基于單片機(jī)的鍋爐智能控制技術(shù)

1 引言
當(dāng)今,環(huán)境與發(fā)展已成為人類社會(huì)面臨的兩大課題,而這些問題的解決無一不與能源密切相關(guān)。我國的鍋爐目前以煤為主要燃料,耗煤量接近全國煤產(chǎn)量的三分之一。同時(shí),鍋爐燃用的主要是中、低質(zhì)煤,工業(yè)污染十分嚴(yán)重;而且鍋爐形式比較陳舊,生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度低,這又進(jìn)一步加重了環(huán)境污染的程度。因此,調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),逐步提高使用液體燃料和氣體燃料的比例是加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的措施之一。其中油、氣燃料作為優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保型清潔能源有著廣闊的應(yīng)用前景。
國內(nèi)對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的研究起步較晚,始于80年代初期。國內(nèi)研究鍋爐控制系統(tǒng)比較成熟的企業(yè)包括上海杜比公司、南京仁泰公司,還有一些科研院校聯(lián)合企業(yè)開發(fā)的各種智能鍋爐控制系統(tǒng)。盡管對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的研究已有了很大進(jìn)展,但是仍然存在許多急待解決的問題:
(1) 鍋爐控制方案不盡合理;
(2) 現(xiàn)有的鍋爐控制器可控制的仍是普通開關(guān)量設(shè)備,不能對(duì)它們進(jìn)行精確連續(xù)調(diào)節(jié),使控制精度低,控制手段單一;
(3) 鍋爐控制系統(tǒng)外圍設(shè)備適用范圍不廣。
針對(duì)現(xiàn)有的燃油、燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和問題,本課題開發(fā)了多功能綠色環(huán)保智能燃油、燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng),它具有采暖、熱水兩用功能,能對(duì)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行多臺(tái)聯(lián)合控制或單臺(tái)鍋爐全自動(dòng)運(yùn)行。針對(duì)多功能綠色環(huán)保鍋爐的控制問題,本文提出了基于單片機(jī)的鍋爐智能控制器的設(shè)計(jì)構(gòu)想,并給出了以該控制器為核心的控制方案。
2 基于單片機(jī)的鍋爐智能控制器的設(shè)計(jì)構(gòu)想
多功能綠色環(huán)保智能燃油、燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)主要由MCS-51系列單片機(jī)、軟件及其外圍部件組成。該控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)多功能綠色環(huán)保鍋爐的全自動(dòng)、安全、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定地運(yùn)行。具體來講,該控制系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下主要功能:
(1) 選擇不同的工作方式即可實(shí)現(xiàn)熱水或采暖兩用;
(2) 適用的燃燒器可為一段火式,二段火式或連續(xù)調(diào)節(jié)式,循環(huán)泵可選擇普通循環(huán)泵或變頻調(diào)速泵,既控制系統(tǒng)存有針對(duì)不同外圍設(shè)備的不同控制方案,使用戶選擇外圍設(shè)備的余地更大;
(3) 在自動(dòng)運(yùn)行方式下,可智能調(diào)節(jié)燃燒器和循環(huán)泵的狀態(tài),無須用戶再干預(yù);
(4) 以液晶顯示屏顯示作為人機(jī)接口,觀察方便,操作簡單;
(5) 提供八段定時(shí)自動(dòng)啟停功能,用戶可按照實(shí)際需要任意設(shè)置每段定時(shí)期間鍋爐的啟停時(shí)間、工作方式和溫度設(shè)定值;
(6) 可隨時(shí)進(jìn)行手/自動(dòng)無擾動(dòng)切換;
(7) 具有智能化的溫度傳感器故障自診斷能力,隨時(shí)檢測鍋爐和熱水箱的水位;
(8) 能對(duì)鍋爐發(fā)生的故障自動(dòng)進(jìn)行停機(jī)報(bào)警等安全保護(hù)處理;
3 基于單片機(jī)的鍋爐智能控制方案
基于單片機(jī)的鍋爐智能控制方案如圖1所示。

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在圖1的控制方案中,傳感器采集隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)(被調(diào)參數(shù)),如溫度、流量和水位等,通過變送和放大,轉(zhuǎn)變成直流電壓信號(hào),然后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別和處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù),經(jīng)輸入通道送入單片機(jī),由單片機(jī)按照一定的邏輯控制原理,對(duì)被測量值進(jìn)行一系列的運(yùn)算處理,從而得到燃燒器、循環(huán)泵或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量,再由單片機(jī)輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量(電壓或電流信號(hào)),直接或通過繼電器、接觸器及多路開關(guān)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu),使閥門或其他調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作,達(dá)到調(diào)節(jié)被調(diào)節(jié)參數(shù)的目的。
4 基于單片機(jī)的鍋爐智能控制器的硬件電路設(shè)計(jì)
