源需要依靠DC／DC变换电路获得。控制系统和信号处理系统使用的＋5V和±12V电源由LM2596－5．0承担，其主路输出＋5V／2A电源供单片机等数字系统使用，将其储能电感改用5026－47μH环形功率电感，并在其上增加两个辅助绕组，经整流、滤波和LM78（79）L12三端稳压IC后产生±12V／0．1A直流电源供信号处理系统使用；超声波发射采用了高压脉冲激励方式，＋200～300V激励电压由＋24V供电电压经简单的Boost升压电路获得，利用单片机送来的1ms周期、5μs脉宽脉冲信号控制MOSFET开关管实现对超声波发射探头的激励，储能电感选用TDK－NL565050T－822J－PF（8．2mH）贴片电感，NMOS开关管选用2N60即可。超声波激励及电源变换电路如图2所示。经实测，激励脉冲会在接收探头中产生一个较大的谐振频率为5MHz、大约5个周期的串扰信号，为此，接收电路设计了一个对发射激励脉冲延迟6μs、持续30μs的使能控制信号，控制接收放大处理电路仅在使能信号有效期间实现回波信号的放大和输出，使之能够在钢管内壁和外壁反射的一次、二次回波信号到来之前有效地消除激励脉冲串扰的影响，使能控制信号时序关系见图3。检测装置中用于时间差测量的TDC－GP2的典型应用是作为超声波流量计、激光测距仪的时间间隔测量、频率和相位信号分析等高精度测试领域。在这些应用中输入信号一般都较强，经简单处理后即可作为TDC－GP2的START、STOP控制信号使用，而该检测装置的超声波回波信号尤其是多次反射回波信号非常微弱且杂波较大（实测回波信号大约在mV数量级），必须经高增益宽带放大器放大和滤波、检波、整形处理后才能胜任。宽带放大器由AD604承担，可获得6～54dB的增益并可由VGN端电压连续控制，可较好地满足超声波回波信号高速高增益放大的要求［2］。考虑到仅需将回波信号放大处理后形成STOP控制脉冲即可，故电路仅利用可调电阻对2．5V基准电压（由TL431产生）分压获得的VGN电压进行增益设定，但设计电路亦有预留接口可用于接受经单片机和DAC输出的AGC控制电压，实现增益的闭环控制。AD604前级放大电路如图4所示。带通滤波器选用由MAX4104构成，设计中心频率为5MHz，带宽约为1MHz；钳位和检波由AD8036完成，具有卓越的钳位性能和精度高、恢复时间短、非线性范围小、频带宽的特点；检波输出信号的整形处理由MAX9141负责，这是一款具有锁存使能和器件关断功能的高速比较器，具有高速、低功耗、高抗共模能力和满摆幅输入特性等，回波信号经其整形处理后可获得理想的脉冲前沿，并便于与TTL逻辑电平接口，还可以方便地实现回波信号输出的使能控制。信号调理电路如图5所示。
1.2时间差测量电路回波信号时差测量选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC－GP2。TDC－GP2采用44脚TQFP封装，内含TDC测量单元、16位算术逻辑单元、RLC测量单元及与8位处理器的接口单元和温度补偿单元等主要功能模块，利用内部ALU单元计算出时间间隔，并送入结果寄存器保存。TDC－GP2基于内部的硬件电路测量“传输延时”，以信号通过内部门电路的传输延迟来实现高精度时间间隔测量，测量分辨率可达pS数量级，可以很好满足项目测量的要求。单片机在给超声波传感器提供发射激励脉冲的同时给TDC－GP2提供START信号指令使之开始计时工作，超声波接收头接收到的反射回波信号经放大、处理后作为STOP指令信号，由TDC－GP2完成两次反射波时间间隔的测量。由前述可知，STOP与START信号的时间差大约在6～40μS之间，时差测量分辨率约为0．07μs，为此，设定TDC－GP2工作于“测量模式2”，在该模式下芯片仅使用通道1，可允许4个脉冲输入，实现STOP1与START信号之间的时间差测量，测量范围在60ns～200ms，然后，由TDC－GP2计算出各回波信号间的时间差Δt＝tB－tS＝tn－tn－1。测量原理如下：在输入START信号指令后，芯片内部测量出该信号前沿与下一时钟上升沿的时差，标记为Fc1；之后，计数器开始工作，得到predivider的工作周期数，并标记为Cc；这时，重新激活芯片内部测量单元，测量出输入的STOP1信号的第一个脉冲（一次反射回波）前沿与下一时钟上升沿的时差，标记为Fc2，将STOP1信号的第二个脉冲（二次反射回波）前沿与下一时钟上升沿的时差标记为Fc3，……；Cal1和Cal2分别表示一个和两个时钟周期。
1.3单片机接口电路实现系统控制和数据处理的单片机选择余地较大，项目结合TI公司中国大学计划选用了美国德州仪器公司生产的MSP43016位单片机，具有16位总线、带FLASH的微处理器和功耗低、可靠性高、抗强电干扰性能好、适应工业级运行环境的特点，很适合于作现场测试设备的控制和数据处理使用［4］。TDC－GP2其与单片机的通信方式为四线串行通信（SPI），利用MSP430的4个P2．x和P4．2I／O口实现GP2的选通、中断和开始、结束使能以及复位等控制功能。MSP430除用来对GP2控制和数据处理外，还可以留出一些资源实现设备其他电路和动作机构的控制使用。单片机接口电路原理和程序流程分别如图8和图9所示。
2结束语
关键词：燃气直热；微波辅助；干燥装置
引言
我国是世界上最大的发展中国家，国民经济快速发展，人民生活水平不断提高，与此同时，干燥技术的应用在市场需求的刺激下也出现了迅猛增长的势头。我国的干燥技术应用经历了引进、消化吸收及自制等阶段，是世界上拥有干燥设备制造厂数量最多的国家，但我国大部分的农产品仍没有条件获得先进干燥技术的处理。据有关统计，由于得不到及时的干燥处理，我国平常年景损失的粮食达50亿Kg。至于干燥技术对粮食产品外形和口味的影响尚无力顾及，今后与进口粮食产品全面竞争的局面迟早要出现，届时，这方面的缺陷将削弱我国产品的竞争力。
