基于單片機(jī)的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

毛 崢

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000)

近年來(lái)，大氣污染的狀況較為嚴(yán)重，煤煙為污染大氣環(huán)境的主要因素之一。煤煙的排放使大氣內(nèi)二氧化碳的含量較高，易造成溫室效應(yīng)、氣候變暖等現(xiàn)象的發(fā)生，可對(duì)人們的生命安全構(gòu)成一定威脅。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)逐漸向著綠色環(huán)保型國(guó)家靠攏。鍋爐在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，但是大多數(shù)鍋爐均以煤炭作為作為原料，該現(xiàn)象可增強(qiáng)排放物對(duì)環(huán)境的污染現(xiàn)象，如何降低環(huán)境的污染成為亟待解決的問(wèn)題。為此本研究提出一種基于單片機(jī)的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效控制煤煙的排放量，可提高工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)工作原理

工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的體積過(guò)于龐大，為此本研究對(duì)工業(yè)鍋爐進(jìn)行控制時(shí)，主要以鍋爐的出口主蒸汽壓力為例。工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其核心設(shè)備為單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)操作主要包括檢測(cè)與調(diào)控。為保證工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)對(duì)工業(yè)鍋爐的出口蒸汽壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并不斷調(diào)控鍋爐的排轉(zhuǎn)速設(shè)備。選用性能較高的處理器，將其應(yīng)用于工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中，有利于提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。蒸汽壓力檢測(cè)電路內(nèi)部測(cè)量的精準(zhǔn)度可影響系統(tǒng)的控制性能，為提升系統(tǒng)的控制精度，嚴(yán)格挑選該電路的測(cè)量元件。工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)出口蒸汽壓力的數(shù)值通常在9.8～13.7 MPa，本研究選用PST-HND型壓力變送器作為該系統(tǒng)的核心設(shè)備，其測(cè)量的精度可控制在0～20 MPa，輸出電壓為0～10 V，輸出信號(hào)為0～20 mA，可滿(mǎn)足工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)部電路的測(cè)量要求?；趩纹瑱C(jī)的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示[1]。

圖1 基于單片機(jī)的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)工作原理

2 基于單片機(jī)的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

本研究對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為保證工業(yè)鍋爐的出水溫度可控制在系統(tǒng)的設(shè)備范圍內(nèi)，將空氣和燃?xì)饬孔鳛橹饕刂茖?duì)象，通過(guò)對(duì)工業(yè)鍋爐燃?xì)獗壤y開(kāi)度的調(diào)節(jié)，結(jié)合對(duì)鼓風(fēng)機(jī)頻率的整體控制，即可實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐溫度的控制。

2.1 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)主函數(shù)模塊

該模塊在實(shí)際運(yùn)行之前，首先應(yīng)將工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)與電源接通，各部分準(zhǔn)備工作均完畢后，對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作；其次，完成控制、數(shù)據(jù)采集、鍵盤(pán)掃描等任務(wù)的創(chuàng)建，按照不同模塊的優(yōu)先級(jí)完成任務(wù)分配；最后對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行自檢，直至自檢無(wú)誤后，方可啟動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)內(nèi)全部操作均應(yīng)按照優(yōu)先級(jí)順序執(zhí)行，有利于保證各模塊功能的穩(wěn)定性[2]。

2.2 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)點(diǎn)火模塊

工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，若出現(xiàn)點(diǎn)火功能的失誤，可使工業(yè)鍋爐出現(xiàn)爆炸事故，嚴(yán)重危及到工作人員的生命安全。為此本研究對(duì)點(diǎn)火模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為保證工業(yè)鍋爐在燃燒過(guò)程中的安全性與可靠性，將該模塊的優(yōu)先級(jí)別設(shè)置為較高狀態(tài)。點(diǎn)火模塊的燃?xì)恻c(diǎn)火可分為小火和主火，其中小火指的是鍋爐在啟動(dòng)時(shí)的點(diǎn)火過(guò)程，在系統(tǒng)啟動(dòng)之前，首先應(yīng)選擇小火，若直接啟用主火，可引發(fā)系統(tǒng)的擾動(dòng)問(wèn)題。在保證小火的引燃狀態(tài)處于正常的情況下，即可引燃主火[3]。