多功能綠色環(huán)保智能燃油、燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器?；趩纹瑱C(jī)的鍋爐智能控制器的硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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該控制系統(tǒng)通過A/D芯片采集溫度傳感器和水位電極的信號(hào),經(jīng)過數(shù)字濾波、溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換后,得到實(shí)際采樣值,根據(jù)采樣值與用戶設(shè)定值之間的關(guān)系判斷系統(tǒng)的輸出狀態(tài),對(duì)開關(guān)量信號(hào)直接通過繼電器輸出,對(duì)連續(xù)模擬量信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換后再輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單片機(jī)采用4行8列的液晶顯示界面向用戶顯示系統(tǒng)設(shè)置和當(dāng)前狀態(tài),并配有輕觸式小鍵盤接收用戶的輸入。系統(tǒng)配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,可顯示日期時(shí)間,并可記錄燃燒器的開火時(shí)間,看門狗芯片能在系統(tǒng)故障、程序跑飛時(shí)可靠地進(jìn)行復(fù)位,其芯片上自帶的串行E2PROM能保存用戶輸入的參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。
5 基于單片機(jī)的鍋爐智能控制器系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方案
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的,軟件應(yīng)可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多,應(yīng)用軟件各不相同,但一個(gè)優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)的軟件應(yīng)具有以下特點(diǎn):
(1) 軟件結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、流程合理;
(2) 各種功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化、子程序化。這樣,既便于調(diào)試、連接又便于移植修改;
(3) 程序存儲(chǔ)區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)規(guī)劃合理,既節(jié)約內(nèi)存容量,又使操作方便;
(4) 運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。各個(gè)功能程序運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求都設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志以便查詢,程序的轉(zhuǎn)移、運(yùn)行、控制都可通過狀態(tài)標(biāo)志條件來控制;
(5) 調(diào)試過的程序應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化,除去修改“痕跡”。規(guī)范化的程序可為以后的軟件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化打下基礎(chǔ);
(6) 實(shí)現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計(jì)。軟件抗干擾是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提高可靠性的有力措施;
(7) 為了提高運(yùn)行的可靠性,在應(yīng)用軟件中設(shè)置自診斷程序,在系統(tǒng)工作運(yùn)行之前運(yùn)行自診斷程序,用以檢查系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)參數(shù)是否正常;
基于單片機(jī)的鍋爐智能控制器系統(tǒng)的程序總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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開發(fā)單片機(jī)控制系統(tǒng),可用傳統(tǒng)的匯編語言或C語言。采用傳統(tǒng)的匯編語言開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)雖然具有代碼緊湊、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)也十分突出:程序可讀性、可移植性差,不易進(jìn)行復(fù)雜的邏輯數(shù)學(xué)運(yùn)算,大程序的軟件開發(fā)周期長等?，F(xiàn)在廣為普及和流行的C語言則恰好彌補(bǔ)了匯編語言的缺點(diǎn)。
一方面,豐富的指令集直接面向硬件操作,位指令、邏輯、關(guān)系表達(dá)式均可直接針對(duì)外設(shè)接口;另一方面,高級(jí)語言的描述,可使用戶擺脫與硬件不必要的接觸,描述語言可由編譯器編譯直接生成面向硬件的機(jī)器碼。由C51編譯生成的代碼不論長度還是程序運(yùn)行速度均能適應(yīng)大多數(shù)控制系統(tǒng)要求。因此,本鍋爐控制系統(tǒng)采用Franklin C51開發(fā),采用南京萬利公司的Insight SE-52仿真器調(diào)試程序,它支持Windows環(huán)境,VC界面風(fēng)格,調(diào)試方便,大大縮短了軟件開發(fā)周期,提高了工作效率。
單片機(jī)首先進(jìn)行初始化,包括I/O口、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、液晶顯示器的初始化;然后采集溫度、水位數(shù)據(jù),作為判斷故障的依據(jù),再進(jìn)行故障檢測;若發(fā)現(xiàn)故障,則蜂鳴報(bào)警,同時(shí)顯示故障原因;然后開始進(jìn)入循環(huán)監(jiān)測部分,先采集數(shù)據(jù),檢測故障:然后進(jìn)入相應(yīng)的溫度控制子程序、定時(shí)控制子程序、手動(dòng)控制子程序、防凍控制子程序,接著開始掃描鍵盤,判斷出所按鍵后,使相應(yīng)變量置位或復(fù)位,并刷新當(dāng)前顯示,由此不斷循環(huán)運(yùn)行,完成鍋爐控制系統(tǒng)的各種控制功能。
程序采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì),分為主程序和多個(gè)應(yīng)用于程序。主程序完成邏輯控制、鍵盤操作和顯示功能,其余都在子程序中完成。主要的子程序包括: 溫度采樣、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、PID運(yùn)算、故障報(bào)警、溫度控制、循環(huán)泵控制、漢字顯示、鍵盤掃描等。
6 結(jié)束語
本文給出了基于單片機(jī)的鍋爐智能控制器的硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方案。在描述設(shè)計(jì)構(gòu)想和控制方案的同時(shí),筆者給出了基于單片機(jī)的鍋爐智能控制器的硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方案。該控制器以較低的成本解決了多功能綠色環(huán)保鍋爐的自動(dòng)化控制問題,并已在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。