（电工理论与新技术专业论文）基于can的船用焚烧炉控制装置的研究与设计.pdf

武汉理一1 ：入学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dm i c r o p r o c e s s o r f u n c t i o n s ，c o m p u t e rn e t w o r ks y s t e mh a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n t ，b u tt h em a r i n e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o la u t o m a t i o ns y s t e m ss t i l lu s ec e n t r a l i z e dc o n t r 0 1m e t h o d ，o n c e t h ec o n t r o lp o i n ti n c r e a s e ，i ti sd i f f i c u l tt oc o m p l e t et h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n b e t w e e nd e v i c e s ，a sw e l la sb e t w e e nt h es y s t e ma n dt h ee x t e r n a ls y s t e m s f i e l db u si s d r i v e nb yr e a ld e m a n d ，c a nb u st e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h ec o n t r o ls y s t e m ， d i s t r i b u t e dc o n t r o lm e t h o dc a nc o m p e n s a t ef o rl a c ko fc e n t r a l i z e dc o n t r o lm o d e ， w h i c hm a k e sc o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c eb e r e r i nt h i st h e s i s ，o n 血eb a s eo fa n a l y s i s a n dr e s e a r c hw i t hc a nb u sw h i c hs u i t st h ea p p l i c a t i o no fm a r i n ei n c i n e r a t o r s an e w “n do fm a r i n ei n c i n e r a t o rb a s e do nc a nb u sc o n t r o ls y s t e mw i l lb ed e v e l o p e d m a i n r e s e a r c ha c h i e v e m e n ti sa sb e l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ew h i c hc u r r e n tm a r i n ei n c i n e r a t o rm u s tr e a c h ，t h e a r c h i t e c t u r a ls t r u c t u r eo ft h em a r i n ei n c i n e r a t o ri sd e v e l o p e d t l l ec o n t r o ls y s t e mu s e s d i s t r i b u t e dc o n t r o lt oa c h i e v ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h em a i ns t a t i o na n d s u b s t a t i o n sb yc a nb u s ，c o n t r o le a c hs u b s t a t i o n w h e nt h es y s t e mn e e d st o o p t i m i z eo ras t a t i o nf a i l s ，o n l yu p g r a d et h em a i ns t a t i o no rr e p l a c e t h ef a u l ts t a t i o n i nt h i sw a y ，i tn o to n l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，b u ta l s om a k e m a i n t e n a n c em o r ec o n v e n i e n t w h e nt h em a r i n ei n c i n e r a t o rb a s e do nc a nb u sw o r k s ，i ti sn o to n l yt oc o m p l e t e t h ei n c i n e r a t i o no ft h es o l i dw a s t ea n dl i