1、基于 TCPIP 通信技术的高温管道蠕变监测系统?48?测控技术 )2004 年第 23 卷第 1 期文章编号:10008829(2004)01 004803基于 TCP/IP 通信技术的高温管道蠕变监测系统ANetworkedCreepMonitorSystemwithCommunicationbyTCP/IP(东南大学仪器科学与工程系,江苏南京 210018)王平,黄惟一,李微摘要:蠕变是引起高温部件失效主要因素,一般采用人工检测 .介绍了一种采用电容式传感器及微电容测量电路对管道的蠕变进行测量,并将测量得到的数据借助电厂原有的以太网,以TCP/IP 通信的方式上传至计算机,进而通过监控软
2、件判断管道的状态,推算剩余寿命.关键词:蠕变;电容传感器;TCP/IP; 以太网中图分类号:TP273文献标识码:BAbstract:Acreepmonitorsystemofpipelinesworkingincondition0fhishtemperatureisintnMuced.Acapacitivesensorisusedtotestthecreepofthepipeline,andaMCUcontrolstheEthernetcontrollertocommunicatewitllPCsintllenetwork.SoftwareiSincludedfortllelongevity
3、calculatingofthepipeline.Keywords:creep;capacitivesensor;TCP/IP;Ethemet长期在高温,高压的情况下运行的管道,如电厂的蒸汽管道等,会发生蠕变变形,影响其使用寿命.蠕变是指在一定的温度和应力作用下,即便在管道所受应力低于对应温度点的屈服极限的情况下.也会逐渐产生塑性变形的现象.其程度一般与运行时温度,应力和时间有关.长期实践表明,对于在高温,高压下长期运行的部件,蠕变是引起其失效的主要因素.因此,近年来对管道蠕变损伤进行检测,以此来判断管道剩余寿命的方法一直被人们所关注.我国对超期服役机组蒸汽管道的蠕变检测主要采用在停机年检时对
4、管道的蠕变程度进行人工测量,或者从蒸汽管道上割取一典型管段进行高温蠕变或持久强度等鉴定试验,由此推断管道的剩余寿命.这种方法具有需要人:【测量记录,精度不高并且工作量大,费用高,试验周期长的明显缺点.1 基于 TCP/IP 通信技术的高温管道蠕变监测系统设计一些工业先进的国家都在尝试采用无损检测的方式对高温高压管道的蠕变状态进行计算机长期,在线的监控,并进而对蒸汽管道进行寿命评估及安全监督.实行这种方法的技术困难主要来自如下 3 个方面:(1)蠕变的监测必须具有长期性,一般要监测几年以上.收稿日期:20030326;修回日期:20030603作者简介:王平(1977), 男 ,浙江人,博士生,
5、研究方向为测试计量技术及仪器.(2)在正常情况下,管道的蠕变变形量比较微弱,在正常蠕变的情况下,一年只能产生几十 8 的变形.(3)管道长期工作在 600oC 的高温下,一般的传感器的耐温性能达不到要求.这 3 个因素对蠕变检测所需采用的传感器与测量电路的测量精度,长期稳定性,抗高温性能以及温度稳定性提出很高的要求.为了解决上述问题,本研究采用 GAELTEC 电容式传感器及微电容测量电路对管道的蠕变进行测量,测量得到的数据借助电厂原有的以太网,以 TCP/IP 通信的方式上传至计算机,再通过在此基础上构建的监控软件判断管道的状态,推算剩余寿命本系统组成如图 1 所示.被测管道图 1 系统组成
6、图1.1GAELTEC 电容传感器传统的应变计一般无法在 600oC 的高温下工作,并且时漂和温漂均不可能满足测量要求.笔者采用了英国 GAELTEC 公司生产的电容式高温应变传感器,量程为5000,工作温度上限为 700oC,工作原理如图 2 所示,电容传感器由上下两个电极,以及极板之间的气体介质构成.通常情况下,在传感器上覆盖焊接一个密封钢罩,并且在钢罩里充满惰性的氩气,以抵御长期高温作业下可能发生的极板化学反应导致漂移.电容的上下电极被分别固定在上下叠加的两个弓形金属片的下表面和上表面.同时,这两个弓形金属片的两端被焊接在被测的导管表面.这样,当应变(或者蠕变) 发生导致管道上两个焊接点
