煤矸石電廠除氧器自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 博 付永平

(1.淄博礦業(yè)集團(tuán)公司非煤產(chǎn)業(yè)部，山東 淄博 255120；2.山東東華水泥有限公司發(fā)電車間，山東 淄博 255144)

煤矸石電廠除氧器自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 博1付永平2

(1.淄博礦業(yè)集團(tuán)公司非煤產(chǎn)業(yè)部，山東 淄博 255120；2.山東東華水泥有限公司發(fā)電車間，山東 淄博 255144)

針對(duì)某煤矸石資源綜合利用電廠除氧器水位、水溫監(jiān)測(cè)控制技術(shù)存在的除氧效果不穩(wěn)定、水位控制自動(dòng)化水平低、監(jiān)測(cè)裝置故障率高等缺陷，利用單片機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)除氧器水溫、水位監(jiān)測(cè)控制裝置，提高自動(dòng)控制水平和控制精度。應(yīng)用實(shí)踐表明，該電廠除氧器監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)原有問題得到有效解決，鍋爐給水質(zhì)量有了很大改善，故障停爐頻次有所減少。

煤矸石電廠；除氧器；自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)功能框圖設(shè)計(jì)

根據(jù)該電廠鍋爐給水運(yùn)行技術(shù)要求，除氧器自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足以下功能：除氧水溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，除氧水水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，除氧水水位下限自啟動(dòng)補(bǔ)水及上限自停止補(bǔ)水，水位、水溫?cái)?shù)字顯示，水位、水溫超限報(bào)警，水溫過低輔助加熱自啟動(dòng)等。根據(jù)上述功能設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)功能框圖，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)功能框圖

2 各監(jiān)測(cè)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

根據(jù)除氧器監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的功能要求，本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件，可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。單片機(jī)設(shè)有Vcc、GND、P0口、P1口、P2口、P3口、RST、ALE/PROG、EA/VPP、PSEN、XTAL1、XTAL2等主要引腳。Vcc：電源。GND：地。P0口：1個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0口具有內(nèi)部上拉電阻。P1口：1個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)TTL邏輯電平。P2口：1個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作口使用。P3口：1個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作口使用。RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。

2.2 水溫監(jiān)測(cè)模塊

水溫監(jiān)測(cè)模塊選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，外形與管腳排列如圖2所示(I/O為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，GND為電源地，Vcc為外接供電電源輸入端)。

圖2 外形和管腳排列

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。測(cè)溫范圍-55～+125 ℃，在-10～+85 ℃時(shí)精度為±0.5 ℃。可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前、高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5 ℃/LSB形式表示。當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在DS18B20的2個(gè)8 bit的RAM中。如果測(cè)得的溫度大于0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.062 5即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.062 5，即可得到實(shí)際溫度。

2.3 水位監(jiān)測(cè)模塊

采用ZP3200分體投入式液位變送器。該變送器是基于所測(cè)液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)成電信號(hào)。經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性校正，轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。傳感器部分直接投入到除氧器中，變送器部分可用法蘭或支架固定。為使單片機(jī)能對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理，需將被測(cè)量的4～20 mA模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)方式是先將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓信號(hào)，然后將得到的電壓信號(hào)再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換電路選用ADC0809。74LS373是三態(tài)輸出8位鎖存器，用于穩(wěn)定采集到的水位輸入信號(hào)。單片機(jī)的P2口用來接收水位信號(hào)，在內(nèi)部軟件的作用下與設(shè)定的水位值比較，控制外設(shè)補(bǔ)水箱電磁閥的開啟與關(guān)斷，還可以輸出到顯示接口，用于實(shí)時(shí)顯示采集到的水位信號(hào)。