q u i dw a s t e ，b u ta l s ot oa c h i e v et h e c o m m u n i c a t i o no ft h em a i ns t a t i o na n dv a r i o u ss u b s t a t i o n s t h eh a r d w a r es y s t e mo f c o n t r o ls y s t e mw i t hm c ua st h ec o r ei sr e a l i z e d t h ed e s i g no fs y s t e mp l a t f o r m i n c l u d ec o n t r o lm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s a m p l i n gm o d u l ea n dt h ep r o t e c t i o n c i r c u i th a v eb e e nf i n i s h e d w i t ht h es o f t w a r e ，i th a sas o l i dw a s t ec o m b u s t i o np r o c e s s ， l i q u i dw a s t ec o m b u s t i o np r o c e s s ，c o m m u n i c a t i o n sp r o c e d u r e sa n ds 0o n ，w h i c h h a s c o m p l e t e dt h a tac o n t r o ld e v i c ec o u l dr e a l t i m em o n i t o r a n dc o n t r o lt h ee n t i r em a r i n e i n c i n e r a t o r i nt h i st h e s i s ，i na d d i t i o nt oa c h i e v et h eb a s i cc o n t r o lr e q u i r e m e n t so fm a r i n e i n c i n e r a t o r , f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mw h i c hi ss i m u l a t e dr e p l a c e do r i g i n a lp i d c o n t r o l i i 武汉理r 人学硕十学位论文 a l g o r i t h mf o ro p t i m i z i n g t h es y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h es t a b i l i t y ， p r e c i s i o no fc o n t r o l ，a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yh a v eb e e ni m p r o v e dr e m a r k a b l y t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no fm a r i n ei n c i n e r a t o rb a s e do nc a n b u sh a v eb e e nf i n i s h e d u s e da no p t i m i z e dc o n t r o ls t r a t e g y , t h es y s t e ma p p l i e dt ot h e p r a c t i c a lw o r ko fm a r i n ei n c i n e r a t o rs u c c e s s f u l l y ，a n da c h i e v e dg o o dc o n t r o le f f e c t i t h a sm e tt h eb a s i ct e c h n i c a lr e q u e s to ft h eu s e r s k e yw o r d s ：m a r i n ei n c i n e r a t o r s ，c a nb u s ，m c u i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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。 签名： 蹲日 学位论文使用授权书 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：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉 理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本 学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或 论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：孪刁向导师( 签名) ：秣日期加垆0 厂 武汉理。