基于STM32F103C8T6智能電磁振打控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉小剛 張紅飆 鄭鑫 劉錫堯

摘要

電除塵技術(shù)在環(huán)保行業(yè)中占有重要的地位，而智能電磁振打控制系統(tǒng)是電除塵清灰控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵。智能電磁振打控制系統(tǒng)以STM32F103C8T6可編程控制器為核心進(jìn)行開發(fā)，采用SCR控制技術(shù)來驅(qū)動(dòng)振打器，并且結(jié)合合信TP07觸摸屏作為人機(jī)交互界面，使操作可視化。該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了智能過流、過壓保護(hù)電路，可靠性高，響應(yīng)速度快適應(yīng)性強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】電除塵振打系統(tǒng) STM32F103C8T6SCR技術(shù) 系統(tǒng) 電磁振打

目前，根據(jù)相關(guān)行業(yè)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，我國(guó)的粉塵排放總量己高達(dá)1740萬噸，僅僅電力這一行業(yè)每年的排放量就達(dá)420萬噸。我國(guó)每年因?yàn)榄h(huán)境污染而造成的經(jīng)濟(jì)損失約為540億美元，因?yàn)榄h(huán)境生態(tài)而導(dǎo)致的自然災(zāi)害和其治理成本約占整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的5%左右，解決工業(yè)粉塵排放一直是我國(guó)政府的關(guān)注焦點(diǎn)。

當(dāng)前我國(guó)采用的主要除塵技術(shù)是煙氣粉塵脫離除塵，其技術(shù)主要有袋式除塵器和電除塵器兩種應(yīng)用，電除塵器包括放電極和收塵極，在放電電極端產(chǎn)生一個(gè)足以使氣體電離的靜電場(chǎng)，當(dāng)粉塵氣體經(jīng)過時(shí)會(huì)由于強(qiáng)電場(chǎng)的作用下電離，并使粉塵帶電，利用電場(chǎng)力使粉塵粒子向收塵電極方向運(yùn)動(dòng)并在收塵電極上沉積。當(dāng)收塵極表面沉積一定厚度粉塵時(shí)，將直接影響除塵效率。因此，有效的清除電極板上的粉塵，是電除塵器能否高效穩(wěn)定運(yùn)行的前提。頂部振打清灰技術(shù)，可以有效的清除兩個(gè)電極板上的沉積粉塵。

電除塵器能否穩(wěn)定高效運(yùn)行，主要取決于電極板上的粉塵有無有效清除，如果振打的力度過小的話，會(huì)引起嚴(yán)重的反向電暈，而反向電暈會(huì)使電暈持續(xù)增大，除塵效率就會(huì)下降而當(dāng)振打力太大的時(shí)候，從極板上剝落的粉塵難形成片塊狀落下，容易形成“二次揚(yáng)塵”，而且對(duì)振打系統(tǒng)的整個(gè)機(jī)械損耗很大。因此，智能電磁振打控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究就顯得非常重要。

1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

智能電磁振打控制系統(tǒng)包括主系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)單元兩個(gè)部分，主系統(tǒng)主要包含主控系統(tǒng)和人機(jī)交互界面，而振打器的正常工作則由驅(qū)動(dòng)單元負(fù)責(zé)。核心控制器通過MODBUS協(xié)議來獲取人機(jī)界面所設(shè)置的相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算后通過控制器輸出一系列脈沖來啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元，并且通過反饋信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)單元輸出電流及振打高度來判斷相控角是否準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6作為核心控制器，驅(qū)動(dòng)單元采用單相半控橋式整流電路，結(jié)合TP07觸摸屏、VL53LOX、TA20FL-100以及MAX485E等組成整個(gè)系統(tǒng)。如圖1所示。

1.1 核心控制器原理圖設(shè)計(jì)

