（控制科学与工程专业论文）富氧陶瓷窑炉单片机控制系统设计.pdf

独创性声明 删 y 1 8 7 9 芗茑墨。 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：_ l 馨啦日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名。妖修土导师签名： 日期：扣i l l 6 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文以国家科技部项目“陶瓷窑炉先进控制与健康监测技术及装备研究 ( 2 0 0 9 g j d l 0 0 4 2 ) ”和湖北省科技专项资金计划项目( 鄂科技发计( 2 0 0 7 ) 1 0 1 号) ：“高性能陶瓷窑炉装备关键技术开发及示范一先进控制 为背景，开展武 汉理工大学研究生自主创新基金项目“富氧陶瓷窑炉单片机控制系统设计 的 研究工作。利用已有的富氧陶瓷窑炉试验平台，根据富氧燃烧的工艺要求，针 对富氧陶瓷窑炉的温度、气氛、压力的强耦合，以及窑炉温度的大惯性、纯滞 后、非线性的特性，以单个烧嘴为研究对象，。设计出一套具有自主知识产权的 高性能、低成本的富氧陶瓷窑炉专用控制器。开发的控制器供操作人员研究不 同燃烧条件下的节能减排效果。本文所做工作及取得的成果如下： ( 1 ) 根据富氧陶瓷窑炉试验台的控制要求，选定单片机+ v c 的控制方式 作为本文的控制方案，并设计了总体控制方案； ( 2 ) 完成了富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的硬件电路设计，包括模数转 换电路、数模转换电路、电压电流转换电路等，单片机采集到现场的信号后通 过串口送往上位机显示和处理，单片机收到上位机的命令后控制现场的设备： ( 3 ) 对富氧陶瓷窑炉的控制算法做了研究，文中采用模糊自适应p i d 控 制技术，该方法能减少系统调节时间，减小超调，提高控制精度；采用温度、 压力和气氛协调控制的手段，可以保证产品质量，提高整个系统的控制性能； ( 4 ) 完成了富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的软件设计，包括多路信号采 集及模数转换、数模转换，加热炉的控制等的软件设计，还包括上位机和变频 器之间采用m o d b u s 协议进行通信的软件设计； ( 5 ) 采用燃气富氧燃烧、燃油富氧燃烧和改变助燃风温度的气体燃烧试 验研究陶瓷辊道窑能耗、废气排放、n o x 浓度和窑炉火焰特性，并检验设计的 富氧陶瓷窑炉专用控制器的控制效果。 试验证明，以单个烧嘴为研究对象开发的富氧陶瓷窑炉专用控制器的控制 精度较高、可靠性较好，控制方式比较灵活，性价比较高，能够达到节能减排 的效果。 关键词：单片机，富氧燃烧，模糊控制 a bs t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nu s em i n i s t r yo fn a t i b n a ls c i e n c ea n dt e c h n i q u ep r o j e c t t a d v a n c e dc o n t r o la n dh e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n i q u ea n de q u i p m e n tr e s e a r c ho f c e r a m i ck i l n ( 2 0 0 9 g j d10 0 4 2 ) a n dh u b e ip r o v i n c et e c h n o l o g ys p e c i a lf u n dp l a n p r o j e c t ( h u b e i p r o v i n c e t e c h n o l o g y ( 2 0 0 7 ) n o 1 0 1 ) “d e m o n s t r a t i o na n d d e v e l o p m e n to nk e yt e c h n o l o g yo fh i g hp e r f o r m a n c ec e r a m i ck i l ne q u i p m e n t - a d v a n c e dc o n t r o l ”a sb a c k g r o u n d ，c a r r y o u tt h er e s e a r c ho fp o s t g r a d u a t e i n d e p e n d e n ti n n o v a t i o nf u n dp r o j e c to fw u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y d e s i g no f s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ms y s t e m f o ro x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i