干燥能源通常使用煤、电、油、气等，而且随着世界煤炭、石油等能源的枯竭，使用成本愈来愈高，太阳能、微波能、远红外、生物质能等新能源的开发及应用愈发受到重视。本文介绍的是利用天然气燃烧产生的气体作为热介质，利用微波进行辅助加热的一种组合干燥机，具有绿色、无污染，温度易控制，热利用率高的特点，另外微波还具有杀菌的作用。
就北方的玉米干燥而言，降速干燥阶段时间占整个干燥时间的2/3，蒸发掉的水分却不足全部水分的1/3，本发明设想在传统干燥的恒速干燥最后阶段，在进入降速干燥之前，加入微波辅助加热，加快内部水分向外部扩散的速率，这样可以大大缩短降速干燥阶段时间，也使整个干燥时间缩短，从而达到高效节能的目的。
一、总体结构
烘干机由四部分组成：带式干燥机及配风系统、天然气燃烧系统、微波辅助加热系统、控制系统。
带式干燥机由机箱、带传动系统组成，带速可无级调节。配风系统包括进、出风管、循环风机、排潮风机及控风门。
微波辅助加热系统包括微波加热腔、微波源、微波源外罩及进、出料微波抑制器。
控制系统控制传送带开/停及变频调速；循环风机、排潮风机开/停；微波源分组开启/关闭及状态显示；料温显示及报警；风温显示及报警。
二、烘干机主要参数的确定
通过干燥过程的物料衡算和热量衡算，确定主要参数，包括计算水分蒸发量、空气耗量、天然气用量及微波能耗。
在干燥过程中，新鲜空气（其状态为环境温度t0，湿度H0，热焓I0，干空气量L）进入空气加热器，加热后（其状态为t1，H1＝H0，I1，L）进入干燥器，在加热器中物料燥，由含水率m1降至m2，物料温度由tm1升至tm2后排出干燥器；而干燥空气温度下降、湿度增加后排出干燥器（其状态为t2，H2，I2，L）。
（1）原料玉米的质量流量G1（kg/h）：根据要求G1=1000kg/h。
（2）产品玉米的质量流量G2：G2=G1*（1－m1）/（1－m2）
式中：G2为产品玉米的质量流量，kg/h；G1为原料玉米的质量流量，kg/h；m1为原料玉米的湿基水分，28%；m2为产品玉米的湿基水分，14%。带入数值，计算得到：G2=837kg/h。
（3）玉米中去除水分的质量流量mw：每小时去除的水分质量流量mw，由如下公式计算：mw＝G1*（m1－m2）/（1－m2）
式中：mw为每小时去除的水分质量流量，kg/h；带入各值，计算得到：mw=163kg/h
（4）干燥介质进入干燥室时的湿含量H1：因H1＝H0，当温度为t0＝－20℃，相对湿度为35%，查表得H1＝0.001
（5）干燥介质离开干燥室时的湿含量H2：温度为t2＝35℃，相对湿度为80%，查表得H2＝0.029
（6）干燥介质湿比容υ（m3/Kg）：
υ＝（0.773+1.244*H1）（273+t1）/273＝1.002（m3/Kg）式中：t1＝70℃
（7）干燥介质流量L（Kg/h）：L＝mw/（H2－H1）＝5821.4（Kg/h）（8）干燥介质体积流量V（m3/h）：V＝L*υ＝5833（m3/h）
（9）干燥介质离开干燥室时的焓值I2：I2＝1.01t2+H2（2501+1.86t2）＝35.35+0.029*2566.1＝109.8（KJ/Kg）
（10）干燥介质进入加热室时的焓值I0：I0＝1.01t0+H1（2501+1.86t0）＝－20.2+0.01*（2501－37.2）＝4.44（KJ/Kg）式中：t0＝－20℃
（11）加热器加入的热量QH（KJ/h）：系统输入热量：1）湿物料G1带入的热量：因为G1＝G2+mw，所以湿物料G1带入的热量为G2Cmtm1+mwCtm12）空气带入的热量LI03）加热器加入的热量QH
系统输出热量：1）产品G2带走的热量：G2Cmtm22）废气带走的热量：LI23）干燥器散热损失QL取QL＝10％QH
综合以上：G2Cmtm1+mwCwtm1+LI0+QH＝G2Cmtm2+LI2+10％QH
得：90％QH＝G2Cm（tm2－tm1）+L（I2－I0）－mwCwtm1
式中：Cw为水的比热容，4.187KJ/（Kg·℃）；tm1为原料玉米的温度，－20℃；tm2为产品玉米的温度，60℃；Cm为产品玉米的比热，2.01KJ/（Kg·℃）
最后QH＝846202（KJ/h）＝202150Kcal/h
（12）天然气燃烧热为8000Kcal/m3，则天然气用量为25.3m3/h。
（13）微波功率P（Kw）：假设降速干燥开始时，玉米中应去除的水分还剩1/3（54Kg），此时的质量流量（包含水分在内）为Mj，含水率wj＝（54+1000×14％）/Mj＝21％，设经微波加热后，含水率为20％，粮食温度由T1（60℃）变为T2（70℃），加热效率η1（80％），微波转换效率η2（70％），在标准大气压力下，水的气化热539Kcal/Kg，产品干燥时，所需要的热量为Q，可得：
Mj＝1000×（1－28％）+54+1000×14％＝914Kg/h＝15.23Kg/min
Q＝Mj×〔W1（T2－T1）×1+C（1－W1）（T2－T1）+539（W1－W2）〕＝171.8（Kcal/min）
则微波功率P＝0.07Q/η1η2＝21（Kw）
三、总结
玉米是我国主要的粮食资源，研制烘干玉米的关键技术和装备，已成为节能减排、建设玉米绿色供应链的关键，且众多生产领域还没有采用先进的干燥技术和装备，更有巨大的市场还有待于开发。使用可燃气，主要成份为甲烷，燃烧生成二氧化碳和水，属于清洁能源，采用微波干燥，速度快、加热均匀，同时具有杀菌、减少污染的作用，结合热风干燥，能达到节能的目的，目前在粮食烘干领域还未见应用，但经广大科技人员的研究与推广，我国的粮食干燥技术及装备必将取得更多成果。
参考文献：
[1]金国淼等.干燥设备[M]，化学工业出版社，2002.