i ：人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 船舶废料主要包括有生活废料、运行废料两大类。由于船舶营运流动性大， 周期长，靠岸时间短的现状存在，导致大量废料难以处理的问题出现。如果这 些废物处理不当，或者将其投入海中，不仅对海水水质造成污染，而且对海洋中 的动植物也产生危害。随着人们环保意识的增强，如何在航行过程处理废料但 尽量减轻对生态破坏问题越来越引起各个国家的重视，因此世界上各个国家对 水运航行中的船舶处理废料都是有严格规定的【1 1 。我国的“防止船舶废料污染规 定中明确规定严禁将船舶废料处理入海。国际海事组织规定凡是大、中型船 舶必须具备船舶废料处理设备船用焚烧炉，它既可处理固态废料，也可以 处理污水油混合物和油泥等液态废料。船用焚烧炉的问世不仅攻克了船上废料 的处理难题，而且降低了船舶航行的成本，因为船上的生活用热还可以通过废 料处理过程中所产生的热量来补充。所以说开发升级船用焚烧炉正当时。 在我国，许多航运公司为了节省成本开支，仍然沿用上世纪七、八十年代 国外进口的运输船舶，该类船舶虽然具备船用焚烧炉，但由于使用时间较长， 自动化程度较低等一系列问题存在，这些船用焚烧炉控制系统已经不能达到目 前国家规定的对船用焚烧炉性能的要求。因此，对传统的控制系统进行优化或 更新换代势在必行。 现代科学技术的蓬勃发展给传统的焚烧过程控制技术带来了动力，本文应 用现场总线技术、微处理器技术、模糊控制技术构建起来的船用焚烧炉控制系 统对原有的控制设备进行改造，不仅在使焚烧炉工作效率得到提高，而且节省 了资金投入，所以受到航运界的广泛欢迎。 1 2 国内外研究现状 ( 1 ) 船用焚烧炉方面： 船舶废料的处理方式大多采用的是热焚法将废料中的有机物质和空中 的氧气在高温下氧化。这种方法能使船上固态废料快速变成灰渣，使废物的重 武汉理一j ：人学硕十学倪论文 量和体积大大减小。它的不利之处在于需要消耗大量附加燃料，并且增填了发 生火灾的安全隐患。 作为热焚法的主要设备是焚烧炉，目前已经有几十种国外研制的产品投入 使用或即将投入使用，大致可以概括为五种类型：处理废油和固态废料的焚烧 炉；处理废油和污泥污水的焚烧炉；处理废油、污泥污水和固态废料的综合焚 烧炉；既能处理废料又能回收焚烧热量的焚烧炉，称锅炉联合设备；兼具有惰 性气体发生器功能的焚烧炉。在这五种类型的焚烧炉中，前三种使用广、技术 成熟、型式多样：而第四种型式不多、使用面狭窄，但是它的未来前景光明； 第五种属于试验成功不久，尚未量产的新成果1 2 】。 目前国内生产船用焚烧炉的技术还不成熟。我国从1 9 7 8 年开始研制船用焚 烧炉，到目前为止，虽然已经研制成功几种常用规格的船用焚烧炉，但是在规格、 种类、技术水平和产品功能上与国际领先水平仍有一定的差距，还不能完全达 到我国船舶防污染的标准。虽然发达国家和海洋运输业发达国家的船用废料焚 烧设备技术比较成熟、稳定、自动化程度高，但要想照搬国外焚烧技术非常困 难，况且进口他国设备投资过大，每套需花费上十万美元之巨。因此，这种设 备能否顺利国产化才是真正解决上述问题的关键【3 1 。 据资料分析，随着我国“防止船舶废料污染规定”地深入实施，国内船东 用户对该设备的需求量将达到每年1 0 0 0 套以上。国产化的产品可完全可以替代 进口产品，并提升我国船用废料焚烧装置的技术水平。该项目普及以后，将会 取得可观的社会效益、环境效益以及经济效益，具有光明的市场前景与持续的 发展势头。 ( 2 ) c a n 总线方面： c a n 中文全称控制器局域网，英文全称c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ，c a n 总线 是目前国际国内应用非常广泛的现场总线之一。c a n 总线是一种能有效支持实 时控制和分布控制的，全数字式现场控制设备互连串行通讯总线。和其他现场 总线相比较，c a n 总线在通信过程中具有突出的稳定性、准确性和实时性。其 主要特点包括：采用短帧结构，位速率高，抗干扰强；以多主方式工作，通信 方式灵活；网络上的节点采集信息时，可以分为多优先级，减少出现网络瘫痪 的频率；信号传输距离达到1 0 千米时，c a n 总线上的数据传输速率仍可达到 5 0 k b p s ；通讯的硬件接口简易，通信线路简单。 c a n 总线技术问世以来，首先被应用到汽车领域中的控制器通信，满足车 在各电子控制设备之间的信息交换，并组成汽车电子控制网络对整车电子 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 设备实施监控。比如变速箱的控制器、测量仪表仪器、发动机控制系统等都存 在c a n 控制设备。德国奔驰公司将c a n 技术使用到高级客车上。首先，利用 电子控制器通过c a n 对发动机进行控制，然后，利用控制器接受驾驶员的操作 信号。这样，两套独立的c a n 总线系统就成立了。奔驰公司的成功带动了其他 汽车公司的学习，也在它们生产的汽车上构建两套c a n 总线系统。目前，除了 v o l v o 、b m w 、v o l k s w a g e n 以外，f i a t 和r e n a u l t 也纷纷把c a n 总线技术应用 到它们的汽车上 4 1 。 c a n 总线技术在汽车领域起步不久，就被广泛的应用到其他领域。在国际 上，荷兰的k o n e 公司在电梯行业使用c a n 总线；瑞士工程办公室k v a s e r 在纺 织机械厂采用c a n 总线，并由他们独创自己机器的通信协议。