c k i l n u s i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fo x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i c k i l nw h i c hi s a l r e a d ye x i s t i n g ，a c c o r d i n g t ot h e o x y g e n - e n r i c h e d c o m b u s t i o nt e c h n o l o g y , c o n t r a r y t ot h e s t r o n gc o u p l i n g o ft e m p e r a t u r e ，a t m o s p h e r e ，p r e s s u r eo f o x y g e n e n r i c h e dc e r a m i ck i i n , a n dt h ef e a t u r e so fl a r g ei n e r t i a , p u r et i m e - d e l a y , n o n l i n e a ro ft h et e m p e r a t u r eo fo x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i ck i l n t h i sd i s s e r t a t i o n t a k e s i n g l e b u r n e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，ap o s s e s si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t y , h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s to x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i ck i l ns i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n t r o ls y s t e m w h i c hi sa l r e a d yd e v d o p e du s ef o rr e s e a r c h i n gt h ee f f e c to fe n e r g ys a v i n ga n d e m i s s i o nr e d u c t i o nb yo p e r a t o r w h a th a v ed o n ea n da c h i e v e m e n t so b t a i n e da l ea s f o l l o w s ： f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so fo x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i c k i l n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，t h ec o n t r o lm e t h o d o fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n dv ci s u s e da sc o n t r o lm e t h o di nt h i sd i s s e r t a t i o n ； s e c o n d l y , t h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i th a sb e e nf i n i s h e do fo x y g e n - e n r i c h e d c e r a m i ck i l ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d e sa n a l o g d i g i t a l c o n v e r s i o nc i r c u i t ，d i g i t a l - a n a l o gc o n v e r s i o nc i r c u i t ，v o l t a g ea n dc u r r e n tc o n v e r s i o n c i r c u i t ，t h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri su s e df o rc o l l e c t i n gf i e l ds i n g a l s ，t h ed a t ai s t r a n s m i t e dt ou p p e rc o m p u t e rb ys e r i a lp o r ta n dd