基于單片機(jī)的自潔式空氣過濾器反吹控制系統(tǒng)設(shè)計

石 蕾，王景存，吳曉鵬

（1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081；2.武漢鋼鐵工程技術(shù)集團(tuán)有限責(zé)任公司智能儀表分公司，武漢 430000）

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，壓縮空氣已成為不可缺少的動力和資源。然而空氣中含有灰塵等雜質(zhì)，如果空氣直接吸入壓縮機(jī)，就可能會損壞空氣壓縮機(jī)葉片氣缸，也會造成設(shè)備閥門管線的阻塞[1]。因此經(jīng)常需要將空氣經(jīng)過前置空氣過濾器過濾后再使用。前置空氣過濾器從結(jié)構(gòu)形式上分類有干帶式過濾器、袋式過濾器、自潔式空氣過濾器。目前在制氧機(jī)設(shè)備上普遍采用自潔式空氣過濾器。

現(xiàn)有的自潔式空氣過濾器通常通過反吹控制系統(tǒng)來完成過濾器自身的清潔。目前的反吹控制系統(tǒng)存在以下不足：（1）系統(tǒng)可擴(kuò)展性、可維護(hù)性差，人機(jī)界面單一、操作復(fù)雜；（2）缺少反吹系統(tǒng)自身的故障檢測，無法自動檢測出某個反吹電磁閥發(fā)生故障；（3）缺少網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)針對以上問題，結(jié)合工業(yè)需要，設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)的自潔式空氣過濾器反吹系統(tǒng)。由于篇幅有限本文只詳細(xì)介紹系統(tǒng)總體設(shè)計、壓差信號調(diào)理電路、故障檢測電路及軟件基本思路。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計需求

本系統(tǒng)需完成4項工作：（1）控制反吹電磁閥陣列（8×5，每套系統(tǒng)有5個插板式控制板，每個板上可控制8個反吹電磁閥）以設(shè)定的周期和開閉時間輪流開啟；（2）通過差壓傳感器獲取壓差信號（0～1000 Pa），若壓差高于門限設(shè)定值，需增加反吹電磁閥的開啟時間，加大反吹力度，若壓差高于報警設(shè)定值，需報警提示人工干預(yù)；（3）定期進(jìn)行系統(tǒng)自動自檢，監(jiān)測并顯示所有電磁閥工作是否正常；（4）實現(xiàn)多套控制系統(tǒng)與上位機(jī)（PC機(jī)）的以太網(wǎng)通信，完成PC機(jī)對多套反吹控制系統(tǒng)的檢測和控制。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示，每套系統(tǒng)由1塊主控板和若干塊驅(qū)動與檢測板組成。驅(qū)動與檢測板為插板式結(jié)構(gòu)便于維護(hù)和擴(kuò)展。系統(tǒng)采用5個串并轉(zhuǎn)換芯片74LS595AN級聯(lián)，前級的串行輸出作為后級串行輸入，每一級的并行輸出直接輸入到反吹電磁閥。這樣，單片機(jī)只需要幾個I/O口，經(jīng)過40個時鐘周期，就可以完成對8×5反吹電磁閥陣列的一次配置。同理，電磁閥故障檢測時采用5個并串轉(zhuǎn)換芯片SN74LS165級聯(lián)，單片機(jī)通過幾個I/O口經(jīng)過40個時鐘周期，就可讀取所有反吹電磁閥工作狀態(tài)。單片機(jī)每隔10 ms對40個反吹電磁閥開關(guān)進(jìn)行一次寫操作。寫操作完成后，再連續(xù)執(zhí)行數(shù)次讀操作，以檢測電磁閥工作狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

反吹時間和間隔時間的時序如圖2所示，各時間均可以由參數(shù)設(shè)定。

圖2 反吹系統(tǒng)時序圖Fig.2 Sequence diagram of reverse blowing system

2 主要硬件設(shè)計

系統(tǒng)的主要硬件模塊包括壓差信號調(diào)理電路、電磁閥驅(qū)動及故障檢測電路以及以太網(wǎng)接口電路。

2.1 壓差信號調(diào)理電路

采用型號為HSTL-FY01的壓力傳感器，它將0～1000 Pa的壓差值轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流值。信號調(diào)理的目的就是把4～20 mA的電流轉(zhuǎn)換為可供AD采樣的0～5 V的電壓。