2.3 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)溫度模塊

該模塊的控制對(duì)象為燃?xì)獗壤y，通過(guò)對(duì)工業(yè)鍋爐的燃?xì)獗壤y進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，有利于控制爐膛內(nèi)部的燃?xì)饬?。為?shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)鍋爐出水溫度的實(shí)時(shí)采集，可利用模糊自適應(yīng)PID控制算法，將工業(yè)鍋爐當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻的溫度差值作為誤差信號(hào)e，利用微分處理操作將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為誤差變化率ec，將e與ec一同輸入至PID控制算法內(nèi)，通過(guò)相關(guān)計(jì)算即可得到精確的模擬量，將該模擬量輸入至執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)獗壤y開(kāi)度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，最終有效控制工業(yè)鍋爐的出水溫度。

2.4 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)報(bào)警模塊

該模塊為工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的核心模塊，通過(guò)對(duì)報(bào)警模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于保證工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的安全性。報(bào)警模塊的信號(hào)包括預(yù)警和報(bào)警，其中預(yù)警信號(hào)指的是：通過(guò)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，將采集結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定值相比，采集結(jié)果的數(shù)值處于偏高狀態(tài)，但未超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值。報(bào)警信號(hào)指的是系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)數(shù)值超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值。本研究對(duì)該模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將綠色的LED燈用作預(yù)警信號(hào)的顯示，紅色的LED燈用作報(bào)警信號(hào)的顯示。當(dāng)系統(tǒng)綠色LED燈亮起時(shí)，司爐人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工業(yè)鍋爐的觀(guān)察。當(dāng)系統(tǒng)紅色LED燈亮起時(shí)，需要司爐人員及時(shí)采取相應(yīng)的措施對(duì)鍋爐進(jìn)行操作，防止工業(yè)鍋爐出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，將安全事故的發(fā)生概率降至最低[4]。

2.5 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度模塊

該模塊為工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的核心模塊，通過(guò)該模塊可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、鍵盤(pán)管理、數(shù)據(jù)顯示、處理、任務(wù)輸出等功能的調(diào)度，并且各模塊的優(yōu)先級(jí)均由任務(wù)調(diào)度模塊進(jìn)行處理，任務(wù)調(diào)度結(jié)束后，即可結(jié)束該模塊的調(diào)度程序，若未順利完成該模塊的調(diào)度程序，應(yīng)立即返回初始階段，重新對(duì)該模塊進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。該系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，主要采用并行的方式，有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 基于單片機(jī)的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)主控制模塊

本研究設(shè)計(jì)主控制模塊時(shí)，將STM32單片機(jī)作為工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的核心。STM32F407芯片屬于一種增強(qiáng)型的微控制器，其內(nèi)核為Cortex-M4架構(gòu)，內(nèi)部集成了DSP和FPU指令，最高頻率可達(dá)168 MHz，有利于提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。該單片機(jī)具有高性能、低成本、低消耗的優(yōu)勢(shì)，將該單片機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，可提升系統(tǒng)的可靠性。STM32F407芯片內(nèi)含有FLASH、SRAM、17個(gè)定時(shí)器等豐富的資源，在單片機(jī)的通信接口上有3個(gè)12C和SPI以及114個(gè)I/O端口等。其工作電壓可達(dá)到1.8～3.6 V，輸出的穩(wěn)壓電路電壓為3.3 V[5]。

3.2 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)RS485電路

本研究對(duì)RS485電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于工業(yè)鍋爐的工作環(huán)境較為復(fù)雜，可使控制系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備因電磁的不斷干擾，最終造成控制系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)氖д`。為解決信號(hào)傳輸錯(cuò)誤率較高的問(wèn)題，向該電路中引入RS485總線(xiàn)，RS485總線(xiàn)可采用平衡驅(qū)動(dòng)及差分接收實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。RS485總線(xiàn)具有較強(qiáng)的抗共模干擾能力，其通信距離最大可達(dá)到1.2 km，傳輸速率高達(dá)115.2 kbps，可同時(shí)與128個(gè)從站之間建立通信聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)距離的通信時(shí)(通信距離超過(guò)300 m)，為保證系統(tǒng)不受外界因素的干擾，在RS485總線(xiàn)內(nèi)接入一個(gè)120 Ω的電阻。將組態(tài)軟件作為系統(tǒng)的上位機(jī)，上位機(jī)與單片機(jī)之間可通過(guò)物理方式建立連接，物理方式為USB轉(zhuǎn)RS485電路，在按照MODBUS RTU協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效通信。采用RSM485PHT作為該電路的隔離收發(fā)器，利用收發(fā)器將電源單獨(dú)隔離，可適用于工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)RS485接口電路如圖2所示[6]。