i s p l a y e do nu p p e rc o m p u t e r , a f t e r i i 恤如西e 出pc o m p u t e rr e c e i v i n gc o m m a n d sf r o mu p p e rc o m p u t e r 1 t c o n n d l s f i e l de q u i p m e n t ； t l l i r d l vr e s e a r c h e dc o n l la l g o r i t h mo fo x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i ck i l n , f u z z y 博郅d a p t i v ep i dc o n t r o lt e c h n o l o g yi s u s e di nt h i sp a p e r , t h i st e c h n o l o g yc 眦 r e l 如c er c g u l a t l n gt i m ea n do v e r s h o o t ，i m p r o v ec o n t r o la c c u r a c y , u s i n g c 0 0 r d l n a t l o n c o n t r 0 1o ft e m p e r a t u r e ，a t m o s p h e r e ，p r e s s u r e c a l la s s u r ep r o d u c tq u a l i t y a l l d i m p r o v ec o n t r o lp e r f o r m a n c e o ft h es y s t e m ； f o u m l l vt h es o 胁雒ed e s i g no fo x y g e n - e n r i c h e dc e r a m i ck i l ns i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nf i n i s h e d ，i n c l u d e sc o l l e c t t i n gm u l t i c h a i l n c l s i 掣试s a n da n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n , d i g i t a l - a n a l o g c o n v e r s l o n ，a l s o , t h e i i i l p l e m c n t a ：t i o nm e t h o db e t w e e nu p p e rc o m p u t e ra n dt w of r e q u e n c y c o n v e r t e rb y t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fm o d b u s ； f i n a l l y r e s e a r c h e de n e r g yc o n s u m p t i o n ，e x h a u s te m i s s i o n ，n o xc o n c e n t r a t i o n ， n 锄ec l 脚t e r i s t i c o f o x y g e n e n r i c h e d c e r a m i ck i l nb yu s i n g f u e l g a s o x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o n ，a n dr e s t e d t h e c o n t r o le f f e c to fo x y g e n - 训c h e d c e r a m i ck i l ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ； e x p 商m e n ：t a je v i d e n c e ，t a k es i n g l eb u m d r a st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ec o i l _ 昀l l e r o fo x y g e n e i l r i c h e dc e r a m i ck i l nh a sh i g l l c o n t r o lp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y i t s c o n 仃o lm o d ei sf l e x i b l e i th a st l i g l lp e r f o r m a n c ep r i c er a t i oa n dc a i lr e a l i z et h e e f f e c to fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n k e v w b r d s ：s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , o x y g e n 。