基于單片機(jī)的智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢 燦，王景存

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

智能點(diǎn)火控制裝置在冶金行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用，主要運(yùn)用在軋鋼退火爐、環(huán)形爐、罩式爐等方面，但現(xiàn)在用于冶金行業(yè)點(diǎn)火控制裝置存在一定的缺陷，點(diǎn)火控制時(shí)間是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境固定設(shè)計(jì)，但不同生產(chǎn)工藝對(duì)點(diǎn)火時(shí)間的控制有著不用的要求[1]。

本實(shí)用新型智能點(diǎn)火控制裝置可以控制點(diǎn)火時(shí)間，確保在點(diǎn)火時(shí)按一定的程序逐次實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火過(guò)程，同時(shí)可隨時(shí)修改控制參數(shù)，方便不同生產(chǎn)工藝的使用，以保證點(diǎn)火過(guò)程順利而安全的完成。在點(diǎn)火裝置使用的過(guò)程中，使用紫外線（UV）傳感器來(lái)適時(shí)檢測(cè)火焰，且當(dāng)加熱爐無(wú)火時(shí)，軟件會(huì)報(bào)警，如果軟件報(bào)警失效，一定延時(shí)后硬件電路報(bào)警，這樣的雙保護(hù)確保了整個(gè)點(diǎn)火控制裝置在使用時(shí)更加安全可靠。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，圖中CPU 所有的輸入輸出都是通過(guò)光耦完成的，這樣使信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力加強(qiáng)。遠(yuǎn)程復(fù)位讓裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，模式控制控制打火時(shí)間和開(kāi)主閥時(shí)間，火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^(guò)火焰探測(cè)電路將信號(hào)傳輸給CPU，CPU 輸出信號(hào)給硬件控制邏輯，由硬件控制邏輯來(lái)進(jìn)行點(diǎn)火、開(kāi)點(diǎn)火閥、主氣閥和空氣閥、報(bào)警，最后報(bào)警信號(hào)又輸入給CPU，使CPU 知道裝置的運(yùn)行狀態(tài)，繼而發(fā)出正確的指令，使整個(gè)點(diǎn)火控制過(guò)程有條不紊的進(jìn)行。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 System overall framework diagram

1.2 系統(tǒng)主要功能

正常情況下，CPU 根據(jù)輸入信號(hào)控制硬件控制邏輯來(lái)進(jìn)行點(diǎn)火、探火、開(kāi)關(guān)大小閥門(mén)或報(bào)警，而當(dāng)CPU 跑飛或由于其他原因停止工作進(jìn)入非正常工作狀態(tài)，硬件控制邏輯會(huì)在一定延時(shí)后自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警。這樣的多層保護(hù)使得整個(gè)裝置在運(yùn)行的過(guò)程中更加安全可靠。

系統(tǒng)的主要功能如下：

1）按下啟動(dòng)信號(hào)，進(jìn)入工作狀態(tài)，首先檢測(cè)有無(wú)虛假火焰信號(hào)，如有則輸出故障信號(hào)。如正常，開(kāi)啟點(diǎn)火變壓器和點(diǎn)火閥，進(jìn)入點(diǎn)火狀態(tài)，如有火，為點(diǎn)火成功。開(kāi)啟主氣閥。如無(wú)火，為點(diǎn)火失敗，2 秒后關(guān)閉所有控制輸出，報(bào)警鎖定，輸出失敗信號(hào)。

2）點(diǎn)火成功后，主氣閥的開(kāi)啟時(shí)間（安全時(shí)間）可由開(kāi)關(guān)設(shè)置（3S、5S 或10S）。

3）空氣閥的動(dòng)作可選擇跟隨點(diǎn)火閥開(kāi)啟、或跟隨主氣閥開(kāi)啟、或由外部人工開(kāi)啟控制（用于爐窯吹掃）。

4）正常工作后，如有火焰信號(hào)，保持正常工作直至工作信號(hào)撤銷，回復(fù)到待機(jī)狀態(tài)，如無(wú)火焰信號(hào)則由CPU 來(lái)控制處理方法，有下列3 種：

①立即關(guān)閉全部控制輸出，報(bào)警鎖定，輸出失敗信號(hào)。

②延時(shí)一段時(shí)間后（時(shí)間可調(diào)），如仍無(wú)火焰信號(hào)，關(guān)閉全部控制輸出，報(bào)警鎖定，輸出失敗信號(hào)。