為盡量避免電源波動、運(yùn)放失調(diào)、漂移對轉(zhuǎn)換精度的影響，本系統(tǒng)采用改進(jìn)的調(diào)理電路，如圖3所示，對運(yùn)放的供電采用TL431組成的高精度穩(wěn)壓電路[2]。運(yùn)算放大器選擇使用高精度低失調(diào)的OP07，其參數(shù)及調(diào)零電路保證輸入電壓為0時，輸出電壓為0。濾波電容器C0和2只1N4148二極管對輸入信號可能出現(xiàn)的危險電壓進(jìn)行保護(hù)。

電路中，TL431分別輸出正負(fù)的穩(wěn)定電壓。ICD作電壓跟隨器。PNP管增強(qiáng)跟隨器的驅(qū)動能力。ICD與PNP組成穩(wěn)壓模塊，保證V2電壓與V1相等。V1電壓為R8、R6對TL431輸出的分壓。選擇合適的阻值，U2可穩(wěn)壓在一定的負(fù)值，保證輸入電流為4 mA時，輸出為0 V。ICC做運(yùn)算放大器，放大倍數(shù)由R13、R14決定，ICC由TL431輸出的雙電源供電，可使輸出達(dá)到5 V。由于傳感器的誤差，可能導(dǎo)致輸入電流邊界值不準(zhǔn)，可微調(diào)R6對零點(diǎn)進(jìn)行校正，微調(diào)R13對滿度進(jìn)行校正。對于重要電阻 R1、R6、R8、R13、R14，應(yīng)采用精度為0.1‰的精密電阻。

信號調(diào)理電路輸出的0～5 V電壓需經(jīng)AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，可用ATMEGA128自帶的10位AD。0～1000 Pa的壓差與0～5 V電壓并非線性關(guān)系，需對它們的轉(zhuǎn)換進(jìn)行分段線性化。本系統(tǒng)對壓差與電壓曲線分10段進(jìn)行了線性化，以提高映射的精度。

2.2 電磁閥驅(qū)動與檢測

來自74LS595的對反吹電磁閥的控制信號采用光電隔離，經(jīng)過零觸發(fā)后由可控硅輸出控制，電路圖如圖4所示。若此次需打開某反吹電磁閥，74LS595輸出的低電位信號通過光耦控制可控硅導(dǎo)通，將有220 V的交流信號通過互感線圈的原邊，即圖中所示的F1的1、2腳，驅(qū)動反吹電磁閥。

圖4 輸出與故障檢測電路Fig.4 Output and fault detection circuit

555定時器與三極管組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，若電磁閥沒有故障，即有電流通過互感線圈F1，線圈3、4腳將有感應(yīng)電流的脈沖，三極管導(dǎo)通，555定時器的觸發(fā)引腳被拉低一個窄脈沖，在555的輸出端產(chǎn)生一個寬的固定周期的方波，便于單片機(jī)讀取，以提高故障檢測的正確率。脈沖寬度約為Tw。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖如圖5所示，Tw≈1.1×C5×R25。

圖5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形Fig.5 Monostable flip-flop signal waveform

單片機(jī)在Tw時間內(nèi)執(zhí)行10次讀操作。若有超過7次為低電平，則判斷該反吹電磁閥出現(xiàn)故障。這種機(jī)制有效提高了故障診斷的正確率。

2.3 以太網(wǎng)接口電路

一般多個控制器 （節(jié)點(diǎn)）與PC機(jī)組網(wǎng)采用RS485總線互聯(lián)，由于它是總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，整個網(wǎng)絡(luò)就無法通信，另外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)的距離超過1200 m，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼`碼率也將顯著增加[3]，基于以上考慮，本系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)的方式進(jìn)行組網(wǎng)，這種方式傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高，且不用考慮沖突問題。

每個節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)接口電路采用網(wǎng)絡(luò)模塊USR_TCP232_S實現(xiàn)，它集成了10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，內(nèi)部主要由MAX232、網(wǎng)卡芯片、微處理器及網(wǎng)絡(luò)變壓器組成。串口通信最高波特率高達(dá)230.4 kb/s。其硬件連接圖如圖6所示。

圖6 以太網(wǎng)接口電路Fig.6 Ethernet interface circuit

數(shù)據(jù)發(fā)送：單片機(jī)將需要發(fā)送到PC機(jī)的數(shù)據(jù)按照傳輸模式的格式打包，通過串口發(fā)送給USR_TCP232_S，USR_TCP232_S以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的格式通過交換機(jī)發(fā)送給PC機(jī)。

接收過程：USR_TCP232_S對PC機(jī)發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，將解析后的數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送給單片機(jī)。