e n r i c h e d c o m b u s t i o n ，f i l z 巧 c o n w 0 1 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义，l 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文主要研究内容4 第2 章富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的总体方案设计6 2 1 富氧陶瓷窑炉试验台的结构6 2 2 富氧陶瓷窑炉试验台的控制要求7 2 3 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的控制方案设计8 2 3 1 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的结构设计8 2 3 2 富氧陶瓷窑炉的控制器结构设计9 2 4 本章小结1 1 第3 章富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的硬件设计1 3 3 1 多路信号采集及调理电路1 3 3 2 数模转换电路1 8 3 3 电压电流转换电路1 9 3 4 多路执行器控制电路2 1 3 5 加热炉控制电路2 5 3 6 串口通信电路2 6 3 7 电源电路2 7 3 8 硬件电路可靠性设计2 7 3 8 1 单片机的抗干扰措施。2 7 3 8 2 控制器电路的抗干扰措施2 8 3 9 本章小结2 9 第4 章富氧陶瓷窑炉的算法研究3 l 4 1 陶瓷窑炉的传统控制方法：。31 4 2 陶瓷窑炉的模糊自适应p i d 控制算法3 3 4 3 助燃风温度的控制算法3 7 4 4 富氧陶瓷窑炉多变量的协调控制方法3 9 4 5 本章小结。4 0 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的软件设计4 2 5 1 多路数据采集及模数转换软件设计4 3 5 1 1 多路数据采集软件设计4 3 5 1 2 模数转换软件设计4 4 5 2 数模转换软件设计4 8 5 3 多路执行器控制的软件设计5 l 5 4 控制系统之间通信的软件设计5 1 5 5 本章小结5 4 第6 章富氧陶瓷窑炉富氧燃烧试验研究5 5 6 1 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统试验台的搭建。5 5 6 2 燃气富氧燃烧试验5 7 6 2 1 燃气富氧燃烧对燃气量的影响5 7 6 2 2 燃气富氧燃烧对废气排放的影响。5 8 6 2 3 燃气富氧燃烧对火焰特性的影响。5 9 6 3 改变助燃风温度的气体燃烧试验6 0 6 4 燃油富氧燃烧试验。6 1 6 5 试验结论6 3 6 6 本章小结“ 第7 章全文总结与展望掣6 5 7 1 全文总结6 5 7 2 前景展望6 6 参考文献6 7 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文7 0 作者在攻读硕士学位期间参加的项目。7 0 致谢。7 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着社会的发展，陶瓷产品在生活中的使用量越来越大，建筑、装饰、 教育等各行业都会用到。据统计，目前我国陶瓷的年生产量已经达到全球总 量的5 0 以上，日用和艺术类陶瓷的占有量已经过全球市场的4 0 ，俨然， 我国已成为全世界陶瓷生产和出口大国。但是我国陶瓷生产技术发展到今天 的同时，也存在诸多问题，比如产品档次低、单位能耗很高、资源利用率低、 对环境的污染也较大，这就对我国陶瓷生产技术提出了更高的要求【l l 【2 1 。 国内早期的窑炉是采用纯手工的操作方式，即在烧成过程中，由操作工 人观察火焰的颜色，根据自己的经验决定增加或减少通入的气体量，这要求 操作工人对窑炉火焰有较深的认识，还要能准确调节控制气体通入量的阀 门，既增加了工人的劳动强度又容易误操作，还会使炉内温度波动较大【3 ”1 。 针对这些问题，后来的窑炉做了改进，主要是采用p l c 做控制器，负责采 集数据并控制各设备运行，上位机采用专门的组态软件开发，如易控、 m c g s 、西门子w i n c c 等，使用这些软件开发的上位机监控系统虽能较好 的显示陶瓷窑炉的生产过程，能准确的控制各设备的起停以及控制烧嘴的燃 烧，但是他们有一个共同的问题，就是控制方式不够灵活而且价格高昂。多 数都是在p l c 中使用p i d 控制，上位机实现数据显示、趋势查看、报警、 打印和远程监控等功能。购买p l c 和组态软件时，根据项目的需要，价格 在几千到几万不等，随着项目中的点数的增加，价格就越高【5 】【6 】。因此，开 发一个具有自主知识产权的高性能、低成本的陶瓷窑炉专用控制器显得非常 有必要。 