USST_Arts_112330273应用于电厂煤仓中的料位计设计与研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 14.44MB 57 页 15积分

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应用于电厂煤仓中的料位计设计与研

究

摘要

随着社会的进步与发展，电力设备的广泛应用，社会对电力的需求也越来越多。

而电厂作为支撑国民经济命脉的重要单位，其可靠性显得尤为重要。

在当今社会，新能源的迅速崛起，风能、太阳能发电逐渐在社会总发电量中占有

一定的比例，但是传统的火力发电仍然占很大的比例。

在火力发电厂中，如何实现快速准确的测量煤仓料位高度的检测，同时保证较

小的维护量是火力发电的关键技术之一。

传统的检测煤仓料位的方法包括机械摆针，红外探测等方法，但是传统的测量

方法无论从测量精度还是抗干扰性上看都存在着一些缺陷。为了解决传统测量方法上

的种种弊端，设计了一种新型的基于单片机系统的煤仓料位计。这种料位计是通过检

测煤料中释放出来的伽马射线的含量来计算出煤仓中煤料的高度，相比传统的测量

方式，具有实时性高、稳定性好、维护量小、便于远程监控等优点。

随着目前人力成本的提高，人们对设备维护的便捷性也提出了很高的要求，对

此本文利用无线发送接收技术设计了与料位计配套的遥控器，利用遥控器可以实现

对料位计的远程监控。同时支持一台遥控器与多台料位计进行通信。这样可以在很大

程度上节约成本，提高效率。

本文研究的主要内容有：首先对传统的电厂煤仓中料位的测量方式做了介绍，

而后引出本文所设计的一种新型的煤仓料位计，并对该种料位计所采用的物理原理

进行了叙述。其次从总体上介绍了料位计系统的组成结构。重点介绍了系统的硬件设

计和软件设计，并对系统进行了测试和验证，同时对测试过程中遇到的问题进行了

分析处理。运行结果表明设计的料位计系统实现了测量、报警、远程通讯等核心功能。

关键字：煤仓料位计高度检测伽马射线 STM32

ABSTRACT

Along with the progress and development of society,the extensive application of

electrical equipments.Our society's demands for electricity are also increasing.Anyway

power plants as an enterprise which control the national economic lifeline,Its reliability is

particularly important.

In current society,though the rapid emergence of new energy and wind energy,solar

power account for a certain percentage of the society's total generating capacity,yet the

conventional thermal power still account for absolute large percentage.

In thermal power plants,the coal height's detection has been always a serious

problem.How to achieve fast and accurate measurement while ensuring the small amount of

maintenance is a urgent problem to be solved to the power plants.

The traditional detection methods for coal bunker level includes mechanical pendulum

needles, infrared detection ,etc.However taking accuracy and immunity into

account,traditional methods' performance are unsatisfactory.In order to solve the

shortcoming of the traditional measurement method ,we design a new level meter based on

STM32. This level meter can calculate the height of coal by detecting the gamma rays'

content released from coal material.Compared with traditional measurement method,the

new level meter has the advantage in real-time,good stability,low maintenance,easy remote

monitoring.

With the labor cost increasing,people also make high demand for the convenience of

maintenance.So we design a remote control which can communicate with the level

meter.we can remotely monitor the level meter by the remote controller,in addition the

remote controller can communicate with up to 128 level meters,which can greatly reduce

the costs and improve efficiency.

The main contents of this paper including:First,it narrative topic sources and make a

presentation of traditional material level measurement for power plant coal bunker.In

addition we refer to a new level meter which designed by us and narrative the physical

principle adopted by the new level meter.Further more it introduce the structure of the level

meter system and elaborate the system's software and hardware design in detail. During the

test and validate about the system,some problem were found and we solved by error and

trial.The final operation results shows that this design of level meter system release the

function of measurement,alarm,remote communication.etc.

Key word：Coal bunker level meter,Height detection,Gamma 
rays,STM32
目  录
摘要
Abstract
第一章  绪论.......................................................1
1.1 课题背景及意义.............................................1
1.2 课题来源及研究内容.........................................1
1.3 章节安排...................................................1
1.4 本章小结...................................................2
第二章 自然伽马射线测量料位原理....................................3
2.1 传统检测设备工作原理.......................................3
2.2 放射性理论基础.............................................3
2.3 煤炭中的天然放射性.........................................4
2.4 光电效应与光电倍增管的工作原理.............................4
2.5 本章小结...................................................6
第三章 基于 STM32 无源核子料位计系统................................7
3.1 系统概述...................................................7
3.2 系统平台的构建及功能.......................................7
3.3 系统各个功能模块概述.......................................8

