基于單片機的鍋爐智能控制技術

1 引言
當今,環(huán)境與發(fā)展已成為人類社會面臨的兩大課題,而這些問題的解決無一不與能源密切相關。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,鍋爐燃用的主要是中、低質煤,工業(yè)污染十分嚴重;而且鍋爐形式比較陳舊,生產(chǎn)效率和自動化程度低,這又進一步加重了環(huán)境污染的程度。因此,調整能源消費結構,逐步提高使用液體燃料和氣體燃料的比例是加強環(huán)境保護、實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的措施之一。其中油、氣燃料作為優(yōu)質、高效、環(huán)保型清潔能源有著廣闊的應用前景。
國內對鍋爐控制系統(tǒng)的研究起步較晚,始于80年代初期。國內研究鍋爐控制系統(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)。盡管對鍋爐控制系統(tǒng)的研究已有了很大進展,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量設備,不能對它們進行精確連續(xù)調節(jié),使控制精度低,控制手段單一;
(3) 鍋爐控制系統(tǒng)外圍設備適用范圍不廣。
針對現(xiàn)有的燃油、燃氣鍋爐控制系統(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、燃氣鍋爐控制系統(tǒng),它具有采暖、熱水兩用功能,能對鍋爐系統(tǒng)進行多臺聯(lián)合控制或單臺鍋爐全自動運行。針對多功能綠色環(huán)保鍋爐的控制問題,本文提出了基于單片機的鍋爐智能控制器的設計構想,并給出了以該控制器為核心的控制方案。
2 基于單片機的鍋爐智能控制器的設計構想
多功能綠色環(huán)保智能燃油、燃氣鍋爐控制系統(tǒng)主要由MCS-51系列單片機、軟件及其外圍部件組成。該控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)多功能綠色環(huán)保鍋爐的全自動、安全、經(jīng)濟和穩(wěn)定地運行。具體來講,該控制系統(tǒng)應能實現(xiàn)以下主要功能:
(1) 選擇不同的工作方式即可實現(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)調節(jié)式,循環(huán)泵可選擇普通循環(huán)泵或變頻調速泵,既控制系統(tǒng)存有針對不同外圍設備的不同控制方案,使用戶選擇外圍設備的余地更大;
(3) 在自動運行方式下,可智能調節(jié)燃燒器和循環(huán)泵的狀態(tài),無須用戶再干預;
(4) 以液晶顯示屏顯示作為人機接口,觀察方便,操作簡單;
(5) 提供八段定時自動啟停功能,用戶可按照實際需要任意設置每段定時期間鍋爐的啟停時間、工作方式和溫度設定值;
(6) 可隨時進行手/自動無擾動切換;
(7) 具有智能化的溫度傳感器故障自診斷能力,隨時檢測鍋爐和熱水箱的水位;
(8) 能對鍋爐發(fā)生的故障自動進行停機報警等安全保護處理;
3 基于單片機的鍋爐智能控制方案
基于單片機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,傳感器采集隨時間連續(xù)變化的模擬信號(被調參數(shù)),如溫度、流量和水位等,通過變送和放大,轉變成直流電壓信號,然后通過模/數(shù)轉換器轉換成單片機可識別和處理的二進制數(shù)據(jù),經(jīng)輸入通道送入單片機,由單片機按照一定的邏輯控制原理,對被測量值進行一系列的運算處理,從而得到燃燒器、循環(huán)泵或其他執(zhí)行機構的控制量,再由單片機輸出二進制數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)/模轉換器將數(shù)字量轉換成模擬量(電壓或電流信號),直接或通過繼電器、接觸器及多路開關送至執(zhí)行機構,使閥門或其他調節(jié)機構動作,達到調節(jié)被調節(jié)參數(shù)的目的。
4 基于單片機的鍋爐智能控制器的硬件電路設計
多功能綠色環(huán)保智能燃油、燃氣鍋爐控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機作為主控制器?；趩纹瑱C的鍋爐智能控制器的硬件電路設計結構如圖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,經(jīng)過數(shù)字濾波、溫度標度轉換后,得到實際采樣值,根據(jù)采樣值與用戶設定值之間的關系判斷系統(tǒng)的輸出狀態(tài),對開關量信號直接通過繼電器輸出,對連續(xù)模擬量信號通過D/A轉換后再輸出給執(zhí)行機構。單片機采用4行8列的液晶顯示界面向用戶顯示系統(tǒng)設置和當前狀態(tài),并配有輕觸式小鍵盤接收用戶的輸入。系統(tǒng)配有實時時鐘芯片,可顯示日期時間,并可記錄燃燒器的開火時間,看門狗芯片能在系統(tǒng)故障、程序跑飛時可靠地進行復位,其芯片上自帶的串行E2PROM能保存用戶輸入的參數(shù)和運行數(shù)據(jù)。