本文就是在此背景下，结合国家科技部项目“陶瓷窑炉先进控制与健康监 测技术及装备研究( 2 0 0 9 g j d l 0 0 4 2 ) 和湖北省科技专项资金计划项目( 鄂科 技发计( 2 0 0 7 ) 1 0 1 号) ：“高性能陶瓷窑炉装备关键技术开发及示范先进控制”， 开发的富氧陶瓷窑炉专用控制器。该控制器以成本较低廉的单片机作为核心控 制器，其主要负责采集热电偶、压力传感器等测量设备的信号，还要采集执行 机构的反馈信号和各个设备的状态信号，同时还要能控制各设备的起停和执行 机构的开度大小。上位机利用v c 开发陶瓷窑炉的监控系统，能显示生产的工 武汉理工大学硕士学位论文 艺流程，以及各个测量点的测量值，并能存储数据到s q ls e r v e r 中。 富氧陶瓷窑炉是一种新型工业窑炉，它采用高浓度氧做助燃介质，通过调 节燃气的通入量控制炉内的温度。国内的许多窑炉控制系统仅通过控制燃烧器 的开度改变控制炉内的温度，采用单点p i d 的控制方式控制炉内的温度，控 制对象单一，而在陶瓷生产过程中，影响陶瓷产品质量的因素包括温度、压力 和气氛，温度直接决定了陶瓷产品的质量，而压力和气氛的变化又会影响温度。 对陶瓷窑炉这样一个强耦合、非线性、大滞后的系统而言，采用单点p i d 控 制，往往会导致温度的超调量大，调节时间长。富氧陶瓷窑炉单片机控制系统 采用自适应协调控制策略，在上位机设定好参数后，协调控制各个子系统，各 个子系统采用模糊自适应p i d 控制完成各自的功能，控制系统只需要协调控 制各个子系统就可以实现温度、压力和气氛的协调控 ! j t 7 1 t 8 1 1 9 1 。 综上所述，开发富氧陶瓷窑炉单片机控制系统可以提高自动化程度、改善 控制精度、减轻工人操作强度，改善陶瓷行业产品档次低、单位能耗高、环境 污染严重、生产效率低等问题。开发富氧陶瓷窑炉单片机控制系统可以探索单 片机在富氧陶瓷窑炉控制系统中的应用，可以降低开发成本，从而提高市场竞 争力，还可打破国外对陶瓷窑炉技术的垄断，形成自己的知识产权，同时，开 发富氧陶瓷窑炉单片机控制系统可以带动相关产业链的发展，如机械设备、电 气控制以及陶瓷原材料等。 1 2 国内外研究现状 国外对高性能陶瓷窑炉的研究从2 0 世纪6 0 年代末就已经起步，现在其高 性能陶瓷窑炉的控制水平已经非常先进。主要采用了集中式控制系统、集散型 控制系统、现场总线控制系统等几种类型，例如德国陶瓷技术公司( c t b ) 开发 的高灵活性小型高温窑，通过比例调节系统注入0 2 、c 0 2 等，压力和温度均 可精确控制，各烧嘴实现单独控制，使得全窑能够按设定的曲线烧成与冷却。 随着电子技术的发展，单片机被用在了陶瓷窑炉控制中，日本东陶( t o t o ) 公司、英国布列西斯科( b c e s c o ) 公司、美国斯文特公司等采用单片机做 控制器，将多传感器信息融合技术应用在了本公司的陶瓷生产过程中；德国雷 德哈姆公司将数字p i d 应用在了窑炉控制系统中。美国著名的s d 窑炉公司的 “银云 系统采用了脉冲燃烧技术，该系统的最大效果是窑炉调节灵敏，温度 均匀，燃烧率高，从而缩短烧成周期，降低能耗，提高了产品品质【1 0 】【1 5 】。而 武汉理工大学硕士学位论文 采用单片机做控制器，用v c 开发上位机，使用富氧做助燃介质，引入模糊自 适应p i d 控制方法协调控制窑内的温度、压力、气氛的方案在国外还没有实 施。 国内陶瓷窑炉控制系统的研究开始于2 0 世纪9 0 年代，其主要包括三类： ( 1 ) p l c + 工控机的控制系统 由上位机与下位机两部分组成，它们之间通过r s 4 8 5 通讯协议完成信息 的传递。上位机是指安装在工控机上的组态软件，位于集中控制室，具有显示 窑炉的工艺流程和采集的数据等，并向下位机发送命令等功能，上位机管理系 统由组态软件和高级语言开发。下位机采用p l c 做控制器，接收现场控制级 各设备的信号并控制现场设备，这种控制系统的特点是抗干扰能力强，操作画 面清晰、丰富，可用彩色动态画面显示窑炉工业过程，形象直观，但是成本太 高。陈静教授主持的国家科技部项目“陶瓷窑炉先进控制与健康监测技术及装 备研究( 2 0 0 9 g j d l 0 0 4 2 ) 和湖北省科技专项资金计划项目( 鄂科技发计( 2 0 0 7 ) 1 0 1 号) 子项：“高性能陶瓷窑炉装备关键技术开发及示范一先进控制，就是 采用此方案很好的实现了对窑炉的控制f 16 1 【2 2 1 。 ( 2 ) 采用现场总线实现的陶瓷窑炉控制系统 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支 结构的通信网络。现场总线具有系统开放性、互可操作性与互用性、现场设备 的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性和对现场环境的适应性等特 点。现场总线控制系统包括智能i o 、智能仪表和计算机等部分，其中智能i o 和智能仪表主要是采集现场信号并对现场设备进行控制，计算机主要是用来组 态并监控现场生产过程，在计算机上还可以根据要求编写程序实现相应的功 能。目前，基于现场总线的富氧陶瓷窑炉控制系统主要是针对陶瓷窑炉控制系 统通信线路较多，干扰源较多，其他控制系统成本较高，结构复杂等缺点而开 发的一种控制系统1 2 3 1 1 2 4 1 。 ( 3 ) 基于d c s 的陶瓷窑炉控制系统 d c s 控制系统是继f c s 之后的又一种全新的控制系统，d c s 系统结构包 括现场控制站、i o 卡件、信号转换器三个部分，现场控制站主要是对现场的 设备进行控制，i o 卡件是用来接收现场传回的信号和向现场发送控制信号， 3 武汉理工大学硕士学位论文 信号转换器是将采集得到的信号进行调理。d c s 控制系统较好的解决了一般 控制系统中对现场设备的实时控制和现场设备的网络通信两个关键的问题。 d c s 控制系统一般用于较大型的控制系统中，并且其成本较其他类型的控制 系统都要高。 本文选定单片机+ v c 的控制方式，设计出一套具有自主知识产权的高性 能、低成本的富氧陶瓷窑炉专用控制器，接收现场级的信号并控制现场的设备， 同时还向上位机发送数据。 课题组成员采用高级语言( 如v c 、v b ) 开发上位机“陶瓷辊道窑的监控 系统 ，实现显示窑炉的工艺流程以及数据分析、显示、存储、报表打印，并 向下位机发送命令等功能。该系统成本低廉，主要通过软件实现其主要功能， 使得系统的灵活性大大增强。 1 3 本文主要研究内容 本文针对陶瓷行业的现状，利用已有的富氧陶瓷窑炉试验平台，根据富氧 燃烧的工艺要求，针对富氧陶瓷窑炉的温度、气氛、压力的强耦合，以及窑炉 温度的大惯性、纯滞后、非线性的特性，以单个烧嘴为研究对象，选定单片机 + v c 的控制方式，设计出一套具有自主知识产权的高性能、低成本的富氧陶 瓷窑炉专用控制器。 本文将从如下几个方面对富氧陶瓷窑炉单片机控制系统做具体的研究： ( 1 ) 对以单片机为核心控制器的富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的总体方 案进行设计； ( 2 ) 设计富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的硬件电路和软件程序；富氧陶 瓷窑炉单片机控制系统的算法设计； ( 3 ) 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的试验研究。 以上内容将在第2 章第6 章进行详细的论述。 第2 章富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的总体方案设计。文中首先介绍富 氧陶瓷窑炉的基本结构及控制要求，再设计富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的总 体方案，最后介绍富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的结构、工作原理及功能。 第3 章富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的硬件设计。根据富氧陶瓷窑炉的 控制要求，设计控制电路，包括电源电路、信号采集与调理电路、模数转换电 路、数模转换电路、电压电流电路、加热炉控制电路、采样保持电路等，还 4 武汉理工大学硕士学位论文 有控制系统的抗干扰设计。 第4 章富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的算法研究。富氧陶瓷窑炉单片机 控制系统的控制算法包括炉内温度、压力和气氛的模糊自适应p i d 控制算法， 助燃风温度控制的算法，温度、压力和气氛协调控制的控制算法。 第5 章富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的软件设计。富氧陶瓷窑炉单片机 控制系统的硬件电路设计完成后，还需要相应的软件设计才能使控制系统工 作。软件设计包括如下几个部分：单片机采集信号并控制下属设备的软件设计， 助燃风加热炉控制的软件设计，上位机和单片机以及变频器通讯的软件设计。 第6 章富氧陶瓷窑炉单片机控制系统试验研究。富氧陶瓷窑炉单片机控 制系统试验研究采用燃气富氧燃烧、燃油富氧燃烧和改变助燃风温度的气体燃 烧试验研究陶瓷辊道窑能耗、废气排放、n o 。浓度和窑炉火焰特性，并检验设 计的富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的控制效果。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章富氧陶瓷窑炉单片机控制 系统的总体方案设计 本章首先阐述富氧陶瓷窑炉试验台的结构，包括窑炉的炉体模型，热电偶、 压力传感器以及各管道的分布情况，然后根据富氧陶瓷窑炉工艺对温度、压力 和气氛控制的要求，说明富氧陶瓷窑炉试验台的具体性能指标，选定以单片机 做核心控制器，完成富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的总体方案设计，并对该方 案的结构和工作原理进行分析。 2 1 富氧陶瓷窑炉试验台的结构 陶瓷的烧制过程分为制坯、烧成、冷却等阶段，本文是对陶瓷的烧成阶段 进行研究。陶瓷窑炉试验台炉子内腔大小为3 1 3 4 1m 3 ，炉子的四个侧面和 顶部共分布有1 8 个热电偶和1 个压力传感器，其模型如图2 1 所示。 