③關(guān)閉全部控制輸出，重新啟動(dòng)，如點(diǎn)火成功，進(jìn)入工作狀態(tài)，如點(diǎn)火失敗，關(guān)閉全部控制輸出，報(bào)警鎖定，輸出失敗信號(hào)。

當(dāng)CPU 跑飛或由于其他原因停止了工作，這時(shí)硬件控制邏輯會(huì)在一定延時(shí)后自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警，輸出故障信號(hào)。

5）控制器在待機(jī)狀態(tài)時(shí)仍檢測(cè)火焰信號(hào)，如出現(xiàn)連續(xù)10S 的火焰信號(hào)，則斷開(kāi)控制輸出電源，報(bào)警鎖定，輸出故障信號(hào)。

6）故障/失敗狀態(tài)出現(xiàn)后將一直保持鎖定，不受工作信號(hào)和斷電的影響，只有人工干預(yù)復(fù)位后才可以解除故障/失敗狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本裝置主要由CPU 電路、點(diǎn)火電路、探火電路、硬件控制邏輯和繼電器保護(hù)電路等組成。CPU 選用的是MEG16 芯片，控制整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程；點(diǎn)火電路對(duì)加熱爐進(jìn)行點(diǎn)火；探火電路實(shí)時(shí)檢測(cè)爐內(nèi)火焰；硬件控制邏輯控制整個(gè)點(diǎn)火裝置的輸出，并且當(dāng)CPU 失效時(shí)能自行啟動(dòng)報(bào)警；繼電器保護(hù)電路是為了控制開(kāi)閥順序和保護(hù)電路。下面對(duì)幾個(gè)電路進(jìn)行具體介紹。

2.1 硬件控制電路

硬件控制電路如圖2 所示，J為雙線包繼電器，上面的線包只能控制開(kāi)關(guān)向下動(dòng)作，下面的線包只能控制開(kāi)關(guān)向上動(dòng)作，且斷電的情況下具有記憶功能。圖中可以看出，報(bào)警的產(chǎn)生是由555 和CPU 同時(shí)控制。無(wú)報(bào)警情況下控制芯片ULN2003A 使能，CPU 通過(guò)ULN2003A 控制點(diǎn)火變壓器、點(diǎn)火閥、主氣閥和空氣閥，裝置正常工作。當(dāng)正常工作無(wú)火時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅鲗⑿盘?hào)傳輸給CPU，CPU 給出報(bào)警信號(hào)使三極管Q導(dǎo)通，繼電器J 工作，ULN2003A 不使能，鎖定所有CPU 輸出，裝置進(jìn)入鎖定狀態(tài)，無(wú)任何輸出。

當(dāng)沒(méi)火，而CPU 由于某種原因沒(méi)有給出報(bào)警信號(hào)時(shí)，這時(shí)如果點(diǎn)火閥或者主氣閥有一個(gè)開(kāi)著，555 就會(huì)延時(shí)一段時(shí)間給出一個(gè)高電平使Q 導(dǎo)通，ULN2003A 不使能，鎖定所有輸出。在555 延時(shí)的這段時(shí)間，如果又有火或者兩個(gè)閥門(mén)同時(shí)關(guān)閉，555 會(huì)自動(dòng)重新延時(shí)。

由于有CPU 和555 的雙重保護(hù)，使得整個(gè)裝置在使用時(shí)更加安全[3-4]。

圖2 硬件控制邏輯電路Fig.2 Hardware control logic circuit

2.2 點(diǎn)火電路

點(diǎn)火電路如圖3 所示，圖中MOC3023為雙向可控硅光耦，SCR為雙向可控硅，RV1為壓敏電阻，起到保護(hù)電路的作用。當(dāng)有打火信號(hào)（低電平）時(shí)，光耦工作，4 端和6 端導(dǎo)通，SCR 的G、K 兩端有電壓差，觸發(fā)SCR 導(dǎo)通，A、K 兩端導(dǎo)通，變壓器工作，輸出高壓給離子棒產(chǎn)生火花，從而進(jìn)行點(diǎn)火。由于在打火時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，所以在火線與零線接入C2和R5 來(lái)進(jìn)行濾波，減小干擾[2-3]。