[2]郝立群，白岩，董梅.玉米干燥中的能耗[J].粮食加工，2005,(2).
本文工作中设计的便携式电场传感器标定装置，其基本结构由两个平行极板构成，标定装置的下极板开有圆孔，并采用特殊夹具固定被检电场传感器。被检电场传感器的动片与标定装置的下极板平齐，使得被检电场传感器无需进入标定装置的上、下极板之间的空间，即可感应到其电场。
2电场传感器标定装置结构参数的优化设计分析
基于有限元的相关理论，首先对标定装置的机械结构建立模型。黄色部分为标定装置，蓝色部分为电场传感器。然后，对几何模型进行单元剖分、加载，可求解出标定装置两极板间的电场分布情况。根据求得的电场分布情况，可进行标定装置结构参数的设计。在计算求解过程中，改变加载在两极板间的电压，使两极板间形成的电场强度的理论值始终为20kV/m。被标定的场磨式电场传感器外壳直径8cm，感应片直径6cm，传感器外壳与标定装置的下极板接触。
2.1标定装置极板间距和极板直径对电场的影响研究
在标定装置的设计上，受限于被检电场传感器的尺寸，以及要考虑标定装置的便携性，把标定装置的极板直径L固定为16cm。在L固定的条件下，分析两极板间距H对极板间电场强度的影响，并以此确定极板间距H。依照图2所建立的模型，取H值分别为1cm,2cm,3cm,4cm和5cm,，。横坐标是电场传感器感应片距离标定装置中心的横向距离，单位为m；纵坐标是感应片某一位置处的电场强度，单位是V/m。同时，在感应片的敏感范围（x<0.03m）内，电场强度并非恒定值，而是随着与标定装置中心距离的增加发生了畸变。图6为极板间电场强度实际值的畸变情况。理想情况下，在感应片的敏感范围内，电场强度应保持不变，但由于标定装置中极板边缘效应的存在，使得感应片敏感区域内的电场不是一个恒定值，距离电场传感器的外壳越近，畸变程度越大。定义在感应片敏感范围（x<0.03m）内各个位置处电场强度的平均值与理论值之比为电场强度的畸变率，并用该值来衡量电场强度的变化程度。畸变率越小，说明所产生的电场越接近均匀分布。综上，在极板直径固定为16cm时，极板间距为5cm时，电场强度的实际值与理论值最为接近，且在电场传感器感应片感应区域内电场的畸变最小。同时，在保证H/L小于0.5的条件下，极板直径L对实际电场的影响非常小。
2.2传感器外壳与标定装置的相对位置研究
当标定装置与被检电场传感器配合不好时，容易使被检电场传感器相对于标定装置发生倾斜。模型中，极板直径为16cm，极板间距为1cm，倾斜角度为1.5°。标定装置的倾斜，会对被检电场传感器感应片上方的电场分布造成较大影响。图9是基于图8的倾斜模型计算得到的感应片上方的电场强度的横向分布。由于相对倾斜后，模型不再对称，因此分析了整个感应片上方（-3cm~3cm）的电场强度的横向分布，并将结果与没有相对倾斜时的感应片上方电场分布作了比较。被检电场传感器与标定装置在相对倾斜角为1.5°时的电场的畸变情况，比没有相对倾斜时严重。有相对倾斜时，感应片上方电场分布更加不均匀，因而被检电场传感器与标定装置间的相对倾斜会对标定结果产生较大影响。在标定装置设计中，应使标定装置与被检电场传感器的外壳的直径尽可能接近（极限情况是外径与孔径的差值为零），以使得两者紧密结触，从而保证被检电场传感器与标定装置之间不会发生相对倾斜。
3便携式标定装置的优化设计和实验结果分析
当输出为-3kV至+3KV的可调直流电源加在两极板上时，两极板间的电场强度理论值的范围为-60kV/m~+60kV/m。使用在标准标定装置中标定好的电场传感器测量本文工作中所设计的便携式标定装置中的实际电场。实测电场强度与所加电源电压之间有良好的线性关系，同时，实测电场小于理论电场，两者的比值约为0.92，这与给出的仿真结果吻合。在野外的实际标定过程中，保持被检电场传感器与标定装置的位置不变，使得电场强度理论值与实际值的比值保持不变，在此基础上，可以通过加在两极板间的电压计算出电场强度的理论值，计算出电场强度的实际值。然后，通过电场强度实际值与被检电场传感器输出值两者间的关系，计算出被检电场传感器的灵敏度，实现对被检电场传感器的标定。经过较长时间的现场使用，所研发的便携式标定装置能够方便、快捷地对场磨式电场传感器进行校准。目前，该校准装置已经应用于中国电力科学研究院特高压直流实验基地高压直流输电线路地面合成电场测量系统中，并已取得了良好的效果。
4结论
散热装置主要由MCU、风扇电路、温度监测电路、串口驱动电路、供电电路、MCU电路和MCU软件组成。
2设计方案
2.1硬件设计
散热装置主要由MCU、风扇电路、温度监测电路、串口驱动电路、供电电路和MCU电路组成。以下对散热装置各个功能电路进行详细设计介绍。
2.1.1MCU
散热装置的MCU采用LPC2132微控制器，其主要功能为基于I2C的IPMI通信接口、风扇控制、温度传感器数据读取和数据打印，它是整个散热装置的控制核心。LPC2132微控制器基于16位/32位ARM7TDMI-SCPU，该CPU支持实时仿真和嵌入式跟踪。
2.1.2风扇电路
散热装置中的风扇采用四线制可调速风扇，风扇的速度通过改变接到调速PWM信号线上的PWM占空比的大小，来调整速度值得大小。占空比越大，风扇速度越大，反之，则越小。把风扇的调速PWM信号线接到了MCU（LPC2132）的PWM输出引脚上，用于控制风扇转速。风扇的反馈速度信号线上传输的是一个矩形波信号，信号的频率，表示了风扇的转速大小，信号频率越高，风扇转速越快，反之，则越小。风扇的反馈速度信号线接到MCU的捕获口上，通过计算风扇反馈速度信号的频率，计算出来风扇的实际转速。