ooo t 1 6t 1 7t i $ 2p p l o o t 4 t 5 q t 6 图2 。1 陶瓷窑炉炉体模型 炉体的正面和后面共分布有7 个烧嘴，其中6 个是以氧气、燃气和空气为 燃料，还有一个烧嘴是以轻柴油为燃料。以气体为燃料的每个烧嘴都连接三个 管道，分别为燃气管道、氧气管道和空气管道，每个管道均装有一个流量计和 一个执行器。燃气和氧气由气罐供应，助燃风机将空气吹入炉内，空气主管道 上有一个4 5 k w 的加热炉，可以根据需要将空气加热。在窑炉内部产生的废气 由排烟风机排出，排烟管道上有一个排烟配风阀，用来调节炉子内部的压力。 6 武汉理工大学硕士学位论文 当使用燃油烧嘴的时候，需要空压机将轻柴油雾化再送到燃烧烧嘴进行燃烧。 富氧陶瓷窑炉试验台还包括排烟风机、助燃风机、空压机、油泵、1 群加热 炉、2 拌加热炉、燃气电磁阀和氧气电磁阀。助燃风机和排烟风机分别由两台 a b b a c s 5 1 0 变频器控制。 2 2 富氧陶瓷窑炉试验台的控制要求 富氧陶瓷窑炉的控制主要有三个方面：富氧陶瓷窑炉试验台各设备的启停 控制；窑内温度、压力、气氛的协调控制；陶瓷生产过程的实时监控。 富氧陶瓷窑炉试验台各设备的启停控制应能既可以由控制柜上的操作面 板完成，又可以由开发的上位机监控系统远程控制。 窑内温度、压力、气氛的协调控制由开发的控制系统完成。压力是指窑炉 内部压力，由排烟变频器和助燃风变频器协同控制，其压力值在上位机监控系 统中设定后写入控制器，控制器将反馈的压力值送给上位机，上位机调节变频 器，改变电机的转速从而改变压力值。 温度包括炉内温度和助燃风温度。炉内温度应由上位机监控系统和控制器 协同完成，烧嘴对应的燃气与氧气、燃气与空气之间呈比例关系，具体的数值 由试验人员给出，试验过程中只需要调节燃气执行器的开度就可以自动调节氧 气执行器和空气执行器的开度，以此来控制炉内的温度。 助燃风温度也由上位机监控系统和控制器协同完成，控制系统输出一个电 压信号控制三相过零调功器，进而控制助燃风加热炉给助燃风加热。 陶瓷生产过程的实时监控在上位机完成。上位机监控系统将陶瓷窑炉的硬 件设备组成及生产过程以图形界面的方式显示出来。上位机还可以实现显示实 时数据、趋势曲线，参数设定、数据归档与查询等功能。 研发的高性能富氧陶瓷窑炉单片机控制系统应具有的主要性能指标如下： ( 1 ) 窑内微压的偏差在2 5 p a ； ( 2 ) 助燃风的温度偏差控制在2 5 c ； ( 3 ) 窑内平均温度偏差控制在2 0 c 以内； ( 4 ) 上位机监控系统和控制器协同工作，协调控制炉内的温度、压力、 气氛，确保产品的质量。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的控制方案设计 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的开发以单个烧嘴为研究对象，分析试验台 的控制要求可以发现控制系统的控制点数统计如表2 1 所示。 表2 1 控制系统的富氧陶瓷窑炉的控制点 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统采集的2 0 点温度信号( 用t 1 t 2 0 表示) 包括1 8 个炉内温度( t 1 t 1 8 ) 、1 个助燃风温度( t 1 9 ) 和1 个排烟风温度( t 2 0 ) ， 一个压力点信号是指窑炉内部压力，5 路执行器包括5 群燃气执行器、5 群氧气执 行器、5 群空气执行器、总燃气执行器、总氧气执行器。排烟配风执行器是用来 调节窑内的压力，因为排烟风管道较粗，而进气管道较细，如果没有排烟配风 执行器，则排烟风机一旦开启，窑炉内部就会形成较大的负压，所以为了使炉 内压力控制在要求范围之内，在试验过程中总是处在1 0 0 开度的位置，故不 采集其反馈信号而只控制其开度。6 路执行器都是通过单片机控制，8 路开关 量输出是排烟风机、助燃风机、空压机、油泵、l 拌加热炉、2 # j 1 1 热炉、燃气电 磁阀和氧气电磁阀，为了提高富氧陶瓷窑炉专用控制器的集成度和降低控制器 受干扰的可能性，设计中采用手动方式直接通过面板控制8 个设备的启停。 2 3 1 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的结构设计 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统采用单片机+ v c 的控制方案。为防止变频 器对单片机干扰，项目中未采用控制器控制变频器，而是采用上位机控制。整 个控制系统可以分为上位机、控制器、变频器三个部分。本文中设计富氧陶瓷 窑炉单片机控制系统的结构如图2 - 2 所示。 8 武汉理工大学硕士学位论文 串口通 信电路 p c 机 i 匮 c o m 2 r s 4 8 5 转r s 2 3 2 m o d b u s 排烟变频器l l 助燃变频器 图2 2 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统结构图 图2 2 中的控制器为本文设计的具有自主知识产权的高性能、低成本的富 氧陶瓷窑炉专用控制器，接收现场级的信号并控制现场的设备，同时还向上位 机发送数据。 