圖3 點(diǎn)火電路Fig.3 The ignition circuit

2.3 火焰檢測(cè)電路

火焰的發(fā)射光譜是由紫外、可見(jiàn)光和紅外光的電磁輻射波段組成，火焰探測(cè)可以使用紫外線傳感器和紅外線傳感器，本裝置使用的紫外線傳感器。

紫外線傳感器工作原理如圖4 所示。在紫外線傳感器的陰極和陽(yáng)極之間加上電壓后，當(dāng)火焰中的紫外線透過(guò)石英玻璃管照射在光電面的陰極上時(shí)，由于陰極涂敷有電子放射物質(zhì)，陰極就會(huì)發(fā)射光電子。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，光電子被吸向陽(yáng)極，光電子高速運(yùn)動(dòng)時(shí)與管內(nèi)氣體分子相碰撞而使氣體分子電離，氣體電離產(chǎn)生的電子再與氣體分子相碰撞，最終使陰極和陽(yáng)極間被大量的光電子和離子所充斥，引起雪崩放電現(xiàn)象，電路中生成大的電流。當(dāng)沒(méi)有紫外線照射時(shí)，陰極和陽(yáng)極間沒(méi)有電子和離子的流動(dòng)，呈現(xiàn)出相當(dāng)高的阻抗[5]。

圖4 紫外線工作原理圖Fig.4 UV-working schematic

外圍檢測(cè)電路如圖5 所示，圖中輸入端為UV 探測(cè)器的輸出端，當(dāng)有火焰時(shí)，輸出端有較大的電流信號(hào)，電流大小可測(cè)，電流通過(guò)電阻到Q1 的基級(jí)，Q1 的集電極接Q2 的基級(jí)，之后在Q2 和Q1 的發(fā)射級(jí)就有電壓差，這樣火焰指示燈亮，同時(shí)通過(guò)電阻R8 將火焰信號(hào)傳輸給CPU。電路還可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RV1 來(lái)調(diào)節(jié)火焰探測(cè)的靈敏度。此電路組成簡(jiǎn)單，但對(duì)火焰探測(cè)非常準(zhǔn)確、靈敏。

圖5 外圍檢測(cè)電路Fig.5 Peripheral detection circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6 所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Software design diagram

1）初始化時(shí)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)State=0，關(guān)閉所有輸出。

2）外部如果有報(bào)警則State=1，這時(shí)等待遠(yuǎn)程復(fù)位信號(hào)的到來(lái)，當(dāng)有復(fù)位信號(hào)時(shí)State=2。如果外部沒(méi)報(bào)警則直接State=2。

3）State=2 進(jìn)入點(diǎn)火，點(diǎn)火之前先判斷爐內(nèi)有火沒(méi)，如果有火則不打火，沒(méi)火進(jìn)行點(diǎn)火到State=3。

4）State=3 進(jìn)行點(diǎn)火，開(kāi)啟點(diǎn)火變壓器和點(diǎn)火閥。點(diǎn)火后判斷點(diǎn)火成功否，點(diǎn)火成功State=4，點(diǎn)火不成功則輸出報(bào)警，關(guān)閉所有輸出，State=0。

5）State=4 開(kāi)啟主氣閥，裝置正常工作。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火焰電流信號(hào)，一旦無(wú)火焰電流信號(hào)則State=5。

6）State=5為熄火反應(yīng)，由模式控制開(kāi)關(guān)選擇。State=6為立即報(bào)警；State=7為延時(shí)三秒報(bào)警；State=8為重新點(diǎn)火。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)已在鋼廠投入使用，運(yùn)行良好。智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)成本低但運(yùn)行安全穩(wěn)定，能夠通過(guò)修改軟件來(lái)適應(yīng)不同的生產(chǎn)工藝，且具有軟件硬件的雙重保護(hù)和火焰實(shí)時(shí)檢測(cè)等特點(diǎn)，其運(yùn)用環(huán)境應(yīng)該更加廣闊，但智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)目前還只僅僅運(yùn)用于罩式加熱爐，相信在不久的將來(lái)，智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)會(huì)慢慢的運(yùn)用于其它的加熱爐，讓更多的鋼廠熟知。

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