2.1.3温度监测电路
电路功能监测设备内部温度，并将温度数据传给MCU。电路的温度传感器选用LM92C，该温度传感器的准确度可达±0.33℃，温度刷间隔500ms，温度数据输出采用I2C口。
2.1.4串口驱动电路
串口驱动电路主要功能，将MCU的RS232串口转换为标准串口电平，驱动芯片选用MAX3223，用于散热装置温度数据、风扇转速和告警状态数据的打印。
2.1.5供电电路
电路的功能是控制风扇12V上电，可以通过MCU（LPC2132）控制风扇打开与关闭，使得散热装置更加人性化。电路控制芯片选用LM5069，通过MCU（LPC2132）控制LM5069的UVLO脚，高电平控制12V上电，低电平控制12V断电；通过MCU（LPC2132）读取LM5069的PGD脚状态可以查看12V上电是否成功。
2.1.6MCU电路
MCU电路功能是配置MCU正常工作，主要有时钟、MCU复位处理、看门狗处理和JTAG程序下载。
2.2软件设计
散热装置软件为MCU控制软件，它主要包含MCU初始化软件模块、IPMI通信软件模块、风扇速度控制软件模块、风扇速度检测软件模块、风扇板温度值读取软件模块和调试串口软件模块。
2.2.1MCU初始化软件模块
MCU初始化软件模块的主要功能是根据MCU硬件电路配置MCU相应功能寄存器，使得MCU能按硬件电路设计正常工作。MCU的GPIO管脚的初始化是根据硬件设计来规划。对于LPC2132来说，每个GPIO的配置需要经历管脚功能选择、上拉下拉模式选择、输入输出方向选择、高低电平设置四步。
2.2.2IPMI通信软件
IPMI通信软件模块主要功能为运用MCU硬件I2C0接口与上层控制单元进行数据通信，采用IPMI（IntelligentPlatformManagementInterface）通信协议，用于设备的物理特征，如各部件的温度、电压、风扇工作状态、电源供应以及机箱入侵等，散热装置用于传输温度、风扇转速、告警等信息。
2.2.3风扇速度控制软件模块
风扇速度控制软件模块主要功能根据设备温度值或上层控制命令调扇转速，风扇转速可以0%、30%、50%、70%、90%和100%几个级别进行调节包含根据主控发送温度值调扇转速。散热装置风扇速度控制由MCU（LPC2132）的脉宽调制口PWM控制，根据软件设置，PWM可以输出不同占空比脉宽信号，风扇1、风扇2、风扇3和风扇4转速分别由PWM2、PWM4、PWM5和PWM6控制，每个风扇的转速都可以单独设置。
2.2.扇速度监测软件模块
风扇速度监测软件模块主要功能是监测风扇转速，判断风扇工作状态。风扇速度监测由MCU（LPC2132）的定时器捕获口CAP0检测，CAP0每捕获到一个下降沿产生一次中断，风扇1、风扇2、风扇3和风扇4速度监测分别由CAP0.0、CAP0.1、CAP0.2和CAP0.3读取。
2.2.5温度读取软件模块
温度值读取软件模块的主要功能为读取设备上温度传感器LM92温度数据。温度传感器温度读取端口为I2C口，MCU设置为主设备，通信速率设置为400kb/s，定时器间隔1s读取温度传感器的温度值。
3结束语
软件开发项目中包括筹划、研制与实现等主要环节，需要在人力资源、自动化资源等方面进行投资。为了提高开发的经济性，需要对项目进行核定，对项目的目标、条件、限制、可行性等方面进行分析。
1.1 提高计划审批的效率能够带来经济效益
在电能计量管理运行管理系统进行设计与实现的过程中，其中包含了大量的检验计划，为了提高计划审批的效率，可以借助网络实现相关领导对相关计划的查看与审批，消除计划审批延迟给计划工作进度带来的各种不利影响。同时，也降低了审批延迟所带来的各种隐性经济损失。
1.2 提高信息运用的效率能够带来经济效益
工作人员在电能计量装置运行状态管理中沟通、协调与控制是最为基本的联系，而这些在系统中都得到了良好的实现。知识管理主要的目标是帮助企业在正确的时间中将正确的知识传递给正确的人，从而实现企业整体业务水平的提高，提高企业信息的运用效率，提高企业管理与决策的科学性。
1.3 实现自动化能够带来经济效益
电能计量装置运行状态管理系统中包含了大量的自动化手段，能够对部分人工信息加工过程进行替代；系统中包含的各种功能降低了管理人员在工作中的强度，从而实现了工作效率的提高。电能计量装置运行状态管理系统能够节约的时间能够重新投入到生产过程中，将会产生非常大的效益。
2 电能计量装置运行状态管理系统的设计
电能计量装置运行状态管理系统设计的主要任务为实现数据流向着软件结构与数据结构的转变，其中软件结构设计的任务为按照功能对复杂的系统进行模块划分，实现模块之间的层次结构与调用关系，对模块间的接口进行确定，对人机界面进行确定；数据结构设计的任务为描述数据特征、确定数据结构特性、设计数据库。
2.1 电能计量装置运行状态管理系统设计方案
2.1.1 设计的原则
（1）先进性的原则。用户在程序操作的过程中主要是通过 IE 浏览器，在操作的过程中并不需要客户端程序的安装过程，而且在运行的过程中维护非常简单。系统中所采用的是网络版数据库，确保数据在保存的过程中能够具备安全性，通过计算机网络技术、数据库技术、信息传递技术、工作流技术、容错技术等实现智能化信息集成系统的建设。
（2）安全性原则。在对系统进行设计的过程中要确保网络具有安全保障系统，从而实现对网络安全的保障与保密。通过各种非常先进的软硬件等技术手段实现网络中传输、数据、接口等方面的安全。