课题组成员采用高级语言( 如v c 、v b ) 开发的上位机“陶瓷辊道窑的监 控系统 ，上位机系统采用多串口机制，c o m l 口经过串口通信电路与控制器 通信。上位机系统利用p c 机的c o m 2 口经过一个n s 4 8 5 i i 的模块之后使用 m o d b u s 通信协议与两台变频器通信。 2 3 2 富氧陶瓷窑炉的控制器结构设计 富氧陶瓷窑炉的控制器是单片机控制系统中的一部分，以单个烧嘴为研究 对象而设计的富氧陶瓷窑炉的控制器的结构如图2 3 所示。 t l t 1 6 多路模 模 拟开关 放大屯路1 数 t 1 7 t 1 8 转 窑r r l nf 一 ，、ll。 换 单 “7 一“v l 放大电路2 加热炉控 片 制电路 炉 一卜器h 瓣h 鬻卜 l 多路选l i 数模 机 择开关广l 转换 窑内压力 l _ 调理i 图2 3 富氧陶瓷窑炉单片机控制系统的控制器结构图 武汉理工大学硕士学位论文 本文选用的单片机的型号是s t c 8 9 c 5 2 ，该芯片是8 0 5 1 内核，内部的程 序存储空间为8 k b ，单片机内部r a m 为5 1 2 b ，而且该单片机价格便宜，易 操作。富氧陶瓷窑炉的控制器的结构图可以分为信号采集与调理、执行器控制 和加热炉控制三个部分。 ( 1 ) 信号采集与调理 2 0 个温度点的信号都用热电偶采集，其中t l t 1 8 为s 分度型，t 1 9 - - t 2 0 为k 分度型，这两种不同型号的热电偶具有不同的分度表，所以应使用不 同的放大电路进行放大。需要进行模数转换的信号包括2 0 路热电偶放大后的 信号、窑内压力经过调理后的信号、5 路执行器经过调理后的信号。文中选用 1 2 位串行模数转换器t l c 2 5 4 3 完成模数转换，该芯片具有1 1 通道，价格较 贵。如果每一路的信号经过处理之后直接送给模数转换器，则需要3 片模数转 换芯片，3 片芯片均通过s p i 协议与单片机进行通信，会占用单片机大量的i o e 1 ，这无疑会增加成本，甚至一片单片机无法实现。针对这一问题，文中选用 多路模拟开关c d 4 0 6 7 ，该芯片有1 6 个模拟输入通道，可以将t 1 t 1 6 共1 6 个热电偶接到该芯片的输入端，由单片机控制该芯片的4 个二进制端口a 、b 、 c 、d 将1 6 路m v 级信号输出，由于这1 6 个热电偶都是s 分度型，所以他们 可以使用相同的放大电路，文中使用一个放大电路对这1 6 个电压信号进行放 大。t 1 7 - - t 1 8 也是s 分度型，文中使用与t 1 - ，t 1 6 相同的放大电路分别对这 两路热电偶信号进行放大。t 1 9 - - t 2 0 是k 分度型，对其进行放大时需要注意 放大倍数，这两路热电偶信号可以使用相同的放大电路。这样，2 0 路热电偶 总共只使用了5 个放大电路，大大的简化了系统的电路结构，还降低了成本。 对于窑内压力信号，使用的测量设备是两线制差压变送器，型号为c 2 6 8 ， 供电电压为9 - 3 0 v d c ，测量范围是1 0 0 p a - - - 1 0 0 p a ，其反馈信号是4 - - - ，2 0 m a ， 测量范围与反馈信号呈线性关系，即窑内压力为1 0 0 p a 时，对应反馈信号为 4 m a ：窑内压力为+ 1 0 0 p a 时，对应反馈信号为2 0 m a 。需要将反馈电流信号转 换成电压信号才能作模数转换，文中是使用一个1 5 0 f l 精密电阻将4 , - 一2 0 m a 转 换成0 6 - - 3 v 。5 路执行器的反馈信号也是4 - - 2 0 m a ，文中也是采用1 5 0 t 1 精 密电阻转换成0 6 , - 一3 v 。 这样，一片t l c 2 5 4 3 的1 1 个通道即可接收所有采集到的信号。由于 t l c 2 5 4 3 的一次典型转换时间为8 u s ，一次转换时间最大不会超过1 0 u s ，完 成一次所有信号转换的总时间不会超过1 s ，所以，将采样周期设为1 s 完全可 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 以满足系统实时性的要求。 ( 2 ) 执行器的控制 对于执行器的控制，分为单动和联动两种情况。单动即可以单独控制每个 设备，联动即各个设备之间存在一定的关联性。 单动状态下，可以单独控制6 个执行器中的任一个。由于执行器的数量较 多，对于执行器的控制有两种方法，第一是每个执行器均对应一个数模，这样 要实现控制6 个执行器就需要6 片数模转换芯片，既会占用单片机过多的i o 口，又会增加较多成本。第二种，即本文中采用的方法，使用一片数模转换器， 将数模转换器的输出连接到一个多路选择开关，在上位机采用加标志位的方 式，将标志位与多路选择开关的选通通道号对应。为保证多路执行器的切换过 程中互不受影响，文中加入了采样保持电路，并设计一种基于存储器动态刷 新的多模拟量输出系统，输出多个模拟量，输出的模拟电压信号还需要转换成 4 - 2 0 m a 信号才能控制执行器。 联动状态下，只需要根据设定值和反馈值之间的差值调用某些算法实时调 节5 撑燃气执行器的开度即可，调节过程中保持总燃气执行器、总氧气执行器 和