1 引 言
工业色谱仪在化工生产中有着广泛的应用,它是可连续、自动、分析多组分样品的在线分析仪器。本文就用于合成氨工段上的GSP型工业色谱仪研制了使用单片微机的装置,实现对在线分析结果的数据处理,并可实现与色谱分析同步的样品组分趋势的模拟输出和数据的串行输出,为DCS控制方式和现场总线控制方式的直接质量控制提供了可靠的在线质量参数,从而为生产过程的优化控制提供了必要的条件。该装置采用89C52作为主控芯片,芯片内的8 kb电可擦除ROM存放监控程序。色谱仪的信号给放大和A/D转换送入单片机作谱峰处理,流程气中的组分含量通过装置上的LED实现本机现场显示;同时通过RS485通讯接口实现与系统控制机的串行数据通讯;还可通过D/A转换和保持器电路,实现样品多组分的趋势模拟输出。该装置可实现样品的自动标定,以确定多组分的校正因子,保证在线分析的准确性。样品的出峰时间、保留时间的确定不依赖色谱仪的转换开关信号,而是由单片微机来判断。因此,该装置也可用于其它工业色谱仪和成分分析器的谱峰和分析信号的处理。
2 GSP型工业色谱仪简介
GSP型工业色谱仪主要组成为工业流程预处理器、气路转换、色谱分离、谱峰检测电路及模拟信号输出。工业流程气由于含有一些颗粒状尘物和水蒸汽且压力不稳,预处理器主要承担去尘、干燥、稳压的作用,以保证进入色谱分析仪的样气质量。气路转换由步进电机驱动十通阀实现样气、载气分时段进入色谱柱。由于样气混合物中的氮气、氧气组分与氨气、水等组分不能被同一根色谱柱所分离,因此采用切断分析,即用GDX柱和分子筛柱分别对样品的混合组分进一步分离,GDX柱分离出的组分首先进入检测器,随后是由分子筛分离的各组分。这种分离方法是工业在线分析中比较实用和有效的方法,同时避免样品的微量水进入分子筛柱,延长了色谱柱的使用寿命。检测器为半扩散式热导池,其一组臂中流有稳定的纯载气,另一组臂接受被分离的组分。电桥的输出反映样品浓度的变化。
3 单片微机装置的硬件组成
单片微机装置主要承担对色谱仪的输出的模拟信号序列的数字化处理、谱峰参数的识别、组分浓度的计算及现场显示、组分浓度的趋势模拟信号的并行输出及对应上位机的数据传输。装置以单片机89C52为核心,其片内的8 kb的电可擦除ROM存放监控程序,片外扩展的32 kb RAM用于色谱分析数据的存放。来自色谱仪的输入信号经滤波、放大和A/D转换后,数字量信号送入89C52。系统硬件组成还包括现场显示用的LED及状态显示的发光二极管组、键盘输入、浓度趋势信号输出、串行口输出以及用于抗干扰的看门狗电路[2]。硬件组成如图1所示。
3.1 A/D转换器的选择
用于模拟信号转换的A/D转换器,可选用双积分型、逐次逼近型和电压频率转换型等。色谱信号的处理要求:其一,精度高,即使是常量分析,其分析误差也应低于0.1%;其二,在线循环分析,其分析周期为10min左右,且为时变信号。兼顾到性能价格比因素,选用V/F转换,最高线性转换频率为10 kHz,V/F转换对于谱峰信号的峰面积处理非常有利,频率信号对于单片机的接收也很方便。该信号经光电隔离直接送入单片机的定时/计数器0的输入端,由芯片内定时/计数器1定时读取脉冲计数值。
3.2 LED显示及键盘输入
装置采用2片82C59作为LED和键盘的接口芯片,通过编码方式连接28个8位LED和8个发光二极管组以及16个输入键。28个LED显示分为7组,每组4个LED显示分析样品中对应于各组分的浓度百分比,显示范围在0.0%~100.0%;也可由键盘选择显示每一组分峰的时间参数,显示范围为0.0~999.9 s,可选择的时间显示键为出峰启动时间、峰结束时间、保留时间;操作键包括峰高选择、峰面积选择、峰时序设置、样品标定和上位机通讯键及数字输入功能键,发光二极管组用于对应键操作提示和报警显示。
