(中国原子能科学研究院，北京 102413)

氧化锆氧量分析仪由氧化锆探头和氧量变送器两部分组成，主要应用于火电、化工、冶炼、轻纺和采暖等企业的工业锅炉。氧化锆探头测量锅炉烟气中氧气的体积百分含量，氧量变送器把现场测量到的氧气含量信号转换成电流信号，输出至工控室记录仪或DCS系统(仪表集散控制系统)。氧气体积百分含量的准确测量，对保障锅炉运行安全、提高燃烧效率及减少污染物排放起到重要作用。

氧化锆氧分析仪多应用于工业现场，工控设备数量多且多为大功率设备，容易对电信号造成干扰，作为信号采集运算及处理的氧量变送器，在现场使用过程中会出现因干扰造成的运行不稳定情况，给现场工作带来很多不便和麻烦。针对这一问题，需要对氧量变送器进行改进，增强其抗干扰性能[1]，降低现场运行干扰故障率。

1 干扰原因分析

1.1 硬件滤波

工业现场干扰源多，许多大功率设备，它们的运行特别是启停时，会对氧量变送器产生强烈干扰，系统外引线干扰尤为严重(表1)。干扰源输入有两种途径：一是通过供电电源串入的电网干扰信号；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，如图1所示。

表1 工业现场干扰情况说明

图1 变送器现场接线示意图

硬件滤波不够[2]会产生干扰引起测量误差或运行故障。现场安装氧量变送器需要外接配电箱电源，与探头连接存在引线，干扰可通过电源和连接线进入。分析氧量变送器设计原理图，在硬件滤波设计上，氧量变送器主板有常规隔离和电容滤波设计，没有针对大功率设备强干扰在电源输入及电流输出端采取滤波措施[3]，电源输入对系统会产生干扰，DCS设备与电流输出会互相影响，造成氧量变送器抗干扰能力降低。可以通过模拟干扰试验，验证硬件滤波不够时，干扰源对氧量变送器抗干扰能力影响程度。

因硬件滤波不够，外部强干扰如大功率设备启停或高压发生过程中，干扰信号可能通过供电电源或信号线串入氧量变送器主控电路，对边沿触发型集成模块造成影响。通过对氧量变送器主板及显示板集成电路进行分析筛选，显示板上主控驱动模块MAX7219是边沿触发型，且没有复位引脚，干扰异常时，容易“锁死”，用户现场表现为氧量变送器显示跳跃、乱码、全暗或全亮的故障现象，需要系统重新加电才能复位。

1.2 软件滤波

通过检查及分析氧量变送器软件设计流程，氧量变送器输入模拟信号进行数据采集并数字化以后，运算前没有数据滤波设计，运算输出为实时采集数据运算结果。

信号输入端或接地端因干扰产生异常信号时，异常信号数据也进行了运算及转换输出，造成现场出现的输出端显示数据波形出现短时间不规则尖峰。信号的实时采集和直接运算输出还会造成输出结果波动较大[4]，如图2所示。同时，氧量变送器输入的跳变信号还会造成系统电路运行不稳定，造成跳变或死机故障。

2 抗干扰设计方案

2.1 硬件滤波措施

1)输入输出滤波隔离

在电源输入端加入电源滤波器，从额定电压，额定电流以及插入损耗3方面选择选择单项高性能系列，有优异的共模/差模干扰[5]抑制性能，适用于对噪声抑制需要较高的电子设备。

图2 氧量变送器输出跳变波动情况

氧量变送器电流输出端与DCS设备因信号参考点不同存在电势差，形成“接地环路”，造成信号传输失真。在氧量变送器电流输出端接入电流隔离器，先将输出信号调制变换，然后通过光感或磁感器件进行隔离转换，再进行解调变换回隔离前原信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理，保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立。连接示意图如图3所示。

图3 输入输出滤波隔离器

2)系统显示模块设计

更换系统显示设计，把MAX7219动态显示驱动数码管方式改为74HC595静态驱动，连接示意图如图4所示。单片机89S52输出RXD和TXD控制74HC595把显示码输出至数码管以及四位LED状态指示灯。

