基于單片機(jī)的鍋爐自動控制系統(tǒng)設(shè)計

(寶鋼集團(tuán)八鋼公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

熱水鍋爐是目前廣泛應(yīng)用于居民住宅采暖的供熱設(shè)備之一。其工作原理是，熱水鍋爐將水進(jìn)行加熱，當(dāng)水溫達(dá)到要求時，啟動循環(huán)水泵將供熱管道的水進(jìn)行加壓循環(huán)，從而使住宅內(nèi)的散熱器升溫達(dá)到采暖的目的[1-4]。

在供熱期間，由于供熱管道有一定的水量損失，為保證供熱質(zhì)量，必須通過補(bǔ)水泵對鍋爐進(jìn)行補(bǔ)水。補(bǔ)水的原則是：在設(shè)備和管道承壓能力下保證系統(tǒng)水不汽化[5-7]。

傳統(tǒng)的熱水鍋爐供熱系統(tǒng)中，循環(huán)泵的啟動和停止有由人工操作，而補(bǔ)水泵是由安裝在回水管上的電接點壓力表控制的。通過電接點壓力表設(shè)定的回水管補(bǔ)水壓力的上下限值，來控制補(bǔ)水泵的停止和工作。其中壓力上限值應(yīng)不大于管道和鍋爐所承受的最大壓力，壓力下限值應(yīng)保證系統(tǒng)水不汽化。這種補(bǔ)水控制有如下缺點：補(bǔ)水泵頻繁啟動和停止；補(bǔ)水壓力不恒定；工人勞動強(qiáng)度大，工作環(huán)境差。就各工業(yè)部門的現(xiàn)狀來看，除研制新型節(jié)能鍋爐以外，對現(xiàn)在舊設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，提高鍋爐的自動化程度也是一項極其重要的途徑[8-9]。

在設(shè)計鍋爐自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案時，考慮到現(xiàn)在市場上已經(jīng)大量供應(yīng)新器件，而且這些新器件具有功能更強(qiáng)大、運行更穩(wěn)定、應(yīng)用更簡單額、升級更方便等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)采用新型80C592單片機(jī)和新型數(shù)字式傳感器。系統(tǒng)對鍋爐水位、蒸汽壓力、經(jīng)濟(jì)燃燒等系統(tǒng)的熱工過程實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)通過面板操作，實現(xiàn)開工運行、參數(shù)顯示、不停機(jī)進(jìn)行參數(shù)修改和功能設(shè)置等。使鍋爐的安全性、操作性大大提高。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)包括信號采集系統(tǒng)、核心控制單元，供水系統(tǒng)，指示系統(tǒng)、操作單元和報警系統(tǒng)。其完成的主要系統(tǒng)功能包括：系統(tǒng)具有高低水位報警，由軟件實現(xiàn)大小泵的控制來實現(xiàn)水位的自動調(diào)節(jié)；系統(tǒng)具有高低壓報警，由軟件控制外圍電磁閥和風(fēng)機(jī)來實現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)；系統(tǒng)具有高低溫報警，由軟件控制外圍電磁閥和風(fēng)機(jī)來實現(xiàn)工作溫度的需求；系統(tǒng)具有無擾動手動切換控制以及緊急情況報警急停功能。該系統(tǒng)的工作原理，本系統(tǒng)是由信號采集裝置，微控制單元，外圍機(jī)電設(shè)備等組成。利用傳感器，采集鍋爐的高低壓，高低水位，高低極限水位以及溫度信號，將這些信號傳送到核心控制元件單片機(jī)進(jìn)行判斷，以控制外圍相應(yīng)設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)所收集到的參數(shù)超過系統(tǒng)設(shè)定的安全參數(shù)時，系統(tǒng)可以自動急?？刂?，使鍋爐停止工作。使鍋爐安全穩(wěn)定的工作，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)還采取了手動功能。正常工作時自動狀態(tài)和手動狀態(tài)操作可以隨時無擾動切換。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)分析

