爐內(nèi)水蒸氣爆炸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種爐內(nèi)水蒸氣爆炸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它涉及鍋爐爆炸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域；它包含爐內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊中包含的鍋爐爆炸預(yù)警系統(tǒng)通過在鍋爐內(nèi)配備壓力傳感器和氣敏傳感器，收集爐內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)，再利用軟件設(shè)計(jì)中的相關(guān)模型對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。本發(fā)明有益效果為：它在硬件設(shè)計(jì)階段利用壓力和氣敏兩種傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和控制,在軟件設(shè)計(jì)階段先彌補(bǔ)溫度元素，通過人工智能中，粒子群智能挖掘搜索算法檢測(cè)可能存在的鍋爐內(nèi)的危險(xiǎn)情況,在不同的鍋爐鋪設(shè)情況下，它的爆炸預(yù)警的準(zhǔn)確率較高。
【專利說明】
爐內(nèi)水蒸氣爆炸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及鍋爐爆炸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在爐內(nèi)水蒸氣爆 炸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國對(duì)能源的消耗量不斷增加，由于世界能源價(jià)格普遍上 漲使得長(zhǎng)期處于粗放型增長(zhǎng)階段的，我國工業(yè)生產(chǎn)逐漸面臨能源瓶頸，以高能耗為代價(jià)的 產(chǎn)值增長(zhǎng)不符合科學(xué)發(fā)展觀的要求，也不利于經(jīng)濟(jì)保持長(zhǎng)期增長(zhǎng)，因此，當(dāng)代企業(yè)開始重視 企業(yè)內(nèi)部能源的循環(huán)有效使用問題，余熱鍋爐是通過工業(yè)過程中的廢氣、廢料或廢液中的 顯熱，進(jìn)行二次燃燒產(chǎn)生熱量的鍋爐，因?yàn)橛酂徨仩t能增強(qiáng)燃料燃燒釋放能量的使用率，所 以其是當(dāng)代企業(yè)用于回收廢熱的經(jīng)常使用的設(shè)備，目前，國內(nèi)余熱節(jié)能鍋爐的設(shè)計(jì)和開發(fā) 已經(jīng)逐漸成熟，余熱鍋爐的內(nèi)部環(huán)境是高溫、高壓氣液相共存的狀態(tài)，同液化氣體(如液氨、 液氯、乙烯、LPG)所處環(huán)境相同，如果對(duì)其處理不當(dāng)或者管理上存在問題，就會(huì)引起爆炸，對(duì) 人員的安全和財(cái)產(chǎn)造成重大的損失，因此需要研究相應(yīng)的技術(shù)用于分析和預(yù)警鍋爐的實(shí)時(shí) 情況，從而保證人員的安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供爐內(nèi)水蒸氣爆炸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它在硬件設(shè)計(jì)階段利用壓力和氣 敏兩種傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和控制，在軟件設(shè)計(jì)階段先彌補(bǔ)溫度元素，通過人工智能中， 粒子群智能挖掘搜索算法檢測(cè)可能存在的鍋爐內(nèi)的危險(xiǎn)情況，在不同的鍋爐鋪設(shè)情況下， 它的爆炸預(yù)警的準(zhǔn)確率較高， 為了解決【背景技術(shù)】所存在的問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:它包含爐內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采 集模塊;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊中包含的鍋爐爆炸預(yù)警系統(tǒng)通過在鍋爐內(nèi)配備壓力傳感器和氣 敏傳感器，收集爐內(nèi)數(shù)據(jù)，并對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，得到爆炸模型信息，鍋爐具有特殊的形 狀特征，使用貼片式氣體壓力傳感器CPS120和MQ-3氣體傳感器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，傳感 器數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)收集相應(yīng)的爐內(nèi)數(shù)據(jù)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的軟件算法，通過外圍硬件電路，對(duì)相應(yīng)的 數(shù)據(jù)進(jìn)行信息整合和判斷；鍋爐中的傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路變化為 能夠?qū)嵤╇娐穫鬟f的電信號(hào)，電信號(hào)的傳遞過于脆弱，在鍋爐環(huán)境中運(yùn)行會(huì)受到強(qiáng)烈的干 擾，需要運(yùn)用放大電路算法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行功率補(bǔ)償，在通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。
[0004] 采用上述結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明有益效果為：它在硬件設(shè)計(jì)階段利用壓力和氣敏兩種傳 感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和控制，在軟件設(shè)計(jì)階段先彌補(bǔ)溫度元素，通過人工智能中，粒子群 智能挖掘搜索算法檢測(cè)可能存在的鍋爐內(nèi)的危險(xiǎn)情況，在不同的鍋爐鋪設(shè)情況下，它的爆 炸預(yù)警的準(zhǔn)確率較高。
【附圖說明】