2.4 顯示電路模塊

采用LED數(shù)碼管作為數(shù)字顯示組件，本設(shè)計(jì)采用的是共陽極LED數(shù)碼管。本設(shè)計(jì)中要顯示溫度與水位，溫度范圍為90～150 ℃，精度為1 ℃，用三位數(shù)碼管顯示；水位采用滿水位的百分制顯示，顯示范圍為20%～99%，采用兩位數(shù)碼管顯示。所以本設(shè)計(jì)中選擇五位數(shù)碼管顯示。溫度、水位采集信號(hào)通過單片機(jī)的P0口傳輸?shù)?255，在單片機(jī)的控制下，通過軟件作用，由PA口選擇數(shù)碼管顯示段碼，由PB0～PB4來選擇位碼，ULN2003作為驅(qū)動(dòng)。

2.5 聲光報(bào)警電路模塊

本設(shè)計(jì)采用光電耦合器、中間繼電器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與報(bào)警電路的連接。光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電—光—電的轉(zhuǎn)換。通過光電耦合器實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路與實(shí)際交流電路之間的光電隔離。當(dāng)水位超限時(shí)，報(bào)警電路被驅(qū)動(dòng)，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出警示。硬件連接如圖3所示。

圖3 聲光報(bào)警電路

2.6 自動(dòng)上水模塊

壓力傳感器采集的信息被單片機(jī)接收后與設(shè)定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的差動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器線圈得電，電磁閥得電，閥門打開，除氧水箱開始進(jìn)水；當(dāng)壓力傳感器再次測(cè)得的信號(hào)與設(shè)定的水位值相同后，單片機(jī)關(guān)閉控制信號(hào)，繼電器線圈失電，電磁閥復(fù)位，關(guān)閉進(jìn)水閥，從而實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制。接口連接電路如圖4所示。S8050使用其放大功能驅(qū)動(dòng)繼電器控制電磁閥的動(dòng)作，其工作溫度范圍為-55～150 ℃。

圖4 自動(dòng)上水接口圖

2.7 鍵盤設(shè)定

3個(gè)獨(dú)立式按鍵的作用分別為：復(fù)位、溫度設(shè)定、水位設(shè)定。P1.4實(shí)現(xiàn)復(fù)位，使水位溫度回到最小值。P1.5、P1.6分別通過讀入按鍵信號(hào)來確定水溫、水位設(shè)定值。如圖5所示。

圖5 鍵盤設(shè)置

2.8 復(fù)位設(shè)定與看門狗設(shè)置

看門狗通過程序?qū)崿F(xiàn)。復(fù)位電路如圖6所示。

圖6 復(fù)位電路

復(fù)位后PC=0000H，指向了程序存儲(chǔ)器0000H地址單元，使CPU從首地址0000H單元開始重新執(zhí)行程序。復(fù)位不影響內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。此外，在系統(tǒng)工作異常等特殊情況下，也可以人工使系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位是由外部復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的，按功能可以分為上電自動(dòng)復(fù)位和人工復(fù)位兩種方式。

3 結(jié)語

通過對(duì)該電廠除氧器監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，除氧器監(jiān)測(cè)控制自動(dòng)化水平顯著提高，除氧水溫穩(wěn)定在104 ℃左右，鍋爐給水含氧量顯著下降，水冷壁、過熱器等受熱面氧腐蝕程度明顯減輕，提高了鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，年可節(jié)約各類維修費(fèi)用數(shù)萬元。

[1]楊國治.現(xiàn)代簡(jiǎn)明電工手冊(cè)[M].石家莊：河北科學(xué)技術(shù)出版社，1998

[2]張洪潤(rùn)，易濤.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版，2003

[3]林衛(wèi)星.基于89C52單片機(jī)多功能應(yīng)用系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2002(2)

[4]劉潤(rùn)華，劉立山.模擬電子技術(shù)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2003

[5]董傳岱，于云華.數(shù)字電子技術(shù)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2003

2014-06-12

張博(1978—)，男，山東淄博人，工程師，從事機(jī)電技術(shù)管理工作。