5 基于單片機的鍋爐智能控制器系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方案
單片機應用系統(tǒng)中的軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計的,軟件應可靠的實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。應用系統(tǒng)種類繁多,應用軟件各不相同,但一個優(yōu)秀的應用系統(tǒng)的軟件應具有以下特點:
(1) 軟件結構清晰、簡捷、流程合理;
(2) 各種功能程序實現(xiàn)模塊化、子程序化。這樣,既便于調試、連接又便于移植修改;
(3) 程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)規(guī)劃合理,既節(jié)約內存容量,又使操作方便;
(4) 運行狀態(tài)實現(xiàn)標志化管理。各個功能程序運行狀態(tài)、運行結果以及運行要求都設置狀態(tài)標志以便查詢,程序的轉移、運行、控制都可通過狀態(tài)標志條件來控制;
(5) 調試過的程序應進行規(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、標準化打下基礎;
(6) 實現(xiàn)全面軟件抗干擾設計。軟件抗干擾是單片機應用系統(tǒng)提高可靠性的有力措施;
(7) 為了提高運行的可靠性,在應用軟件中設置自診斷程序,在系統(tǒng)工作運行之前運行自診斷程序,用以檢查系統(tǒng)各個狀態(tài)參數(shù)是否正常;
基于單片機的鍋爐智能控制器系統(tǒng)的程序總體結構如圖3所示。
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開發(fā)單片機控制系統(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)單片機系統(tǒng)雖然具有代碼緊湊、實時性好等優(yōu)點,但缺點也十分突出:程序可讀性、可移植性差,不易進行復雜的邏輯數(shù)學運算,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語言則恰好彌補了匯編語言的缺點。
一方面,豐富的指令集直接面向硬件操作,位指令、邏輯、關系表達式均可直接針對外設接口;另一方面,高級語言的描述,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器碼。由C51編譯生成的代碼不論長度還是程序運行速度均能適應大多數(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仿真器調試程序,它支持Windows環(huán)境,VC界面風格,調試方便,大大縮短了軟件開發(fā)周期,提高了工作效率。
單片機首先進行初始化,包括I/O口、定時器、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),再進行故障檢測;若發(fā)現(xiàn)故障,則蜂鳴報警,同時顯示故障原因;然后開始進入循環(huán)監(jiān)測部分,先采集數(shù)據(jù),檢測故障:然后進入相應的溫度控制子程序、定時控制子程序、手動控制子程序、防凍控制子程序,接著開始掃描鍵盤,判斷出所按鍵后,使相應變量置位或復位,并刷新當前顯示,由此不斷循環(huán)運行,完成鍋爐控制系統(tǒng)的各種控制功能。
程序采用結構化程序設計,分為主程序和多個應用于程序。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、標度變換、PID運算、故障報警、溫度控制、循環(huán)泵控制、漢字顯示、鍵盤掃描等。
6 結束語
本文給出了基于單片機的鍋爐智能控制器的硬件電路設計和系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方案。在描述設計構想和控制方案的同時,筆者給出了基于單片機的鍋爐智能控制器的硬件電路設計和系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方案。該控制器以較低的成本解決了多功能綠色環(huán)保鍋爐的自動化控制問題,并已在實際生產(chǎn)中得到應用。