圖2 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)RS485接口電路

3.3 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)模擬量輸出電路

為實(shí)現(xiàn)煤量的精準(zhǔn)控制，可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)煤爐排的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐出口蒸汽壓力的控制。采用變頻器對(duì)爐排電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)解，若變頻器端子接收的電壓信號(hào)為0～10 V，可將其協(xié)調(diào)為0～50 Hz的頻率。選用DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片作為該電路的核心部分，由于該芯片的電壓無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，為此本研究在該芯片的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出電壓調(diào)理電路，通過(guò)該電路將信號(hào)放大四倍，即可滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。模擬量輸出電路為同相比例運(yùn)算的方法電路，其運(yùn)放的同相輸入端可與DAC之間建立連接。

4 工業(yè)鍋爐出口蒸汽壓力模糊化控制

為實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的模糊化控制，本研究向工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)引入模糊PID控制器，該控制器實(shí)際上是一個(gè)二輸入三輸出的控制器，可將原本為多輸出的控制器分解為單輸出的控制器，該過(guò)程可產(chǎn)生與PID有關(guān)的三個(gè)參數(shù)值。模糊PID控制器的工作環(huán)節(jié)主要包括模糊化、模糊推理以及解模糊，其實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)模糊化的過(guò)程為：首先將工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)成功采集的蒸汽壓力誤差和壓力誤差變化率的數(shù)值作為控制器的觀(guān)測(cè)量，輸入至控制器內(nèi)部后，對(duì)二者進(jìn)行模糊化；其次，根據(jù)模糊化的實(shí)際結(jié)果獲取模糊控制規(guī)則表，不同輸出均含有模糊論域，將各個(gè)論域分別乘以量化因子，即可得到三個(gè)參數(shù)的實(shí)際輸出結(jié)果；最后利用PID調(diào)節(jié)器對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的爐排變頻器進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)，以此達(dá)到蒸汽壓力的控制效果，工業(yè)鍋爐出口蒸汽壓力模糊化控制邏輯如圖3所示[7]。

圖3 工業(yè)鍋爐出口蒸汽壓力模糊化控制邏輯

5 基于單片機(jī)的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)仿真與結(jié)果

為驗(yàn)證模糊PID在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中的作用效果，利用Matlab對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。采用對(duì)比分析的方法，將傳統(tǒng)PID與模糊自整定PID的控制效果進(jìn)行對(duì)比。在不考慮工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)部蒸汽流量波動(dòng)以及外界干擾因素的情況下，可將工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)壓力設(shè)為常量12 MPa，工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)蒸汽壓力控制仿真如圖4所示。

圖4 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)蒸汽壓力控制仿真

蒸汽壓力控制仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 蒸汽壓力控制仿真結(jié)果對(duì)比

本研究主要對(duì)兩種控制系統(tǒng)的超調(diào)量、上升時(shí)間及調(diào)整時(shí)間進(jìn)行綜合考量。通過(guò)對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析可知，傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)考量結(jié)果依次為32.4%、18 s、62 s，模糊PID控制系統(tǒng)考量結(jié)果依次為8.7%、16 s、32 s。由此可表明，模糊PID控制系統(tǒng)可在最快的速度內(nèi)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值，該系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性及可靠性[8]。

6 結(jié) 語(yǔ)

本研究為提高工業(yè)鍋爐的安全性，提出一種基于單片機(jī)的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)，由于工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的體積過(guò)于龐大，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中將鍋爐的出口主蒸汽壓力作為主要研究對(duì)象。通過(guò)單片機(jī)及相應(yīng)的傳感器對(duì)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)，可使工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)向著自動(dòng)化、智能化發(fā)展。為保證工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)工業(yè)鍋爐的出口蒸汽壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并不斷調(diào)控鍋爐的排轉(zhuǎn)速設(shè)備。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的控制效果，利用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，在模糊PID的支持下，可使工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。