本发明属于火电技术领域，具体涉及一种在使用超声法进行煤粉浓度测量时使用的数据处理系统。
背景技术：
我国大多数燃煤电站锅炉采用直流燃烧器、切圆燃烧方式。风粉系统的运行情况对这类锅炉运行的安全性、经济性影响极大。运行中一次风管内的煤粉浓度是影响定炉内燃烧工况稳定性以及锅炉燃烧效率的重要参数，合理控制煤粉浓度，还可大幅度降低NOx的排放浓度，因此有必要对煤粉浓度进行在线监测。
使用超声法测量时，通常在被测流体的管道的两侧分别安装一个超声波发射传感器和两个超声波接收传感器，超声波发射传感器通过驱动信号源驱动从而发射出一定的波形信号，而超声波接收传感器就会把这个信号传入采集设备，因为煤粉浓度的变化会导致超声波信号会发生相应的衰减，从而可以通过对超声波信号的分析来实现煤粉浓度的测量。超声法属于非接触式测量，根据超声波在气固两相流中应固相浓度(固相流体的含量)的变化而导致其传播特性发生改变的现象可实现煤粉浓度的测量。超声波的频率在20Khz以上，为了得到较高的测量精度，往往需要使用较高的采样频率和合适的采样时间。以一台300MW、6台磨、24根煤粉管道的机组而言，每个煤粉管道2个测量数据通道，采用40KHz的超声波，采样频率设置为每秒10M采样点，采样时间0.1S，采样精度16位，则每个测量周期需要处理96M字节的测量数据，如此大的数据量给数据传输和后续数据处理带来挑战。如电厂要求24根煤粉管道的测量时间不得超过6S，这就意味着从发送超声波驱动信号，接收超声波信号后信号滤波放大，数据采集，数据传输，数据处理，测量结果显示存储和上传必须在6S内完成。这对数据的传输和处理提出了很高的要求。
目前现有的最有代表的高速数据处理系统是基于单片机和ARM的数据处理系统，由于电厂的工作环境比较复杂，电磁干扰较严重，在稳定性和数据处理能力上还无法满足要求。而如果每个测量点都配备一套信号滤波放大和数据采集和工控机，则数据处理在性能上能满足要求，但成本过高。
因此，目前现有的高速数据处理方案存在性能、稳定性和成本之间的矛盾，基于单 片机和ARM的数据处理系统本身的成本较低，但是稳定性和长期运行可靠性较差，数据处理能力较弱这些现状，这就需要在每个测量点都配备独立的信号滤波放大、数据采集和工控机才能在性能上能达到最优，这样又导致成本过高，因此急需一种成本适中，稳定性和长期运行可靠性较高，数据处理能力较强的技术解决方案。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种基于流水线处理的超声法煤粉浓度测量用数据处理系统，只需一套标准信号采集模块和多台计算用专用工作站即可在满足快速数据处理的要求，能够在充分发挥其性能的同时不造成成本浪费。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于流水线处理的超声法煤粉浓度测量用数据处理系统，包括一个主控模块、一个选通模块、一个标准数据采集模块和一个数据处理模块；其中，所述主控模块用于向其它模块发送控制指令并存储计算获得的煤粉浓度数据；所述选通模块根据依次选择的待测磨煤机，将所述待测磨煤机煤粉浓度测点的超声波接收传感器通过对应的信号接收通道与标准数据采集模块连通，例如，如果待测磨煤机一共有六台，则选通模块依次将每一个待测磨煤机与标准数据采集模块连通，由标准数据采集模依次采集每一个待测磨煤机的超声波数据；所述标准数据采集模块用于采集超声波接收传感器的超声波信号；所述数据处理模块根据所述超声波信号计算获得所述待测磨煤机各测点的煤粉浓度。
进一步，所述主控模块还包括传感器驱动通讯模块，上位机通讯模块，测量结果显示、查询和保存模块，下位机通讯模块以及选通通讯模块；其中，所述传感器驱动通讯模块与超声波传感器信号驱动机构连接，用于主控模块向超向声波发射传感器发送驱动信号；所述上位机通讯模块与电厂DCS系统连接，用于主控模块将测量获得的煤粉浓度数据传送给电厂DCS系统；所述测量结果显示、查询和保存模块与显示器连接，用于保存测量获得的煤粉浓度数据，并将煤粉浓度数据送给显示器进行显示；所述下位机通讯模块与数据处理模块和标准信号采集模块连接，用于建立主控模块与数据处理模块和标准信号采集模块之间的通讯。
进一步，标准数据采集模块包括信号带通滤波器、微弱信号放大器和高速数据采集器；其中，信号带通滤波器用于消除每个测点的杂波；微弱信号放大器用于放大每个测点的超声波信号；高速数据采集器用于采集每个测量点的超声波信号。