汽包水位是鍋爐運行的主要指標(biāo),是一個非常重要的被控變量,維持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件,這是因為:水位過高會影響汽包內(nèi)汽水分離,飽和水蒸汽帶水過多,同時過熱蒸汽溫度急劇下降。該過熱蒸汽作為汽輪機(jī)動力的話,將會損壞汽輪機(jī)葉片,影響運行的安全性與經(jīng)濟(jì)性；水位過低,說明汽包內(nèi)的水量較少,而當(dāng)負(fù)荷很大時,水的汽化速度加快,則汽包內(nèi)的水位變化速度亦隨之加快,如不及時調(diào)節(jié),就會使汽包內(nèi)的水全部汽化,導(dǎo)致爐管燒壞,甚至引起爆炸。因此,在鍋爐控制系統(tǒng)中必須對汽包水位有深入了解并在運行中嚴(yán)加控制。

在對水位信號的采集中，使用傳統(tǒng)的電極式傳感儀。考慮到可能受到“虛假液位”的影響，在軟件的編制中，在識別到高極限信號后，同時檢測是否同時處于高溫高壓狀態(tài)，如果是，說明鍋爐處于危險狀態(tài)，必須急停，如果是高溫或高壓狀態(tài)，加上一個延時程序，然后對信號進(jìn)行重復(fù)采集并比較。如果前后比較一致，執(zhí)行報警等程序，反之，則保持原樣運行。

2.2 溫度壓力傳感器

在對溫度壓力等信號采集時，系統(tǒng)可采用最新的數(shù)字式傳感器。該類型傳感器功能強(qiáng)大，具有直接對采集信號進(jìn)行數(shù)字化處理、顯示和報警設(shè)定功能，也可和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，當(dāng)采集的信號超出設(shè)定參數(shù)時，傳感器即時向單片機(jī)發(fā)出電信號，軟件可對這些信號進(jìn)行識別并作出相應(yīng)控制。

2.3 CPU選擇

CPU是微機(jī)的核心，是決定整機(jī)性的關(guān)鍵，因此在硬件設(shè)計中選取CPU的型號是很重要的。目前國內(nèi)市場上單片機(jī)的型號很多，市場上的供應(yīng)商有美國的Intel， Motorola，在Zilig公司，荷蘭的Philips，日本的NEC，德國的Siemens等公司的單片機(jī)。其中Intel公司的MCS-51系列由于其參考資料比較齊全，開發(fā)工具比較完善，在全國工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。因此，在本系統(tǒng)選用MCS-51系列的80C592芯片。

2.4 硬件電路設(shè)計

如圖1所示。

圖1 硬件電路示意圖

2.5 抗干擾隔離設(shè)計

單片機(jī)控制系統(tǒng)和強(qiáng)電控制回路共地是引起干擾的主要原因，因為強(qiáng)電控制回路中的電流和電壓往往很大，并會在強(qiáng)電用電器和地之間形成強(qiáng)大的脈動干擾。這個脈動干擾必然會通過接地不良電阻和電容耦合到單片機(jī)主機(jī)回路中。消除這些脈動干擾的最有效方法是使單片機(jī)弱電部分和強(qiáng)電控制回路隔開，在電氣連接上切斷它們彼此間的耦合通路。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中,電氣隔離通?？煞譃閱纹瑱C(jī)對開關(guān)量的輸入/輸出隔離和單片機(jī)對模擬量的隔離。

2.6 指示系統(tǒng)設(shè)計

在系統(tǒng)對設(shè)備工作狀態(tài)的指示中,為了達(dá)到引起操作人員的注意,采用白熾燈泡指示,由于單片機(jī)的輸出驅(qū)動能力小,所以必須增加驅(qū)動器來實現(xiàn)。CJ0451是雙外圍正與驅(qū)動器.圖2所示為采用CJ0451驅(qū)動預(yù)熱燈泡的實際接線圖。