（3）通用性原则。系统需要实现通用管理平台的构建，要对电力系统各电能计量装置档案编制都实现适应，系统所提供的流程管理功能、检验计划功能、数据采集与分析功能等能够满足企业不断增长的业务需要。
（4） 逐步性原则。在系统设计与项目实施的过程中，需要遵循SSAGF 原则，要先从简单的入手，逐步向着不同的深度与广度进行推进，实现从小到大、从简到繁，通过对项目的不断完善确保其安全与可靠，促进其可持续发展。
2.1.2 系统的逻辑框架
电能计量装置运行状态管理系统中所采用的模式为 .Mvc三层架构模式，通过该模式实现对应用程序的开发与部署。其中，视图指的是统一的用户界面，用户可以通过浏览器与交互访问等方式实现信息的获取；访问请求指的是统一的结构调用方式，实现用户请求与系统请求的封装，并转发到业务处理层组件中；业务逻辑指的是业务层中不同业务功能模块与系统支持模块的实现；数据访问指的是对数据进行访问所采用的方法；分析图表指的是为电能计量装置检验数据与历史数据提供模型与算法。
2.1.3 技术路线
第一，在系统进行分析与设计的过程中要采用面向对象的方法，通过应用计算机辅助软件工程技术和 UML 建模技术实现系统的分析、软件的设计与开发，提高系统的规范性、可靠性，实现系统开发效率的不断提高。第二，选择能够对系统各个阶段工作的一体化进行支持的计算机辅助软件设计工程工具，实现了对应用功能的开发与搭建。第三，利用三层体系架构--浏览器/应用服务器/数据库服务器结构实现体系结构的设计，实现关键业务兵法访问速度的提升。
2.2 电能计量装置运行状态管理系统的详细设计
2.2.1 检验计划管理方面的设计
检验计划中主要包括的内容有：年度计划、月度计划、周计划。检验计划管理的主要功能为实现计划的制定、审核与审批流程方面的管理。依据计量装置检验周期与检验周期规则的不同，能够自动的生成检验计划，同时也可以对其进行手工的调整。上传的检验数据能够实现计划完成情况的自动确定，同时对各种没有完成的检验计划进行提醒与生成，并对计划的执行情况进行统计。
2.2.2 现场检验数据管理方面的设计
检验数据中包含的内容包括现场检验作业指导书、技术规范中的规定数据项目等。检验数据在采集的过程中主要的采集模式包括以下几个方面：第一，利用监测仪器对数据进行采集，数据采集完成之后在检验设备中的 MMC 或者 SD 卡中进行保存；第二，利用标准化作业管理系统 PDA 对数据进行填写；第三，利用纸张对现场数据进行记录。
2.2.3 电能计量装置运行状态评估管理方面的设计
电能计量装置运行状态评估管理主要的作用是对计量装置运行过程中的异常状态数据进行管理，对计量装置运行中的异常状态数据进行新增、修改、删除、审核与存档。
2.2.4 权限管理方面的设计
权限管理是系统安全性最为基本的保障。通过基础平台中的相关的权限管理功能对权限组进行划分、对人员进行授权、对模块进行授权等，同时还能够对数据字段进行授权。权限管理能够实现系统功能层次的一目了然，提高系统的功能性与数据的安全性。
3 结束语
软件的功能划分为4类：变电站管理、装置程序维护、在线浏览操作、一键归档分析功能。定义上位机调试软件为控制方向，装置侧服务器程序为监视方向。
1、1变电站管理
变电站管理功能按照不同电压等级、间隔名称，分层次多级目录管理若干装置。可新建、打开和关闭变电站工程；支持在人机界面中输入装置地址发起连接请求创建装置；支持装置重命名、排序、复制、粘帖和导入导出等操作。以层次树的资源管理器方式展示变电站结构。装置分离线和在线两种状态，离线模式下可进行数据分析、离线定值设置、主画面编辑等操作，在线模式下可进行程序维护、状态浏览、数据归档收集等操作。
1、2装置程序维护保护测控装置调试软件设计与实现上传配置文件、日志文件等文本。控制方下发需要上装的文件名，监视方打开文件，并分段上传数据，到达文件尾部后给出结束帧标记，控制方将数据存储到文件。上装是下载的反向过程。在程序运行调试过程中，往往需要通过调试相关变量进行状态诊断。在调试上位机程序时，可以使用IDE或gdb等进入调试状态，设置断点并查看变量值。嵌入式装置在运行状态下，监视相关变量时不能随意切换到调试状态，而是将调试变量作为一个实时响应的处理线程。通过调试变量协议，控制方下发需要调试的变量名，装置侧获取相关变量的地址信息和类型后，访问变量地址，读取数据，周期上送变量值，控制方显示实际值。调试变量的关键步骤是获取变量的地址，全局变量可以通过分析编译器形成的map文件获取，对于动态分配的内存，则需通过辅助手段实现。为此制定相关嵌入式程序编程规范，用结构体元件来封装各功能模块数据。元件结构体的内存是动态分配的，编译器在编译时没有为其分配静态地址，map文件里没有这些变量的地址信息。需要在装置启动阶段才能得到变量地址。对于动态分配内存的结构体变量，装置侧提供注册接口，可记录首地址。调试软件根据输入的元件结构体类型名、成员变量名、文件存放路径和CPU字节对齐等信息，对相关的文件进行词法分析和语法分析，进行宏表达式求值，计算出变量在结构体中的偏移量，并下发相对偏移信息。装置侧程序由结构体首地址＋变量的相对偏移地址得到变量的真正地址。调试人员只需输入层次实例名，不需手工计算变量地址，调试软件在计算相对地址时已考虑了各种CPU的字长对齐设置。调试变量的流程如图3所示。可通过查询内存的功能实现一次查看连续区域内存数据。控制方可下发查询起始绝对地址，监视方一次回复若干个字节的内存数据。也支持通过下发变量名的方式查询内存。