图4 显示板设计原理图

软件设计字符定义和字型表编码如下：

/* 74hc595显示小数点的位数 dp位与D0位联接 */

#define POINT 8 /* point pos */

#defineDISP_r0×17/* 显示 r 字型位置*/

#defineDISPALL0×1b/* 显示全亮的字型位置 */

#define DISPHENG 0×1e /* -字型位置 */

#define DARK 0×1f /*显示为空白的字型位置 */

#define DISPL 0×15 /*显示为L字型位置 */

#define DISP_H 0×14 /* 显示为H字型位置 */

#define DISP_A 0×20 /* 显示为A字型位置 */

#define DISP_B 0×21 /* 显示为B字型位置 */

#define DISP_c 0×22 /* 显示为c字型位置 */

#define DISP_D 0×23 /* 显示为r字型位置 */

#define DISP_E 0×24 /* 显示为r字型位置 */

#define DISP_F 0×25 /* 显示为r字型位置 */

#define DISP_n 0×26 /* 显示为n字型位置 */

#define DISP_C 0×28 /* 显示为C字型位置 */

#define DISP_I 0×29 /* 显示为I字型位置 */

/* 74hc595显示字型表 */

/* 74hc595 TAB g=128 f=32 b=16 a=4 e=1 c=2 d=64 dp=8*/

uchar code segdb[]={0×77,0×12,0×D5,0×D6,0×B2,0×E6,0×E7,0×16,0×F7,0×F6,0×40,0×E5,0×B3,0×61,0×B5,0×00,0×40,0×B5,0×43,0×00,0×B3,0×61,0×C3,0×81，0×C0,0×08,0×F2,0×FF,0×67,0×C1,0×80,0×00,0×B7,0×E3,0×C1,0×D3,0×E5,0×A5,0×83,0×06,0×65,0×12,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×EE,0×06,0×DC,0×5E,0×36,0×7A,0×FA,0×0E,0×FE,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×06,0×EF,0×07,0×DD,0×5F,0×37,0×7B,0×FB,0×0F,0×FF,0×7F,0×50,0×00,0×00,0×00,0×00,0×00,0×FF,0×7F,0×00,0×00,0×00,0×00,0×00,0×00, };

3)CPU设置看门狗[6]，检查程序运行状态，监控电源电压，实现块锁保护及复位(图5)。

图5 看门狗芯片电原理图

看门狗管脚定义及设置子程序如下：

sbit CS=P1^1;

sbit SO=P1^0;

sbit SI=P1^6;

sbit SCK=P1^5;

void×5045_reset_watchdog(void)

{CS=1; CS=0; CS=0; CS=1;}

void×5045_write(uchar *cpu_addr,uint×5045_addr,uchar i)

{

×5045_addr &= 0×01ff;

while(i--)

{

×5045_latch_open();

SCK=0;

CS=0;

outbyte(0×02|((×5045_addr&0×0100)>>5));

outbyte(×5045_addr & 0×ff);

outbyte(*cpu_addr);

SCK=0;

CS=1;

cpu_addr++;

×5045_addr++;

×5045_write_wait();

}

×5045_latch_off();

}

2.2 软件滤波措施[7]

输入信号中位值平均滤波，分组采集输入信号，比较去除两端值平均后进入下一步计算处理。设计流程图及软件调试界面如图6所示。

图6 数据滤波流程图

void calc(void)

{

uchar cc;

float×1;

uint max1;

uint min1;

if (first==0) // 第1次进入

{

first=1;

// total_count=0;// clear total big_small

for (cc=0;cc<=4;cc++)

{

i_out[cc]=100;

};

}

i_out[savecount]=100;//存储结果

savecount++;

if (savecount>=5)

{

savecount=0;

};

max1=min1=i_out[0];

×1=0;

for (cc=0;cc<=4;cc++)

{

×1=×1+i_out[cc];

if (max1

if (min1>i_out[cc]) min1=i_out[cc];

};

×1=(×1-max1-min1)/((float)3);

}

3 抗干扰性能

1)实验测试：模拟电磁干扰或电源干扰，测试氧量变送器抗干扰性能(表2)。

表2 实验测试抗改进性能情况

从实验测试结果看，改进后氧量变送器死机和输出跳变故障占比明显下降。

2)现场测试：改造后氧量变送器发往山东、河北、广东、四川等地用户，跟踪

现场安装及运行情况。特别针对出现过输出跳变或死机故障的厂家，对改进效果进行验证。

图7用户现场DCS系统检测氧量变送器输出波形 ，该用户现场使用改进前氧量变送器持续出现输出跳变情况，更换改进后氧量变送器检测输出稳定，跳变情况未出现。

对改进后的氧量变送器进行现场使用情况测试，输出跳变和死机故障率较改进

前有明显下降(表3)。

图7 改进前后用户使用情况对比

表3 用户使用情况反馈

4 结语

在氧量变送器基础上，针对其在工业现场使用中因干扰造成的故障问题，从硬件和软件上采取滤波和抗干扰措施，硬件上采用电源输入滤波和电流输出隔离；更换易出现“锁死”情况的显示电路设计方案；设置看门狗电路3个措施。软件上采用中位值平均滤波，滤除输入异常型号。经过实验和现场测试，改进后的氧量变送器干扰故障率降低，滤波和抗干扰性能增强，有益于工业生产提高生产效率和降低生产成本。