3.3 组分浓度模拟趋势输出
由单片机计算出的样品各组分浓度百分比可并行输出标准模拟信号。其D/A转换器为共用通道,分时转换相应的浓度信号。每一组分的趋势输出均由LF998保持器和V/I电路组成,浓度信号可相应转换为4~20mA或0~10mA输出。
对应于样品中的组分数,设置了7个趋势输出电路。各保持器的输入信号均为DAC1210的输出电压,由译码器74LS138分时选通。保持器的保持电容为钽解电容,可有效保持模拟信号。89C52以定时循环扫描每一个组分浓度的模拟趋势输出,对应于上一分析周期的在线样气的组分状况。该输出可通过电缆线直接送至DCS控制中心的微机系统的模数输入板端口,以控制工艺操作。
3.4 串行通讯
本装置的色谱数据可通过串口传送至上位机。为适应现场总线控制系统下的数据传送,装置设计采用RS485的串行接口模式,接口芯片为MAX485。该接口采用平衡传输方式,抗干扰能力强、传输速度高、传送距离远,对于采用现场总线控制系统,其挂靠十分方便。
3.5 看门狗电路及串行电可擦除ROM
看门狗电路可供单片机系统从故障中恢复工作,提高抗干扰能力。装置采用微机监控电路X25045,该芯片把看门狗定时器(WDT)、电压监控和电可擦除ROM组合在一个单片内。其定时通道设置为600 ms,当系统正常工作时执行程序定时向X25045发复位信号,不使WDT超时。当干扰造成程序故障时,即不再有定时器的复位信号,X25045的WDT超时而产生RESET信号,系统复位操作。X25045的存储器是CMOS的512 b的电可擦除ROM,可以用简单的三线总线工作的SPI接口和软件协议[3]
4 软件系统设计
工业色谱仪在线检测时,对同一固定组分组成的工业样品进行循环分析,检测样品中各组分含量的变化,此即为系统的主要工作状态。为保证在线检测正常操作的要求,设计了峰时序设置和样品标定模式,以选择工艺需要的组分峰和峰处理所需的校正因子。这两种状态可由相应按键操作,完成后自动返回在线检测。装置可通过相应键选择峰高或峰面积测量,并作不同方式下的组分浓度计算。各测定组分的浓度经量化处理由D/A转换为相应的模拟趋势输出。当选择上位机通讯键时,装置将当前测定周期前24 h的所有谱峰数据传送至上位机。软件系统采用模块化设计,用MCS-51汇编语言编制,其程序流程如图2所示。
4.1 在线检测及谱峰信号的测量
在线检测状态下,按峰时序设置,选择相应的峰,进行峰面积(或峰高)的测量,并计算各组分的浓度百分比以及趋势模拟量输出。谱峰测定以色谱仪输入的开关量为每一测量周期的开始。这一开关量输入时,引起外部中断0。在中断0服务程序中计时单元清零,启动定时器1工作。定时器1以250 ms中断一次(当峰高测量时,则为50ms)。在定时中断服务程序中,首先读入计数器0的脉冲数,该值即为一个采样周期中谱峰信号的A/D采样值,保存该值;同时计算采样值的一阶二阶导数,由谱峰识别模块确定峰特性。对于符合时序选择的峰信号予以保留,计算峰面积的积分;当该组分峰结束时,将积分值送入内存,并填写标志位。分析周期内所有组分峰检测完成后,由主程序进行该周期的谱峰数据处理。计算出的组分浓度数据经D/A转换为相应的模拟趋势输出,该输出以200 ms周期分时顺序扫描。每一分析周期中各组分的峰面积(或峰高)浓度百分比、起始时间、结束时间、保留时间等数据按序存入数据存储器中。
4.2 峰时序设置
工业色谱仪的在线测量是对组分固定的样品进行循环检测,因此对检测器输出的谱峰序列,应进行组分峰的选择。按下峰时序设置键,将在本分析周期结束时,显示检测出的所有峰的起始时间。按出峰时间序列先显示前7个峰,并对LED闪烁的组分峰进行选择,若选择认可,则该峰进入选中的峰序列;若选择放弃,则该峰在线检测中将被忽略,同时后续峰将顺序前移显示。本机设置可由用户选择7个以内的组分峰进行在线处理。在连续两次按下认可键结束设置,所设置的峰时序将在下一分析周期投入组分峰选择。