1、3在线浏览操作在线浏览的通信协议基于继电保护国际标准规约IEC60870－5－103协议［6］，可以实现不同厂家的设备、后台的交互通信，减少了私有协议转换过程，方便运行管理和维护。其协议结构如图4所示。类结构图如图5所示。在线浏览操作功能包括：装置模拟量开关量实时显示、装置定值整定和比较、可编程逻辑编辑和状态显示、事件查看、动作报告显示、波形文件上传和分析、HMI遥控模拟、信号复归等。通过在线浏览模块，可实时显示装置的状态数据、参看监视报文、分析跳闸逻辑、查看并设置定值、开关分合遥控等操作。其中涉及到遥控、定值整定、报告清除等关键操作，需要输入用户名和密码，进行权限校验。以定值设置整定为例，其报文交互流程如图6所示。
1、4一键归档分析通过一键归档操作，批量上装日志文件、配置文件等文件，自动截取装置当前的断面数据（包括装置模拟量、状态量、定值、报告、用于问题诊断的特定变量等内容），将各分立文件压缩存储为一个数据包。当现场运行的装置出现异常或跳闸动作时，通过一键归档，可自动打包相关数据，并以邮件方式发送到指定邮箱，装置研发人员可离线打开查看分析。
2软件风格设计
2、1基于软件管家模式由于软件功能复杂，采用了模块化设计思想，进行分层、分模块设计，以去除界面、数据、接口之间具体耦合，方便扩充。调试软件由引导主进程和按照功能划分的子进程组成。如图7所示，引导主进程是安装软件的启动程序，提供变电站资源管理器功能，在左侧树形区域点击装置节点时，会在右侧按照模块划分，分类显示相关功能。点击功能图标，传入形参，启动独立的子进程。通过组件化的设计思路，可确保增加一个新的模块时，不会影响已经稳定的模块。基于子进程的软件管家模式，也减少了人机界面的操作复杂度，用户在一个时间段内只需专注于单一图4在线浏览报文协议结构图5在线状态浏览类结构图图3调试变量流程图2《工业控制计算机》2014年第27卷第11期的功能，并可快捷地切换到另一个功能的操作界面。
2、2类浏览器界面风格当各个子进程启动后，为避免顶层窗体过多，采用类似Chrome的界面风格，用标签页管理子进程的界面。对各子进程的界面、颜色进行了统一设计，基于QT－CSS技术，设计了统一的界面风格库，并提供风格设置接口，可设置标签页QTabWid-get、层次树QListTreeWidget、停靠栏QDockWidget等控件的边框、缩进、标题、字体、颜色等内容。类浏览器的界面规范使不同人员开发的子进程在风格上高度统一。
3软件分层设计
除按照主进程－子进程的模块化设计外，单个通信子进程按照分层原则设计，共分为三层，最底层为数据收发层，中间层为数据处理层，最上层为展示层。如图8所示：图8软件分层结构数据收发层的功能是负责从装置接收报文并将数据处理层的报文发送到装置。针对不同类型的装置，该层需要支持串口通信、以太网链路层通信与以太网传输层通信三种通信方式。同时为了保证通信状态的可靠性，数据收发层还支持出错重传及超时重传机制。其中网络通信采用ACE中间件实现，串口通信采用Qt的QExtSearialPort实现。数据处理层是整个系统的主体部分，主要负责报文解析，报文生成，提供接口供展示层调用，实现了业务与操作接口的分离。展示层提供数据的展示与用户交互功能，不涉及具体的业务流程处理。针对不同的数据，展示层提供二维表格、层次树等不同的展示方式，采用Qt的Model－View模式，可高效快速显示刷新数据。展示层还提供个性化的右键菜单、按钮与工具栏。当用户点击某个菜单或按钮时，展示层会调用数据处理层的对应接口，对用户的操作进行处理。
4结果
实现与分析软件主界面如图9所示：左侧为资源管理器，用来管理变电站，变电站下支持新建多个装置。右侧为工作区，用来展示当前活动装置支持的功能。图9软件主界面点击工作区某个功能按钮，主进程将启动相应的子进程。以在线浏览功能为例，图10所示为装置报告查看界面。
5结束语
在设计中应用创新方法将有助于设计者高效、创新地解决问题。课题组提出一种创新策略［5］，将创新设计分成面向问题、面向目的、面向产品和面向载体4类，并根据不同的类型，采用不同的创新策略实现创新。这些创新类型中面向问题的创新是最常见的，其策略是解决最小化问题，解决系统中的冲突，对系统进行改进创新。由于发明问题解决理论TRIZ是以已有系统为主要研究对象，比较适合这类型的创新设计。TRIZ最初由G．S．Altshuller于1956年提出［6］，经过几十年的发展已经形成完整的发明问题解决理论体系，其问题分析及解决体系结构如图1所示。TRIZ体系包含分析问题及解决问题两部分，针对不同的问题采用相应的工具来分析解决。
2管道腐蚀检测装置创新设计
2．1在役管道腐蚀检测原理
我国在役管道大都铺设在野外且都埋在地下，其底部最容易发生腐蚀，对于在役运输管道发生的腐蚀采用射线检测技术，其检测原理如图2所示。射线机发射检测光线，穿透管道待检测部分，然后被探测平板接收，通过对接收射线的情况进行分析处理，便可以判断管道是否存在腐蚀以及腐蚀的位置、程度。
2．2检测装置问题分析