圖2 CJ0451驅(qū)動預(yù)熱燈泡的實際接線圖

2.7 安全系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)鍋爐水位過高或氣壓過高時，為了保證鍋爐的運行安全，設(shè)計了兩個電磁閥，電磁閥1位于鍋爐高極限水位上部，電磁閥2位于鍋爐低極限水位下方。當(dāng)鍋爐內(nèi)處于高溫高壓狀態(tài)時，打開電磁閥1，釋放一定蒸汽。回到安全壓力時，系統(tǒng)控制電磁閥關(guān)閉。當(dāng)鍋爐內(nèi)水位超過高水位極限時，打開電磁閥2，排出一定體積的水，當(dāng)水位到高水位時，電磁閥2關(guān)閉。在正常工作時，兩個電磁閥的自設(shè)狀態(tài)均為閉合狀態(tài)。

2.8 報警系統(tǒng)

為了使現(xiàn)場人員能夠及時地監(jiān)視鍋爐的生產(chǎn)情況，整個系統(tǒng)設(shè)計有四個報警系統(tǒng)，即水位上、下限，以及蒸汽壓力上限報警。這里采用軟硬件相結(jié)合的方式進(jìn)行報警。

系統(tǒng)采用軟件報警程序，即將被測參數(shù)與規(guī)定的上、下限值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行報警或處理，整個過程都有軟件實現(xiàn)。要求當(dāng)系統(tǒng)各參數(shù)全部正常時，綠燈亮。若某一個參數(shù)不正常，將發(fā)出聲光報警信號。由于各位都接有反向驅(qū)動器，所以，當(dāng)某位為“1”時，該為指示燈亮。本程序的設(shè)計思想是設(shè)兩種報警模式，一種報警是蜂鳴一定時間后自動停止，用于工作狀態(tài)時出現(xiàn)的不正常狀態(tài)報警，此時鍋爐處于自動調(diào)節(jié)范圍，經(jīng)過自動調(diào)節(jié)可恢復(fù)正常工作狀態(tài)。一種是閃光緊急報警，需操作人員手動消音。用于鍋爐處于緊急危險狀態(tài)，必須操作人員緊急處理的情況。

3 軟件設(shè)計

軟件程序由主程序和子程序組成，軟件主要抗干擾措施：

3.1 為了防止程序失控設(shè)立了軟件陷阱

當(dāng)程序由于外部干擾或硬件瞬時故障使得程序計數(shù)器偏離了原定的值，如PC應(yīng)加3，由于上述原因?qū)嶋H加2，程序?qū)巡僮鞔a和和操作數(shù)混淆起來，造成一系列錯誤。為防止這種情況，在RAM中，每隔十幾條指令，把連續(xù)的幾個單元置成＂00＂(空操作)。當(dāng)程序失控是，只要進(jìn)入這眾多的軟件陷阱中的任何一個，都會被捕，連續(xù)進(jìn)行幾個空操作，程序自動恢復(fù)正常，繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。

3.2 為防止程序死循環(huán)，采用時間監(jiān)視器

即利用計數(shù)器靠系統(tǒng)時鐘進(jìn)行記數(shù)，當(dāng)計數(shù)器滿時，將由計數(shù)器產(chǎn)生一個復(fù)位信號，強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，使系統(tǒng)重新執(zhí)行程序。在正常情況下，每隔一段時間，程序使計數(shù)器清零，這樣，計數(shù)器就不會計滿，因而不會產(chǎn)生復(fù)位。但是如果程序陷入死循環(huán)，計數(shù)器將計滿而產(chǎn)生溢出信號，是系統(tǒng)復(fù)位，程序重新開始啟動。可以消除外部對程序的干擾。

4 結(jié) 論

采用新型單片機(jī)和新型傳感器技術(shù)對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行自動控制改造，成本低，技術(shù)先進(jìn)，功能強(qiáng)，硬件電路簡單，軟件設(shè)計簡潔，可靠性高，系統(tǒng)二次開發(fā)空間大，很有應(yīng)用前景。

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