进一步，所述数据处理模块包括多台计算专用工作站，所述多台计算专用工作站依 次根据标准数据采集模块传递的超声波信号计算对应磨煤机的煤粉浓度，即多台计算专用工作站轮流处理标准数据采集模送入的数据；所述计算专用工作站为具有数据处理和计算功能的服务器。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，该系统由于只用了一套信号采集设备，包括一套带通滤波器和信号放大器，依次对对多台磨煤机的测点超声波信号进行采集，即采用流水线技术通过一套信号采集设备对多台磨煤机的超声波信号进行流水线形式的数据采集，降低了系统成本；本发明系统采用多台计算专用工作站，每台计算专用工作站分别依次承担不同磨煤机的煤粉浓度计算，实现了流水技术的数据处理，提高了数据处理速度；由于超声法测量采用了非接触式测量，不受电厂环境的影响，该系统还具有稳定性和长期运行可靠性较高的优点。
附图说明
图1是本发明所述数据处理系统组成示意图。
附图中序号说明：
1：主控模块；2：传感器驱动通讯模块；3：上位机通讯模块；4：测量结果显示、查询和保存模块；5：下位机通讯模块；6：选通通讯模块；7：超声波传感器信号驱动机构；8：电厂DCS系统；9：显示器；10：数据处理模块；11：标准数据采集模块；12：选通模块；13：第一计算专用工作站；14：第二计算专用工作站；15：第三计算专用工作站；16：信号带通滤波器；17：微弱信号放大器；18：高速数据采集器。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于流水线处理的超声法煤粉浓度测量用数据处理系统的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
现已一个已知发电机组为例，已知某电厂一台300MW机组，包括6台磨煤机，每台磨煤机对应4个煤粉管道，每个煤粉管道对应一个煤粉浓度测点，共计24个煤粉浓度测点。超声波频率40KHz，每个测点两个信号接收通道(对应两个超声波接收传感器)，单次采样时间为0.1S，采样速率10M采样点/S，16位精度，单通道每次采集的数据大小为2M字节，要求24个煤粉浓度测量点测量时间≤6秒。
如图1所示，使用本发明技术方案建立的针对上述机组的高速数据处理装置，包括一个主控模块1、一个选通模块12、一个标准数据采集模块11和一个数据处理模块10；其中，主控模块1用于向其它模块发送控制指令并存储计算获得的煤粉浓度数据；选通模块12用于选择信号接收通道，将相应的煤粉浓度测点的超声波接收传感器的超声波信号传递给标准数据采集模块11；标准数据采集模块11用于采集超声波信号；数据处理模块10根据标准数据采集模块采集的超声波信号计算获得所述待测磨煤机各测点的煤粉浓度。
主控模块1为装有控制程序的工控机，为了与其他模块通信，主控模块1还包括传感器驱动通讯模块2、上位机通讯模块3、测量结果显示、查询和保存模块4、下位机通讯模块5以及选通通讯模块6；其中，传感器驱动通讯模块2与超声波传感器信号驱动机构7连接，用于主控模块1向超向声波发射传感器发送驱动信号；上位机通讯模块3与电厂DCS系统8(即分散控制系统)连接，用于主控模块1将测量获得的煤粉浓度数据传送给电厂DCS系统；测量结果显示、查询和保存模块4与显示器9连接，测量结果显示、查询和保存模块4用于保存测量获得的煤粉浓度数据，还可以将粉浓度数据送给显示器9进行显示，操作人员也可以通过显示器9在测量结果显示、查询和保存模块4中查询测量获得的煤粉浓度数据；下位机通讯模块5分别与数据处理模块10和标准信号采集模块11连接，用于建立主控模块1与数据处理模块10和标准信号采集模块11之间的通讯。
数据处理模块10包括三台计算专用工作站，包括第一计算专用工作站13、第二计算专用工作站14和第三计算专用工作站15。每个计算专用工作站负责两台磨的数据处理，例如，第一计算专用工作站13负责第一台和第四台磨煤机，第二计算专用工作站14负责第二台和第五台磨煤机，第三计算专用工作站15负责第三台和第六台磨煤机，并将处理结果反馈给主控模块1。
标准数据采集模块11包括信号带通滤波器16、微弱信号放大器17和高速数据采集器18。其中，信号带通滤波器16用于消除每个测点的杂波；微弱信号放大器17用于放大每个测点的超声波信号；高速数据采集器18用于采集每个测量点的超声波信号。信号带通滤波器16及微弱信号放大器17都是八通道独立配置，每个通道都有自己独立的设置参数，可以同时处理八个信号接收通道的数据；高速数据采集器18是八通道并行采集，八个通道同时采集信号，设置方式有外触发和内触发两种方式，单通道采样速率10M采样点/S，16位采样精度。