在使用網(wǎng)絡(luò)模塊之前，須對模塊的本地IP地址、網(wǎng)關(guān)、傳輸模式等進(jìn)行初始化配置[4]。

3 主要軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件2部分組成。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)以設(shè)定的周期輪流開啟反吹電磁閥，并設(shè)定反吹電磁閥的導(dǎo)通時間，同時檢測壓差值和電磁閥的工作狀態(tài)?？刂破鬟x用單片機(jī)AVR ATMEGA128，在ICC AVR集成開發(fā)環(huán)境中采用C語言編寫程序。程序流程圖如圖7所示。

圖7 下位機(jī)軟件流程圖Fig.7 Program flow chart of computer software

程序初始化后，檢查壓差值是否高于報警值（初始值為900 Pa，可調(diào)），若高于報警值，報警并將反吹時間設(shè)為T2。若低于報警值，則檢查壓差值是否高于門限值（初始值為650 Pa，可調(diào)）。若高于門限值，反吹時間設(shè)為T2（初始值為0.6 s，可調(diào)），若低于門限值，反吹時間設(shè)為T1（初始值為0.3 s，可調(diào)）。反吹間隔時間到后，進(jìn)行一次寫操作，將5字節(jié)的控制字串行輸出，隨后進(jìn)行多次讀操作，判斷電磁閥工作狀態(tài)。經(jīng)過間隔時間（初始值為600 s，可調(diào)）后，判斷是否驅(qū)動了最后一個電磁閥，如是，則重新開始驅(qū)動第一個電磁閥；不是，則驅(qū)動下一個電磁閥。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用VC++進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計，其本身提供了基于傳輸層TCP和UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信接口，方便設(shè)計。

傳輸層主要有TCP和UDP 2種工作模式。TCP模式是一種面向連接的傳送方式，在數(shù)據(jù)傳送前，雙方都必須建立連接，在收到對方的響應(yīng)信號后啟動數(shù)據(jù)的傳輸，適用于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。UDP模式相對簡單，可以直接廣播數(shù)據(jù)，適合于和多點(diǎn)通信。本系統(tǒng)最終要實現(xiàn)多個反吹控制系統(tǒng)與PC機(jī)組網(wǎng)，屬于一對多通信，并且所有節(jié)點(diǎn)都在一個局域網(wǎng)內(nèi)，數(shù)據(jù)吞吐量不大，很少發(fā)生丟包現(xiàn)象。因此本系統(tǒng)選擇UDP模式。

上位機(jī)向下位機(jī)通信數(shù)據(jù)主要包括：（1）控制參數(shù)數(shù)據(jù)包（報警壓差、門限壓差、電磁閥間隔時間、門限下反吹時間及門限上反吹時間等控制參數(shù)信息）；（2）系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)包（電磁閥配置路數(shù)及系統(tǒng)時間配置信息）；（3）控制命令數(shù)據(jù)包（復(fù)位、啟動、停止、清除報警等命令信息）。

下位機(jī)向上位機(jī)通信數(shù)據(jù)主要包括：當(dāng)前壓差值、當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)（工作、停止、報警）及當(dāng)前電磁閥狀態(tài)（是否故障）。

4 結(jié)果及分析

4.1 系統(tǒng)控制效果

本系統(tǒng)在某制氧廠實施新的控制系統(tǒng)后，反吹氣量適中，實施后每2周檢查一次，持續(xù)3個月。系統(tǒng)自動檢查確認(rèn)2次電磁閥故障并及時報警。滿足了工藝要求，使壓縮空氣得到了凈化，并延長了過濾器其他部件的更換周期。反吹系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4.2 壓差數(shù)據(jù)檢測分析

經(jīng)過多次實驗，部分壓差檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 壓力測量測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of pressure measurement

由表1可以看出，本系統(tǒng)實現(xiàn)了對氣壓值的較高精度測量?；菊`差在±2.5%以內(nèi)，完全滿足工藝要求。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用新型智能電路設(shè)計，利用并串轉(zhuǎn)換芯片級聯(lián)的方式控制反吹電磁閥陣列，有效地提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性；部分關(guān)鍵電路的設(shè)計方法保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；創(chuàng)新性地增加了系統(tǒng)的自檢功能，提高了系統(tǒng)的整體性能；以太網(wǎng)的接入也使得PC機(jī)可對多個控制器進(jìn)行監(jiān)視和控制。目前本系統(tǒng)已成功運(yùn)用于工業(yè)過程控制中。

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