[0005] 圖1為爐內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)； 圖2為爆炸風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)硬件圖； 圖3為溫度補(bǔ)償電路； 圖4為鍋爐爆炸預(yù)警軟件流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0006] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明， 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】， 對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用以解釋本發(fā)明， 并不用于限定本發(fā)明， 如圖1-4所示，本【具體實(shí)施方式】采用如下技術(shù)方案:它包含爐內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊;實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊中包含的鍋爐爆炸預(yù)警系統(tǒng)通過在鍋爐內(nèi)配備壓力傳感器和氣敏傳感器， 收集爐內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)，再利用軟件設(shè)計(jì)中的相關(guān)模型對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，得到爆炸模型信 息，鍋爐具有特殊的形狀特征，使用貼片式氣體壓力傳感器CPS120和MQ-3氣體傳感器進(jìn)行 相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，傳感器數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)收集相應(yīng)的爐內(nèi)數(shù)據(jù)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的軟件算法，通過外 圍硬件電路，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息整合和判斷，氣敏傳感器、壓力傳感器和外圍電路的設(shè) 計(jì)由圖1描述;鍋爐中的傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路變化為能夠?qū)嵤╇娐?傳遞的電信號(hào)，電信號(hào)的傳遞過于脆弱，在鍋爐環(huán)境中運(yùn)行會(huì)受到強(qiáng)烈的干擾，需要運(yùn)用放 大電路算法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行功率補(bǔ)償，在通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。
[0007] 所述的爐內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊的應(yīng)用步驟為： 步驟一、爆炸風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控模塊的硬件設(shè)計(jì)步驟： 硬件系統(tǒng)是鍋爐爆炸風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行部分，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，對(duì)硬件系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)不僅要分析相應(yīng)的硬件完成情況，也要分析硬件同軟件的兼容性，影響鍋爐爆炸的 相關(guān)元素主要有溫度、壓力、氣體濃度等;在系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)中，通過硬件補(bǔ)償?shù)姆绞酵瓿?對(duì)溫度的控制，利用貼片式傳感器完成對(duì)壓力和氣體濃度的控制，系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò) 對(duì)信號(hào)實(shí)施傳輸，其中，網(wǎng)絡(luò)的支撐芯片通過嵌入式無線串口通信模塊完成相應(yīng)的操作，系 統(tǒng)模塊的控制中心能夠?qū)崿F(xiàn)軟件計(jì)算和爆炸點(diǎn)定位的操作，其使用ARM的嵌入式單片機(jī)集 成模塊，這種單片機(jī)由CHMOS工藝制作而成，能夠進(jìn)行有效的總線結(jié)構(gòu)和寄存器的控制操 作，由于傳感器收集到的信息是模擬的，相應(yīng)的模擬信息不易被單片機(jī)的控制系統(tǒng)操作，因 此需要在硬件電路設(shè)計(jì)中增加A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行MCU操作，預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所 示； 傳感器收集的到數(shù)據(jù)通常是微伏級(jí)的，網(wǎng)絡(luò)和處理器中的信號(hào)，是高增益、低噪聲的電 信號(hào)，高增益要求相應(yīng)的信號(hào)在4-8V左右，低噪聲要求信號(hào)具備較高的信噪比，預(yù)警系統(tǒng)中 的前置放大電路，使用低失調(diào)高質(zhì)量的放大芯片LM358,模數(shù)的轉(zhuǎn)換電路將氣體壓力的模擬 信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，它采用Tl公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換芯片ADC0809,這種芯片使用的是8 位逐次漸近式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，若采用溫度傳感器對(duì)鍋爐內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)控，易受到環(huán)境的 干擾，預(yù)警系統(tǒng)通過高集成的溫度傳感器AD592完成對(duì)溫度信號(hào)的有效補(bǔ)償，溫度信號(hào)、氣 體濃度信號(hào)以及壓力信號(hào)三者互不干擾，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞到控制中心，最終實(shí)現(xiàn) 對(duì)爆炸點(diǎn)的有效定位;如圖3所示，上述電路的電壓處于6-45V之間如圖3所示，為確保爆炸 監(jiān)控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確定位爆炸點(diǎn)，預(yù)警系統(tǒng)采用由SZ05構(gòu)建Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用網(wǎng)狀 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行無線通信； 步驟二、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)步驟： 鍋爐一旦發(fā)生爆炸，其包含的水蒸氣、水蒸氣會(huì)向空氣中擴(kuò)散，產(chǎn)生大范圍的蒸氣，若 此時(shí)相應(yīng)的的環(huán)境沒有達(dá)到爆炸的極限，一些局部摩擦遇到明火會(huì)引起局部爆燃，若環(huán)境 達(dá)到相應(yīng)的爆炸極限，會(huì)引起氣體云爆炸，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，若鍋爐內(nèi)的水蒸氣達(dá) 到了溫度、氣體濃度、氣體壓力等相關(guān)元素的爆炸極限，就會(huì)發(fā)生爆炸，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì) 上述相關(guān)的爆炸條件進(jìn)行詳細(xì)分析，并將爆炸的極限元素與其極限值，作為微粒群智能搜 索技術(shù)的目標(biāo)函數(shù)組成元素與微粒群的編碼方法，軟件系統(tǒng)通過微粒群的多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù) 可以完成對(duì)多個(gè)爆炸因素的極限預(yù)警，它選取的傳感器接收數(shù)據(jù)是甲烷型氣敏傳感器，氣 體爆炸的極限濃度運(yùn)算公式為