核心控制器模塊包含兩部分電路，一部分電路是以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心控制芯片的最小系統(tǒng)電路，如圖2所示。該電路包括了晶振電路、復(fù)位電路、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片電路以及單片機(jī)穩(wěn)定工作需要的去耦電容。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，STM32F103C8T6通過檢測(cè)電壓電路送來的信號(hào)來判斷電路是否處于正常工作電壓范圍內(nèi)，然后通過接收觸摸屏發(fā)過來的工作參數(shù)，通過計(jì)算后輸出相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖至驅(qū)動(dòng)單元，然后通過反饋采集系統(tǒng)來采集信號(hào)，分析運(yùn)行效果是否與期望相同，如果實(shí)際運(yùn)行效果與期望效果相差太遠(yuǎn)，則電路暫停輸出。

另一部分是由同步信號(hào)電路、電壓檢測(cè)電路及電流檢測(cè)電路組成，同步信號(hào)檢測(cè)電路如圖3所示。同步信號(hào)電路由三極管Q3及其電路構(gòu)成，當(dāng)三極管Q3的B點(diǎn)電位高于E點(diǎn)電位約0.7V時(shí)，此時(shí)C點(diǎn)的電位高于B點(diǎn)電位，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，且集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此三極管Q3處于工作狀態(tài)，則TB輸出低電平;反之則輸出高電平。其波形如圖4所示，其中B波形為整流后的交流電信號(hào)，A波形為同步信號(hào)輸出，即交流電的零點(diǎn)所在。

如圖3-5所示，電壓檢測(cè)電路采用電阻分壓形式來采樣，根據(jù)歐姆定律U=IR可得：

U_a為輸入到單片機(jī)的電壓信號(hào)

U_in為整流后的交流電信號(hào)

因此，STM32F103C8T6通過檢測(cè)Ua的電壓值就可以得到U_in的電壓值，假設(shè)U_a為2.52V，R₁₆為200Ω，已知變壓器匝數(shù)比為220/9，那么由公式（1）即可算出Uin為9.44V，則供電電壓大約為230V，處于正常工作電壓。

如圖6，驅(qū)動(dòng)板上的輸出電流由霍爾電流互感器TA20-100測(cè)定，TA20-100變比為1000：1，輸入電流為0-20A，輸出電流為0-20mA，取樣電阻為400Ω，則取樣電壓為0-8V，取樣電壓經(jīng)過整流器整流，電阻分壓限流后送入處理器，處理器通過AD轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前電流大小。

1.2 晶閘管觸發(fā)電路

閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，如圖7所示，由555多諧振蕩電路、V1、V2、V3構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)以及脈沖變壓器和附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)組成晶閘管觸發(fā)電路。

核心控制器送來處理完的觸發(fā)信號(hào)至GK時(shí)，光耦導(dǎo)通，555多諧振蕩電路輸出頻率固定的矩形波，為了使脈沖變壓器穩(wěn)定工作，通常555多諧振蕩電路輸出頻率接近于脈沖變壓器的工作頻率。即

由式（2）可知，555多諧振蕩電路輸出頻率約為23.31KHz。

2 軟件的總體設(shè)計(jì)

軟件整體的設(shè)計(jì)思想如圖8所示，控制系統(tǒng)上電后對(duì)STM32F103C8T6和觸摸屏初始化，核心控制板與觸摸屏通信連接，之后STM32F103C8T6通過對(duì)供電電源的電壓采樣，計(jì)算是否處于正常工作電壓。如果處于正常工作電壓，接著核心控制塊通過MODBUS協(xié)議讀取觸摸屏發(fā)來的數(shù)據(jù)判斷是否開始，如果未開始，則繼續(xù)等待;如果觸摸屏點(diǎn)擊開始，STM32F103C8T6判斷設(shè)置的導(dǎo)通角、振打強(qiáng)度是否在正常范圍內(nèi)，如果超出正常范圍，則發(fā)送數(shù)據(jù)至觸摸屏觸發(fā)報(bào)警文本，假如在正常范圍內(nèi)的話，則STM32F103C8T6將緩沖區(qū)的導(dǎo)通角、振打強(qiáng)度取出進(jìn)行計(jì)算后輸出一系列觸發(fā)脈沖給驅(qū)動(dòng)控制單元。