7、发生的相对位移时,电容上下极板的距离将跟着发生改变,导致传感器输出电容将随之变化.传感器电容值与上下极板间距的关系为:C=81“S/d.式中 C 为传感器的电容值;sr 为气体介质的介电常数;.s 为传感器极板面积;d 为极板间距.由气体介质的特性和弓形金属片的弯曲特性使得传感器电容值和被测应变量的关系如图 3 所示.由于传感器采用惰性气体作介质,因而对于温度的时间的影响均不敏感.传感器输出电容的漂移对于工作时间的关系如基于 TCP/IP 通信技术的高温管道蠕变监测系统?49?图 4 所示,由图可见,在初始安装 100h 后,传感器达到稳定状态.因此,在初始安装 100h 之后,系统可以长期稳
8、定地工作,漂移节将小于 l0s电极运动l焊接点一一毛圣三莹,.焊接点I.-一 r_-I管道的变形图 2 电容式传感器的工作原理1.2 测量电路电容传感器的输出十分微弱,容值在 0.41.2pF 之间变化.通常的电容测量电路,在这个范围内很难克服外界的电磁干扰,电路自身杂散电容以及电路温度漂移因素对测量结果的影响.笔者采用 Microsensors 公司的电容检测芯片 MS3110 作为电容传感器的测量电路.MS3110 本是 Microsensors 公司为MEMS 电容传感器设计生产的专用芯片,其检测范围为 0.2510pF,其芯片工艺避免了电路线间杂散电容的影响,理论精确度达到 4aF.信
9、号调理过后,采用 AD 公司的 AD7705 对信号进行 A/D 转换.AD7705 是 16 位的,乏?原理的 A/D.其内部含有一个 1128 倍程控信号放大器,并且对于转换结果进行自动数字滤波.基本电路如图 5 所示.并且为了确保芯片 MS3110 能正常工作,电压基准 V2P25 必须保持在 2.25V10mv 的范围内,i争翅.05.拉伸一0?应变 u3I 乜容 f0 感的输小特 ,4 传感器输出与时HJ 的关系内部电流源必须调节保持在 102A 范围内,并且内部晶振源必须调节保持在 1005kHz 的范围内.1.3 单片机 TCP/IP 通信TCP/IP(transmissionc
10、ontrolprotocol/intemetprotoco1)即传输控制协议/网间协议,是一个工业标准的协议集,其中包含IP,ARP,RARP,ICMP,TCP 等子协议.仪器与计算机之间的(上接第 44 页)2 个停止位,偶校验,cmd 为功能参数,cmd=0 时初始化串行口,cmd=1 时发送数据,cmd=2 时接收数据,cmd:3 时读串行口的当前状态.bioscom()返回值为一个 2 字节的整数,可以据此判别数据发送和接收是否成功,发送数据时的最高位为1,表示发送出错,接收数据时的高位字节不为0,表示通信有错,当高位字节为0时,其低位字节即为接收到的字符.效通信有效7 埘 f.张 J
11、 榧PLC 的通信程序由 PLC 厂家提供的用于发送和接收串口缓冲区数据的函数完成.例如 Advantech 公司生产的 ADAM55IOPLC 所提供的接收缓冲区字符函数:charcomrx(void)函数和发送字符串置缓冲区函数:voidcomtxstring(char 女 s)通信程序框图如图 7 所示,由于每次传送数据时,单帧的最大数据容量为 131 个字符,因此当传送的数据超过 131 个字符时,应当在传送前分成若干帧,分段传送,第一帧和中间帧的结尾处用定界符(回车符 CR)替代终止符(CR).6 结束语在工业控制系统中,PLC 和现场工作站组成的监控系统应用非常广泛,按照以上方法设
12、计的通信异型 PLC 通信系统,解决了不同厂家的 PLC 产品在通信上的兼容问题.参考文献:1NodeBuilderUsersGuideRevision3Z.EchelonCorporation0780141 一 O1C.2NeuronChipDataBookZ.EchelonCorportion.1995.3NeuronCReferenceGuideRevision2Z.EchelonCorporation078014lOlB.4NeuronCProgrammersGuideRevision4Z.EchelonCorporation07801410lD.5ADAM5510UserSManua