由于在役管道所处的环境比较复杂，对检测装置提出了非常苛刻的要求：不宜在管道内进行检测，也不允许检测装置从管道两端套进，只能从中间夹紧管道。当前的管道腐蚀检测装置主要存在的问题为：①结构复杂，装夹不便；②人工干预程度大，自动化程度低，检测效率低；③只能检测某一管径管道，适应性差。检测装置的创新设计必须解决上述问题，对于上述问题我们分析归纳为以下两个问题：Q1：提高检测效率，要求检测装置能沿着管道轴向进行移动检测，并对管道进行可靠地夹持。Q2：检测装置能实现系列管道（Φ159mm～Φ500mm）的检测，并保证检测装置不复杂、结构紧凑。对于Q1，要求检测装置沿着管道轴向移动检测以提高检测效率，但另一方面会导致夹持装置的夹紧力不够、可靠性降低，这就形成一对技术冲突。对应TRIZ标准工程参数，这对冲突中的改善参数为时间损失，恶化参数为可靠性。对于Q2，要求检测装置实现不同管径的管道检测，但同时会增加装置的复杂性，这也形成一对技术冲突。对应TRIZ标准工程参数，这对冲突中的改善参数为适应性及多用性，恶化参数为复杂性。
2．3检测装置问题解决
（1）针对Q1，查询TRIZ冲突矩阵得到发明原理10，30和4［7］，经分析这3个原理无法解决该问题。我们采用物质—场模型来分析此问题，两种物质分别为S1（管道）和S2（检测装置），场为机械场，检测装置及场提供的功能是不完整的，其物质—场模型描述如图3所示。检测装置要求对管道有足够的夹持力，实现管道的可靠夹持，但检测装置与管道很难发生相对运动，实现管道轴向移动检测。由此可见，检测装置提供的场是一个可控性较差的场。查询标准解，得到第二类标准解No．16，即增加一个易控制的场，因此在检测装置和管道之间增加一个可控的外力，即在检测装置前后分别采用4个滚轮实现管道的夹持，在前后轮之间的管道上增加一个可控的驱动机构（如图4所示），在夹紧定位的同时提供外力以促使检测装置与管道之间发生相对运动。当管道检测装置实施检测时，不与管道发生相对运动，对管道进行定位夹紧；当检测完一个位置时，驱动机构提供外力促使检测装置与管道之间发生相对运动，检测装置运动到管道的下一个检测位置。（2）针对Q2，查询TRIZ冲突矩阵得到4个发明原理15，29，37和28。经过分析，发现发明原理15（动态化）有助于该冲突的解决。应用发明原理15，将滚轮与检测装置的联接部分改为可调机构，采用如图5所示的可调滑块机构，滑块沿着圆弧板径向安装，均匀并且对称安装在上、下圆弧板端面，通过调节滑块实现所要求的系列管道检测。
2．4在役管道腐蚀检测装置创新方案
综合上述2个问题的解决方法，得到如图6所示的在役管道腐蚀射线检测装置创新方案。检测装置采用两段半圆弧铰接而成的剖分式结构和螺旋夹紧机构实现快速夹紧和拆卸；采用8轮夹持机构以及驱动机构实现检测装置对管道的定位夹持，并能沿着管道轴向移动，实现自动检测；调节与轮子联接的滑块机构以实现不同管径的夹持检测。
3结论
(1)根据通知要求，必须采用自动控制措施。生产装置采用DCS自动控制系统对全部生产过程实施反馈控制、批量控制、顺序控制、紧急切断及报警联锁等，生产过程达到管控一体化。(2)氯化反应设置温度报警及温度与氯乙烯、氯气进料联锁装置，当反应不正常时切断进料。(3)为了防止物料倒入设备或管道，在氯化反应系统中氯乙烯、氯气进料管道均设置一定高度的垂直段，确保反应器中料液不倒入各物料管线，并在投料前对系统进行氮气置换，并检测氧含量在允许范围内。(4)氯化反应系统中所涉及的设备、管道设置了氯气回收系统，利用真空抽吸系统回收氯气，确保安全。(5)氯化反应中温度控制最为关键，氯化塔反应热考虑大流量外循环冷却移走热量，对循环泵电气上为一级负荷，确保不能停。(6)氯化尾气遇光易爆炸，通过碱液循环吸收控制，碱液循环泵电气上为一级负荷，确保不能停。
2皂化反应工序
(1)皂化反应工序涉及高温的设备、管道设置相应的保温防护层，既可防止人员烫伤，又可减少热损失，并经常检查保温情况，确保其处于正常状态。(2)本工序接触腐蚀性介质的设备选用不锈钢材料，管道选用不锈钢及衬四氟材料，防止腐蚀造成的设备和管道泄漏。(3)皂化反应器设置了温度控制系统，严格控制反应温度。皂化反应中的碱液浓度通过碱液配制罐控制，保证碱液浓度稳定防止氯乙炔的生成。皂化反应系统中的设备、管道避免死角，防止氯乙炔的集聚。碱液浓度在DCS自控系统中显示报警。
3储运系统
偏二氯乙烯装置的原料氯乙烯和产品偏二氯乙烯需要储存在罐区。(1)氯乙烯储罐设置齐全的安全附件。对液位的控制设置液位就地显示、液位变送器、高低液位显示报警等，对压力的控制设置压力就地显示、压力变送器、压力显示超限报警等，对温度的控制设置温度就地显示、温度变送器、温度显示超限报警等，液位、温度、压力的变送信号远传至主控制室。氯乙烯储罐设置安全阀、放空管和阻火器等泄压及防火防爆措施，安全阀的出口排至气柜系统。(2)氯乙烯储罐设置固定式水喷雾冷却系统。(3)氯乙烯储罐的液位与氯乙烯卸料泵联锁，一旦发生液位超限报警，即停氯乙烯卸料泵，切断氯乙烯的输入。(4)氯乙烯储罐开口接管的阀门及管件的管道压力等级不低于2.0MPa，其垫片采用缠绕式垫片，阀门压盖的密封填料采用难燃烧材料。(5)进出氯乙烯卧罐氯乙烯卸料泵、氯乙烯加料泵的氯乙烯管线均设置绝热保冷层。(6)氯乙烯储罐设置氮气管道，用于设备置换。(7)偏二氯乙烯储罐设置齐全的安全附件。对液位的控制设置液位就地显示、液位变送器、高低液位显示报警等，对压力的控制设置压力就地显示、压力变送器、压力显示超限报警等，对温度的控制设置温度就地显示、温度变送器、温度显示超限报警等，液位、温度、压力的变送信号远传至主控制室。偏二氯乙烯储罐设置氮封、放空正负水封和阻火器等泄压及防火防爆措施。(8)罐区周围设置防火堤。防火堤的有效容量大于其中最大储罐的容量，防火堤内侧基脚线至立式储罐外壁的水平距离不应小于罐壁高度的一半。(9)为储罐基础防止沉降，造成管道损坏物料泄漏，储罐的出口管道应采用金属软管连接。