，式中：N表示水蒸氣爆炸的上下限（％ V1 表示水蒸氣中相應(yīng)燃?xì)獾捏w積構(gòu)成（％ ) 表示可燃?xì)怏w爆炸的上下限（％ )，鍋爐爆炸模 型中的水蒸氣同空氣混合氣體的壓力對(duì)爆炸的極限有著很大的影響，若壓力過大，分子間 的距離減少，出現(xiàn)碰撞的概率增強(qiáng)，此時(shí)極易引起爆炸，鍋爐內(nèi)水蒸氣的爆炸極限與壓力的 關(guān)系為： Mm=4.9-〇.711oq Mu = 14.1-20.41oq 式中:Mm，Mu，Q分別代表爆炸發(fā)生的上下限和原始?jí)毫?，鍋爐內(nèi)水蒸氣的爆炸極限值還 與含氧量和容器的幾何形狀和尺寸有關(guān)，通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌虻贸觯瑘A柱形容器約束下，相應(yīng) 的管徑越小，產(chǎn)生爆炸的幾率越小，鑒于當(dāng)前鍋爐材質(zhì)性能越來越完善，它僅對(duì)鍋爐中的溫 度、壓力、氣體濃度等元素進(jìn)行分析，鍋爐爆炸模型中存在大量的爆炸極限因素，任意一種 因素都會(huì)引起爆炸的發(fā)生，多目標(biāo)的微粒群優(yōu)化技術(shù)，能夠使粒子依據(jù)不同的預(yù)期函數(shù)值， 調(diào)整自身的位置和速度，它利用傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)濃度和壓力的最大值構(gòu)建相應(yīng)的 預(yù)期函數(shù)，只有在這些值都小于爆炸極限值時(shí)，才可以對(duì)鍋爐進(jìn)行爆炸預(yù)警操作，它運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，相應(yīng)的分析過程為： (1) 網(wǎng)絡(luò)初始設(shè)置，依據(jù)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)明確輸入層、回避層和輸出層的節(jié)點(diǎn) 數(shù)，并對(duì)各層之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)權(quán)重進(jìn)行初始操作，給定回避層和輸出層閾值以及學(xué)習(xí)速度 和推進(jìn)函數(shù)； (2) 回避層輸出運(yùn)算，通過網(wǎng)絡(luò)安全輸入向量xi，輸入層和回避層間關(guān)聯(lián)權(quán)值eij、回避 層閾值a，得到回避層輸出Z
式中：1表示回避層節(jié)點(diǎn)數(shù);f表示回避層推進(jìn)函數(shù)，其表達(dá)式是
(3) 輸出層運(yùn)算，通過回避層輸出Z，關(guān)聯(lián)權(quán)值eij以及閾值c，能夠得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸 出O
(4) 誤差運(yùn)算，通過網(wǎng)絡(luò)分類輸出Q以及期望輸出Y，能夠得到網(wǎng)絡(luò)分類誤差g gi=Yi-Pl = l，2，···，]!; (5) 權(quán)值調(diào)整，通過分類誤差e調(diào)整網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)權(quán)值eij，ejl; (6) 閾值調(diào)整，通過網(wǎng)絡(luò)分類誤差g調(diào)整節(jié)點(diǎn)閾值c，d
>ss (7) 若分類滿足餓期的要求，則終止，沓則返回步聚（2)，得到基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)安 全風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果;通過DS理論整合支持向量機(jī)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及安全風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，系統(tǒng)軟 件的運(yùn)行流程如圖4所示； 通過相應(yīng)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的溫度彌補(bǔ)，使用微粒群多目標(biāo)約束的智能感知技術(shù)能 夠有效地完成對(duì)隱患鍋爐爆炸點(diǎn)的定位操作。
[0008]以上所述，僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā) 明的技術(shù)方案所做的其它修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍， 均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種爐內(nèi)水蒸氣爆炸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于它包含爐內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊;實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)采集模塊中包含的鍋爐爆炸預(yù)警系統(tǒng)通過在鍋爐內(nèi)配備壓力傳感器和氣敏傳感器，收集 爐內(nèi)數(shù)據(jù)，并對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，得到爆炸模型信息，鍋爐具有特殊的形狀特征，使用貼 片式氣體壓力傳感器CPS120和MQ-3氣體傳感器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，傳感器數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)收集 相應(yīng)的爐內(nèi)數(shù)據(jù)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的軟件算法，通過外圍硬件電路，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息整 合和判斷;鍋爐中的傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路變化為能夠?qū)嵤╇娐穫?遞的電信號(hào)，電信號(hào)的傳遞過于脆弱，在鍋爐環(huán)境中運(yùn)行會(huì)受到強(qiáng)烈的干擾，需要運(yùn)用放大 電路算法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行功率補(bǔ)償，在通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。
【文檔編號(hào)】G01M99/00GK105938055SQ201610097200
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年2月22日
【發(fā)明人】季云峰, 馮立元, 匡亮
【申請(qǐng)人】江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院