4 系统特殊硬件设备的实现....................................10
4.1 光电倍增管（Photomultiplier tube）..................10
4.2 无线发射模块........................................11
5 本章小结..................................................12
第四章 系统硬件电路设计...........................................13
1 料位计系统的硬件电路设计方案..............................13
1.1 核心器件的选择......................................13
1.2 各个功能模块的作用..................................14
2 STM32 最小系统............................................15
3 信号跟随电路..............................................16
4 信号处理电路..............................................17
5 脉冲计数电路..............................................19
6 开关电源电路..............................................21
6.1 开关电源主拓扑结构..................................21
6.2 开关电源控制回路....................................22
7 接地检测电路..............................................25
8 继电器输出电路............................................26
9 带隔离功能的 485 电路......................................27
10 EEPROM 存储电路..........................................29
11 无线模块控制电路.........................................30
12 本章小结.................................................31
第五章 系统软件设计...............................................32
1 料位计系统软件整体架构....................................32
2 系统软件功能分析..........................................32
2.1 电厂煤仓料位计软件功能分析..........................33
2.2 遥控器软件功能分析..................................33
2.3 上位机软件功能分析..................................34
3 电厂煤仓料位计软件设计....................................34
3.1 煤仓料位计软件总体设计..............................34
3.2 系统时钟初始化任务..................................36
3.3 AD 采样任务.........................................36
3.4 脉冲计数任务........................................37
3.5 串口通信任务........................................39
4 遥控器软件设计............................................40
5 上位机软件设计............................................41
6 本章小结..................................................42
第六章 系统调试...................................................44
1 软件调试..................................................43
1.1 料位计软件开发及调试说明............................43

1.2 遥控器软件开发及调试说明............................45
1.3 上位机软件开发及调试说明............................45
2 实验室硬件电路与系统软件调试..............................47
2.1 高压板标定调试......................................48
2.2 料位计模拟高度测试实验..............................50
2.3 料位计与遥控器通讯测试实验..........................53
3 系统运行状况的问题与分析..................................53
4 本章小结..................................................54
第七章  总结与展望................................................55
参考文献..........................................................57

第一章绪论

1.1 课题背景及意义

近年来，随着 ARM Cortex-M3 架构的兴起，在嵌入式领域引起了不小的轰动，

一直以来，尤其是在工业控制领域，单片机一直还停留在8位或16 位的基础之上，

对于不少高级的应用，人们还得求助于32 位DSP 的软件设计，然而随着 CM3 的诞

生，对于单片机而言，似乎在发生着一场革命[1]。

随着社会的进步与发展，电力设备的广泛应用，社会对于电力的需求正日益增

加，而电厂作为支撑国民经济命脉的部门，其重要性与可靠性显得尤为突出。

随着新能源的迅速发展，风力发电、水力发电、核电等在社会总发电量中的比重

有所增加，但我国现在绝大部分的用电还是依靠火力发电。

在火力发电厂中，如何快速精确的检测煤仓中煤料的高度同时保证较小的维护

量是火力发电的关键技术之一，传统的机械摆针式测量、远红外探测仪等方式存在着

如：机械损耗大、维护工作量大、抗干扰性差等缺点。

当今社会已经迈入自动化、数字化时代，嵌入式产品已经深入到工业发展的各个

领域，由嵌入式产品带来的便捷性、实时性等优点也已经深入人心。

针对目前火力发电厂煤仓料位检测的难题以及结合当下在自动化领域较为流行

的ARM Cortex-M3 平台，设计的一款煤仓料位计，来对电厂煤仓中的煤料高度进行

实时监测，这款料位计可以通过无线传输技术，将现场测量的结果发送到遥控器上，

同时支持遥控器对料位计运行参数的修改，实现远程监控的目的。

1.2 课题来源及研究内容

本课题是来源于上海辉博自动化仪表有限公司正在研发的基于无放射源的煤仓

料位测量系统。该课题的主要研究内容有：基于 ARM Cortex-M3 内核的 STM32F103

为主控芯片的采样电路、信号处理电路、开关电源主电路、控制电路的设计；无源核子

料位计与遥控器之间的无线数据通讯。

1.3 章节安排

本文主要依据煤料中能释放放射性伽马射线的理论，设计了一种无放射源的料

位计，这种料位计能够应用于火力发电厂中测量煤仓煤料的高度。主要研究了这种无

源核子料位计的硬件电路设计以及程序算法实现。论述内容安排如下：

第一章为绪论部分：主要介绍课题的背景、来源以及研究内容。

第二章主要介绍利用煤中释放出来的放射性物质测量煤料高度的原理。从目前广

泛利用的接触式测量方式入手，分析出传统测量方法的优劣，继而引出本文介绍的

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摘要：

应用于电厂煤仓中的料位计设计与研究摘要随着社会的进步与发展，电力设备的广泛应用，社会对电力的需求也越来越多。而电厂作为支撑国民经济命脉的重要单位，其可靠性显得尤为重要。在当今社会，新能源的迅速崛起，风能、太阳能发电逐渐在社会总发电量中占有一定的比例，但是传统的火力发电仍然占很大的比例。在火力发电厂中，如何实现快速准确的测量煤仓料位高度的检测，同时保证较小的维护量是火力发电的关键技术之一。传统的检测煤仓料位的方法包括机械摆针，红外探测等方法，但是传统的测量方法无论从测量精度还是抗干扰性上看都存在着一些缺陷。为了解决传统测量方法上的种种弊端，设计了一种新型的基于单片机系统的煤仓料位计。这种料位计是...

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