在上述机组中进行数据处理对应的工作流程如下：
流程1，主控模块1通过下位机通讯模块5向标准数据采集模块11发出启动信号，标准数据采集模块11中的高速数据采集器18收到启动信号后进行采集参数及外触发状态设置，设置完毕后向主控模块发出启动成功信号。主控模块1收到启动成功信号后，进入测量状态。
流程2，主控模块1通过传感器驱动通讯模块2向超声波传感器信号驱动机构7发出启动信号，超声波传感器信号驱动机构7开始驱动超声波发射传感器发射超声波信号；主控模块1再通过选通通讯模块6向选通模块12发出第一个磨煤机四个煤粉浓度测点的选通信号，选通模块12接收到选通信号后，将第一个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波接收传感器对应的信号接收通道与标准数据采集模块11连通，超声波接收传感器将超声波信号送给标准数据采集模块11。此时，四个测点共八个信号接收通道的超声波信号经信号带通滤波器16和微弱信号放大器17同时分别经8个通道处理后进入高速数据采集器18并触发高速数据采集器18，高速数据采集器18采集第一台磨煤机四个测点的超声波信号，然后通过下位机通讯模块5向主控模块1发出数据采集完毕信号，主控模块1接到数据采集完毕信号后通过下位机通讯模块5向数据处理模块10中的第一计算专用工作站13发出取数指令，第一计算专用工作站13开始从标准数据采集模块11中读取1第一磨煤机四个测点的超声波信号数据并对取得的数据进行处理计算获得第一台磨四个测点的煤粉浓度，然后将第一台磨四个测点的煤粉浓度返回给主控模块1保存。
流程3，主控模块1收到第一计算专用工作站13的取数据完毕信号后，主控模块1再通过选通通讯模块6向选通模块12发出第二个磨煤机四个煤粉浓度测点的选通信号，选通模块12接收到选通信号后，将第二个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波接收传感器对应的信号接收通道与标准数据采集模块11连通，超声波接收传感器将超声波信号送给标准数据采集模块11。此时，四个测点共八个信号接收通道的超声波信号经信号带通滤波器16和微弱信号放大器17处理后进入高速数据采集器18并触发高速数据采集器18，高速数据采集器18采集第二个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号，然后通过下位机通讯模块5向主控模块1发出采集完毕信号，主控模块1接收到数据采集完毕信号后通过下位机通讯模块5向数据处理模块10中的第二计算专用工作站14发出读取数据指令，第二计算专用工作站14开始从标准数据采集模块11中读取第二个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号数据并对取得的数据进行处理计算获得第二台磨四个测 点的煤粉浓度，然后将第二台磨四个测点的煤粉浓度返回给主控模块1保存。
流程4：主控模块1收到第二计算专用工作站14的取数据完毕信号后，主控模块1通过选通通讯模块6向选通模块12发出第三台磨煤机四个煤粉浓度测点的选通信号，选通模块12接到选通信号后，将第三台磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波接收传感器对应的信号接收通道与标准数据采集模块11连通，超声波接收传感器将超声波信号送给标准数据采集模块11，第三台磨煤机四个煤粉浓度测点共八个通道的超声波信号经信号带通滤波器16和微弱信号放大器17后进入高速数据采集器18并触发高速数据采集器18，高速数据采集器18采集第三台磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号，然后通过下位机通讯模块5向主控模块1发出采集完毕信号，主控模块1接到采集完毕信号后通过下位机通讯模块5向数据处理模块10中的第三计算专用工作站15发出读取数据指令，第三计算专用工作站15开始从标准数据采集模块11中读取第三个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号数据并对取得的数据进行处理计算获得第三台磨煤机四个测点的煤粉浓度，然后将第三台磨煤机四个测点的煤粉浓度返回给主控模块1保存。