4.3 样品标定
依据热导检测和色谱分析原理,样品混合组分中,由于各组分的热导系数不同,检测出的信号大小即峰高或峰面积的大小并不直接反映该组分的浓度百分比。因而需要确定各组分的校正因子。同时,由于工业色谱仪长期使用中,检测器性能变化或其它因素会影响到校正因子。因此,周期性进行样品标定是必要的。当含有待分析组分的标准样品进入分析周期时,按下标定选择键。
按时序设置顺序在LED闪烁的提示下,依次将标准样品各组分的已知浓度键入。在标准样分析周期中软件程序计算出各组分新的校正因子,并存储在单片机系统的串行电可擦除ROM内。色谱峰的定量处理方法有多种[4],用于本装置的色谱峰处理为全归一化法,其计算公式如下:峰面积测定:
Ci = (Xi×Ai)/[( Xk×Ak)]×100%
式中:Xi———组分峰面积校正因子;Ai———各组分测定峰面积。
峰高测定:
Ci = (Yi×Hi)/[( Yk×Hk)]×100%
式中:Yi———组分峰高校正因子;Hi———各组分测定峰高。
4.4 数据存储器的分配
系统的用户内存包括单片机内128 b的RAM,外部扩展的512 b串行E2PROM,32 kb静态RAM。按系统功能分配,片内RAM用于数据计算、堆栈空间,串行电可擦除ROM用于系统设置 参数的保存(如分析时序设置参数、样品标定出的校正因子、上位通信串口的波特率设置等)。这些是软件系统工作时的重要参数,在掉电状态下可长期保存。系统程序只在初始化状态下从E2PROM中读取各参数;在时序设置和标定状态下,将新的参数存入E2PROM;而在系统工作的其它状态,E2PROM为空闲状态无操作。32 kb RAM用于存储分析周期测定的分析数据,每一周期约占128 b。在装置连续在线工作时,可供存储24 h分析数据。由于装置的存储容量小,而谱峰的原始测量数据占用的字节数较大,因此只保存当前两个周期的原始测量数据。该数据主要用于对上位机的传送,供上位机对分析结果显示打印,并可对原始测量数据进行二次处理。
4.5 上位机通信软件
系统与上位机通信为串行方式,波特率为9 600 bit,全双工方式,即上位机既可接收来自工业色谱仪的现场分析数据,也可下传系统设置的命令(如标定参数的修改等)。联络采用询问方式,按下装置的通信键,软件系统进入串行状态通信;主机应答后,即可进行数据传送。在现场总线控制系统中,系统软件将按总线协议进行设置。
4.6 其它软件模块
工业在线条件下环境复杂,干扰信号严重影响微机系统正常工作,为此设置了看门狗电路。在软件系统中,采样软件时序中和其它软件块中均设置复位。因干扰造成程序“跑飞”时,自动进入重启动。在线分析时,系统将在下一分析周期自动进入检测。
其它软件模块的介绍从略。
5 结束语
采用单片机的工业色谱数据处理装置较好地解决了工业色谱仪数据的现场处理和微机控制系统的数据传输。本装置已成功应用于江苏金龙集团合成氨工段上的GSP-1工业色谱仪与DCS控制系统。其每一分析周期的组分浓度趋势输出信号,经DCS系统的信号调理和A/D转换板,送入中心控制机,实现相关参量的检测与控制。该装置可用于其它工业色谱仪或分析仪器的信号处理,其设计为在线分析仪器与DCS现场总线控制系统的连接提供了途径,也为化工过程中的直接质量指标控制打下了基础。
[参考文献]
[1] 山东电子设备厂.GSP-1工业气相色谱仪说明书[R].1990.
[2] 赵依军,胡 戎.单片微机接口技术[M].北京:人民邮电出版社,1989.
[3] Xicor.New Releases Data Book[R].1993.
[4] 李浩春,卢佩章.气相色谱法[M].北京:科学出版社,1993.