在輸出觸發(fā)脈沖給驅(qū)動(dòng)控制單元的同時(shí)反饋采集系統(tǒng)開始工作，對(duì)一次電流進(jìn)行采樣整流分壓后送入STM32F103C8T6，STM32F103C8T6對(duì)一次電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并推算出電流是否超限，如果超限，則立即停止輸出觸發(fā)脈沖，防止晶閘管燒毀;如果電流處于正常范圍，則繼續(xù)工作，直至振打次數(shù)為零。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

在測(cè)試完各個(gè)模塊后，將整個(gè)系統(tǒng)組合在一起測(cè)試，控制系統(tǒng)整機(jī)裝置如圖9所示。

在整個(gè)測(cè)試中，參數(shù)均可通過觸摸屏調(diào)整，當(dāng)參數(shù)超出振打器能承受范圍時(shí)，觸摸屏顯示報(bào)警文本，本控制系統(tǒng)可以根據(jù)使用現(xiàn)場(chǎng)的工況隨時(shí)對(duì)高度進(jìn)行設(shè)置，方便可靠。

智能振打控制系統(tǒng)的輸出是由導(dǎo)通角和振打強(qiáng)度來決定的，在振打強(qiáng)度一定的時(shí)候，改變導(dǎo)通角，其輸出的一次電流強(qiáng)度和高度隨之變化，所有數(shù)據(jù)均采樣五次取平均，振打強(qiáng)度為10時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

將表1數(shù)據(jù)用坐標(biāo)系的形式來繪制出關(guān)系曲線，如圖1。所示，由圖可知，在導(dǎo)通角30°～90°時(shí)，高度值和導(dǎo)通角θ的曲線關(guān)系通過MATLAB擬合為函數(shù)y=-0.0002*x^3+0.0235*x^2+2.9194*x^1+-5.5201（其中x為導(dǎo)通角）;在導(dǎo)通角90°～120°時(shí)，高度隨導(dǎo)通角變化關(guān)系不明顯。由此可知，在振打強(qiáng)度為10的時(shí)候，導(dǎo)通角30°～90°比較時(shí)候振打器穩(wěn)定工作，高于90°，則振打高度變化微小，易造成晶閘管發(fā)熱嚴(yán)重。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)利用SCR控制技術(shù)來驅(qū)動(dòng)振打器;單片機(jī)通過RS-485接口和觸摸屏通信，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制;在振打過程中，控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)過程當(dāng)中的每個(gè)參量進(jìn)行檢測(cè)，一旦有指數(shù)超標(biāo)，驅(qū)動(dòng)單元即刻停止輸出，同時(shí)顯示報(bào)警文本告知差錯(cuò)原因。系統(tǒng)在傳統(tǒng)工業(yè)中的電磁振打技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合人機(jī)界面及晶閘管控制技術(shù)，使整個(gè)控制達(dá)到智能化、可視化的操作流程和界面，在改變電磁振打的控制方式的同時(shí)，又提高了工作效率、降低了其生產(chǎn)成本，有利于增加其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和易于市場(chǎng)推廣。

（通訊作者：劉錫堯）

參考文獻(xiàn)

[1]李剛，鄒聲華.翻車機(jī)粉塵治理研究與實(shí)踐[J].環(huán)境工程，2008，26（05）：25-27.

[2]王涌.電除塵器頂部振打控制系統(tǒng)研究[D].浙江：工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，2009.

[3]蘇麗營(yíng).高壓靜電除塵在海帶業(yè)中的應(yīng)用研究[D].大連理工大學(xué)，2005.

[4]童長(zhǎng)飛.單片機(jī)開發(fā)與C語言編程[M].北京：北京航空航天出版社，2005.

[5]孫立升.單相相控整流電路的應(yīng)用[J].硅谷，2013，9：102-102.

[6]宋巖.ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京.北京航空航天大學(xué)出版社.2014.

[7]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.