4结束语
关键词：大型空分；后备系统；工程设计优化
1后备系统低温管道常规设计概述
随着国民经济的快速发展，空分装置的建设规模越来越大，特别是目前煤化工装置配套的空分装置，这些装置一般都要求空分装置在事故状态下其后备系统能连续稳定的提供气体。所以该类空分装置后备系统的液体贮槽和后备低温泵也配备的越来越大，贮存在贮槽中的低温液体产品通过贮槽下部的送液管经低温后备泵加压汽化后送至后续化工装置，其流程图见图1。低温液体贮槽的送液管道常规设计为不锈钢管道由贮槽内槽底部穿出内槽，在外槽外壁开孔后水平送出，贮槽外露部分送液管道用焊接有膨胀节的不锈钢保冷套筒内部充填珠光砂保冷，图2为液体贮槽常规的外接管道形式（管道未保冷）。通常贮槽供货商与用户的设计供货分工界限为贮槽外送液体管道上的送出截止阀，外露的低温液体管道通常用泡沫玻璃或聚异氰尿酸脂（PIR）等耐低温的绝热材料进行保冷后接至后备低温泵，图3为液体贮槽外接管道保冷后与低温后备泵的常规连接形式，贮槽至低温泵间阀门的保冷随管道同时进行。
2大型低温液体贮槽送液管道常规设计的问题和不足
大型特大型煤化工空分装置往往设置大型低温液体贮槽，一般容积都在1000m3以上，2000m3、3000m3已不鲜见，低温液体贮槽的送液总管的直径往往都在DN150以上，国内某项目60000等级的空分项目配套的1500m3液氧贮槽的外送液氧总管直径为DN200，新疆某煤制油项目100000等级的空分项目配套的两台2500m3液氮贮槽的外送液氮管也是DN200，并且全部都设置为双路送出，充分考虑了供液系统的安全性。如此大规格的低温液体管道若采用常规布置设计和保冷，即出贮槽后的低温管道到后备泵全部采用泡沫玻璃保冷，由于其密度为180kg/m3，施工后管道附加荷载大，且泡沫玻璃的导热系数为0.06W.m-1.C-1，为珠光砂的两倍，其保冷受现场施工质量的影响，并且管道上的阀门及仪表和排液管线接口在保冷施工中如处理不好，其保冷材料对接的缝隙部位往往会成为薄弱环节，在设备实际运行过程中经常会产生跑冷现象(有些用户现场用PU硬质聚氨酯泡沫发泡保冷，虽然聚氨酯泡沫导热系数低，通常≤0.027W.m-1.C-1，但由于长期在低温场合下使用宜冷脆，现场发泡的施工工艺受北方冬季寒冷气温的影响较大，并且石油化工设备和管道隔热技术规范(SH/T3010-2013)明确规定其使用温度为-65℃-80℃，所以该工况应避免使用。如果工程布置中后备泵距离贮槽较远，其中间管道的跑冷损失更大，严重时会导致后备泵汽蚀，所以用户往往要求贮槽至后备泵的低温管道采用真空管道，但真空管道价格高，使用若干年后还会存在真空度下降，导致用户现场重新保冷。
3大型低温液体贮槽外部管道的优化设计思路
为了避免上述问题，设计时应将贮槽外的低温管道与后备泵的保冷整体考虑，工程设计时应将上述管道、阀门等都设计在后备泵的保冷结构内，即低温贮槽外部需保冷的低温工艺管道和后备泵整体设计在一个小冷箱内，则上述管道和低温泵的保冷可整体采用珠光砂，其后备系统冷量损失可减小到最低程度，此设计特别适用于后备低温泵兼作空分冷箱备用泵的大型煤化工空分装置。
4后备系统保冷工程设计优化实施案例
我公司在内蒙某煤化工项目工程设计中将后备低温泵的工艺管道与贮槽送液管道整体设计在一个保冷箱内，管道既整体美观，冷量损失又小，此外泵后的回液和回气管道也可利用冷箱内空间布置。此项目液氮、液氧贮槽均为500m3，内筒直径φ8000mm，外筒直径φ10300mm，为了预留出泵与贮槽间管道的安装空间，贮槽基础净空设计为2.5米，基础顶标高3.15米。低温后备泵的流量为52000m3/h，泵进液管道口径为DN150，泵后液体回流管道口径为DN100，回气管道口径为DN40。此外，设计时在泵前进液水平管段上设置了DN15的虹吸管线，此管线可利用管道中液体与气体的密度差将汽化后的气体虹吸至内槽气相，使泵前液体处于动态，便于泵体更快地冷却，除后备泵进液管道是向泵入口上坡外，其余管道水平方向上均有向贮槽上坡的布管设计要求，且泵后回气管路的坡度最佳为45°。上述几个管道在贮槽内槽上的开孔部位不同，但其出贮槽的位置均设计在泡沫玻璃砖绝热层外缘与外槽内壁之间的基础部位（此空间长度有840mm），管道在此夹层利用自身走向的改变增加柔性，来减小管道的二次应力，可取消贮槽原有设计中管道上的膨胀节。管道需下穿贮槽基础至后备泵冷箱，管道下穿时需设计在保冷套筒内，此设计方案需土建专业配合基础开孔设计。贮槽基础设计时其开孔顶面需预埋钢板来焊接固定保冷套筒，并起到封闭保冷套筒与基础之间缝隙的作用，套筒顶面稍高出基础上的细砂混凝土层，并注意施工时防止细砂混凝土等杂物落入套筒内部，影响套筒保冷效果，保冷套筒设计为腰形,截面尺寸长度为1550mm，圆弧半径为R550mm，高度为1350mm，保冷套筒考虑安全因素宜全部采用不锈钢材料，筒底板采用不锈钢板与上穿工艺管道焊接后将筒体封闭，与贮槽同时充填低密度、低导热系数的干燥珠光砂，与贮槽外筒构成一个整体保冷结构，套筒下面的工艺管道及后备泵单独制作保冷箱并充填珠光砂保冷，图4为该项目中的贮槽基础开孔方位和尺寸，结构梁的设计应避开开孔位置。需要特别注意的是此设计方案要求管道布置专业与土建专业密切配合，开孔方位及尺寸条件要做到准确无误，土建施工图经管道布置专业确认无误后方可现场施工。
5空分装置后备系统工程设计的发展方向