13、lZ.PartNo.20035510003rdEdition.Ad.vantech.6ADAM5000CommandSetZ.PartNo.20035510003rdEdition.Advantech.口?50?测控技术 zoo4 年第 23 卷第 1 期CHPRSTNC ;SIljV2P25+V14IN+TTSb“tV0l3CS2IN.VIll厂CSCOMNCl2 兰CfI6l1CSfINVCRTl0SDTHV169SCLKNC一_1 MS3ll0U1JSCLK1 亘 2$CLKGND3MCLE.n,TDljJC22l嚣7 口一 MCLKOUTDm;=二:= 此处使 rIJ,lisIjcsD
14、OUT_112,LuY 罱 门lI 一 6lEgl 口 DRDY每 IN+丁n+)删 c.)lLC24 筹.89l104REF+ 肌 I+)RlH?)肌 I.)RlH+)图 5 电容测量电路原理TCP/IP 通信,是采用单片机驱动工控以太网控制芯片 CS8900来实现的.出于对单片机处理能力,以及实际使用中的考虑,单片机必须接收以及发送 3 类报文:ARP 请求:PC 用 ARP 广播发送 ARP 请求,要求 I1地址为指定 IP 地址的网络节点返回其以太网地址(MAC 地址).)ICMP 回显请求:Pc 使用 ping 命令向单片机发送 ICMP回显请求报文.TcP 报文:TCP 报文作为
15、IP 报文的数据段封装在 lP 报文中,TCP 提供一种面向连接的,可靠的字节流服务,可以保证通信双方的传输数据可以安全到达目的地,并提供传输数据流控制,动态调整数据传输过程中的流量.程序对于 TCP/IP 协议的处理流程如图 6 所示.初始化单片机初始化网卡芯片initialize._chipO初始化 TCP/IP 数据结构inittcpconneet0检查数据接收缓冲区checkpacketO接收到 ARP 请求doarpO接收到数据doipO循环过程mainprocess0ARP 应答 ll 接收到 ICMP 数据报 II 接收到 TCP 报文aqnswer0lldoicmp()lIdo
16、tcpOPing 应答pinganswer0TCP 过程处理(判断这次 TCP 数据报属于哪一个 TCP 连接 ,根据连接作TCP 数据操作 )teprpoeess0图 6ICP/IP 协议处理流程1.4 监控软件?o 监控软件主要由测量仪器之间的通信模块和数据处理模块组成.通信模块负责与测量仪器之间的通信协议的处理,数据和命令的发送和接收.数据处理模块完成对蠕变数据的计算,保存,以及对于管道状况的判断,剩余寿命的估算,报警和报告的生成等功能.如图 7 所示,管道的蠕变一般可分为 3 个阶段,第一阶段(I)为蠕变初期阶段,蠕变的速度开始较快,达到一定的塑性变形量,然后缓慢下来.进入第二阶段()
17、蠕变稳定期,在温度及应力不变的情况下,其蠕变速度保持稳定,塑性变形量为最小.第三阶段() 为蠕变加速阶段,即使在温度及应力没有变化的情况下,蠕变速度急剧加快,最后产生蠕变裂纹而导致破裂损坏,成为管道失效标志.一般以蠕变第二阶段结束作为运行寿命终止期限.1.00.5O图 7 蠕变的 3 个阶段如果蒸汽管道寿命损耗迅速增大或异常变化,就自动产生报警,提示查明原因并作出分析,以及根据软件得出的结果来限制或变更设备的运行状态.当判断寿命损耗到达一定程度时,则提示进行管道材质的鉴定性试验,可以精确判定剩余寿命.2 结束语本系统在江苏省电力科学研究院金属实验室进行了试验使用,结果表明基于 TCWIP 通信
18、技术的高温管道蠕变监测系统不仅较好地解决了高温管道的蠕变长期监测,寿命自动估测等问题,同时也实现了高温管道的长期应变状态监测.如果这个系统与温度压力等物理量的监控装置配合使用,还可以更为精确地作出管道的状态和寿命损耗的分析.因而,该项技术拥有较好的推广前景参考文献:1马言.当前电站锅炉高温管道的蠕变检测J.锅炉制造,2001,(2).:2陈军.HK40 炉管的蠕变损伤及检测方法J.无损探伤,1999,(4).3宋莉 ,贾振元,等.基于网络的分布式虚拟仪器测试系统J仪表技术与传感器,2002,(3).3王承,何志伟 .基于网络化虚拟仪器的自动测试系统的互连及实现J. 计算机测量与控制,2002,(2).口