流程5：主控模块1收到第三计算专用工作站15的取数据完毕信号后，主控模块1通过选通通讯模块6向选通模块12发出第四台磨四个煤粉浓度测点的选通信号，选通模块12接到选通信号后，将第四个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波接收传感器对应的信号接收通道与标准数据采集模块11连通，超声波接收传感器将超声波信号送给标准数据采集模块11，四个测点共八个通道的超声波信号经信号带通滤波器16和微弱信号放大器17处理后进入高速数据采集器18并触发高速数据采集器18，高速数据采集器18采集第四个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号，然后通过下位机通讯模块5向主控模块1发出采集完毕信号，主控模块1接收到数据采集完毕信号后通过下位机通讯模块5向数据处理模块10中的第一计算专用工作站13发出读取数据指令，第一计算专用工作站13开始从标准数据采集模块11中读取第四台磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号数据并对取得的数据进行处理计算获得第四台磨四个测点的煤粉浓度，然后将第四台磨四个测点的煤粉浓度返回给主控模块1保存。
流程6：主控模块1收到第一计算专用工作站13的取数据完毕信号后，主控模块1通过选通通讯模块6向选通模块12发出第五台磨四个煤粉浓度测点的选通信号，选通模块12接到选通信号后，将将第五个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波接收传感器对应的信号接收通道与标准数据采集模块11连通，超声波接收传感器将超声波信号送给 标准数据采集模块11，四个测点共八个通道的超声波信号经信号带通滤波器16和微弱信号放大器17处理后进入高速数据采集器18并触发高速数据采集器18，高速数据采集器18采集第四个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号，然后通过下位机通讯模块5向主控模块1发出采集完毕信号，主控模块1接收到数据采集完毕信号后通过下位机通讯模块5向数据处理模块10中的第二计算专用工作站14发出读取数据指令，第二计算专用工作站14开始从标准数据采集模块11中读取第五个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号数据并对取得的数据进行处理计算获得第五台磨四个测点的煤粉浓度，然后将第五台磨四个测点的煤粉浓度返回给主控模块1保存。
流程7：主控模块1收到第二计算专用工作站14的取数据完毕信号后，主控模块1通过选通通讯模块6向选通模块12发出第六台磨四个煤粉浓度测点的选通信号，选通模块12接到选通信号后，将将第六个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波接收传感器对应的信号接收通道与标准数据采集模块11连通，超声波接收传感器将超声波信号送给标准数据采集模块11，四个测点共八个通道的超声波信号经信号带通滤波器16和微弱信号放大器17处理后进入高速数据采集器18并触发高速数据采集器18，高速数据采集器18采集第四个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号，然后通过下位机通讯模块5向主控模块1发出采集完毕信号，主控模块1接收到数据采集完毕信号后通过下位机通讯模块5向数据处理模块10中的第三计算专用工作站15发出读取数据指令，第三计算专用工作站15开始从标准数据采集模块11中读取第六个磨煤机四个煤粉浓度测点的超声波信号数据并对取得的数据进行处理计算获得第六台磨四个测点的煤粉浓度，然后将第六台磨四个测点的煤粉浓度返回给主控模块1保存。
到此为止，共24个煤粉浓度测点的计算结果全部返回到主控模块1，主控模块1通过上位机通讯模块3将结果送往电厂DCS系统8，同时通过测量结果显示、查询和保存模块4将结果送往显示器9显示，并保存数据供查询。
流程2至7即是一个完整的数据处理流程，重复流程2至7，即可实现24个煤粉浓度测点的在线测量。这种技术是按照相应的流程对每台磨煤机进行切换计算，每个计算专用工作站负责两台磨煤机的数据处理计算，例如第一计算工作站13负责第一台和第四台磨煤机，第二计算工作站14负责第二台和第五台磨煤机，第三计算工作站15负责第三台和第六台磨煤机，由于用了频率10M的采集设备，因此上述每个步流程耗时小于1S，完成一个完整数据处理流程的测量时间少于6S。在上述处理过程中，从第一台 磨煤机到第六台磨煤机依次进行数据采集和计算，获得相应磨煤机的四个煤粉管道的浓度，使用一台数据采集设备实现多太磨煤机的流水线数据处理。