荷兰p h i l i p s 公司 使用c a n 为x 光机组建内部网络，德国s i e m e n s 公司将c a n 总线融合到c t 断层扫描仪中，它们对医疗器械进行了大的改革，并成为c a n 的工业用户。在 国内，哈尔滨威帝、济南优耐特公司相继将c a n 总线投入到汽车控制系统中， 并在北京公交汽车上得到实现，我国在智能楼宇、家用电器以及小区建设中， 也逐渐普及c a n 总线技术，例如抄表系统、防盗系统、家电控制掣5 l 。 随着c a n 总线技术的不断发展，其应用的领域不断扩大，主要覆盖传感器 技术、大型仪器装置、工业现场控制系统和数据采集系统等。现在，例如i n t e r 、 n e c 、s i l i o n i 、h o n e y w e l l 等上百家国际知名大企业都支持c a n 协议。c a n 总 线技术的研究开发还在不断前行中，应用范围势必不断拓宽，未来前景不可估 量。 1 3 课题的研究意义及来源 随着人们海上环境保护意识的增强，船舶焚烧炉的重要性可想而知。国际 国内各港口都加强了船舶防污染设备的检查力度，船舶防污染设备在例行检查 中为必不可少的项目。但是有部分船舶在靠港前，通过焚烧炉燃烧含油破布当 成燃烧污油的方式在油类记录册上造假。传统的焚烧炉不能记录燃烧的全过程， 使检查人员无法对该设备的实际使用情况做出准确判断。因此，规定要求这类 不合格或者需要被淘汰的焚烧炉控制系统必须更换。 本文研究的来源是某企业生产的基于p l c 船用焚烧炉。上世纪九十年代， 该厂从挪威g o l a rm e t a l 公司引进生产技术，采用当时高端的p l c 控制器和 先进的工艺完成了船用焚烧炉的研制。该设备具有体积小、安装方便、操作简 武汉理r ：人学硕十学位论文 单、安全稳定、焚烧效果好等优点，且该焚烧炉经型式试验验证，得到中国、 德国、美国、挪威及劳氏等船级社认可。经过近2 0 年的使用，以前的控制器已 经达不到目前的控制要求，尤其是其备件很难订购，那么控制器的更新换代势 在必行。如果引进他国技术和选用更加高档次的p l c ，投入成本较大，并且焚 烧炉所处环境恶劣，容易出现故障，所以设计稳定性强、抗干扰能力强、性价 比更高的控制器是非常有必要的t 6 1 。 1 4 本文主要研究内容 本课题研究的目的是设计一套基于c a n 总线通信方式，以单片机作为控制 核心的，分布式船用焚烧炉控制系统。该基于c a n 总线的船用焚烧炉控制系统 与传统的船用焚烧炉控制系统的区别以及主要研究内容如下： 1 ) 采用分布式控制方式取代传统的集中式控制方式，传统的集中式控制方 式在控制点增加或者要求提高系统性能的情况下，就得更换整个控制器，重新 布线，存在成本提高，工作繁琐，维护不方便的问题；本文中，改进的分布式 控制方式要求：主站与各个控制子站分开，由m c u 主站对a d 子站、d a 子站 以及i o 子站进行实时测控，并构成主从式结构。当系统需要升级优化的时候， 对主站控制器进行替换或者增加控制子站就能完成系统更新，并且在遇到某个 站出现故障的问题只需要对该站采取必要的维修就可以达到目的，避免了对整 个系统进行大的检修。这样不仅提高了工作效率，节约了成本，而且为以后的 升级和维护提供了便利。 2 ) 选用自主研发的单片机控制器替换价格昂贵的可编程控制器p l c 。尽管 p l c 有抗干扰能力强、稳定性高、运算速度快、平均无故障长等一系列优点， 而且能够达到船用焚烧炉的控制要求。但是p l c 的价格却特别昂贵，以工业常 用的西门子p l c 为例，较低端型号s 7 2 0 0 的p l c 少则上千多则上万，就更不 用说用在控制主站的高级别p l c 了，一套控制系统的硬件加正版软件的成本就 达上数万之多，实在是成本太高。采用单片机为核心的控制系统不仅能达到p l c 的性能要求，满足船用焚烧炉的控制需要，而且成本降低了很多。 3 ) 利用模糊控制算法对原有的p i d 控制算法进行优化。针对船用焚烧炉的 控制要求，考虑到操作人员根据经验对其进行控制的效果要远远好于按照经典 控制理论p i d 控制算法的自动控制系统。因此，使用基于人类经验的模糊控制 方式更加科学，实用性更强。其优势在于不需要精确的数学模型；是一种基于 4 武汉理j ：大学硕七学位论文 经验的，非专业性的控制策略；具有极好的鲁棒性和可靠性；能带来较好的经 济性；大量常规控制难以解决的控制难题，模糊控制能更好地解决。利用模糊 控制算法对船用焚烧炉炉温智能控制系统进行优化，通过改进焚烧控制方式， 能实现更加稳定的废料燃烧过程、减小温度波动的范围、减轻工人劳动强度以 及为进一步降低污染打下良好的基础。 5 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章基于c a n 总线的船用焚烧炉控制系统结构 2 1 船舶废料焚烧概述 2 1 1 焚烧原理 焚烧是一种通过燃烧废料的高温热力技术。燃烧是一种强烈的氧化作用， 常伴有光和热的现象，也常伴有火焰现象，会致使周围温度的急剧升高。待燃 烧处理的物质中包括三种主要成分：氧化物质、可燃物质以及不可燃的惰性物 质。氧化物是燃烧过程中必不可缺少的物质，最普遍的氧化物是含有2 0 氧气 的空气，氧化物中空气含量以及与可燃物质的混合程度对废料的燃烧的效率影 响很大；可燃物质是含有碳、氢氢以及碳氢等高能量化学键的有机物质，这些 化学键经过氧化后，会释放出大量热能；不可燃的惰性物质问接地参与燃烧过 程中的主要氧化反应，影响废料的温度和污染物的产生。在任何燃烧或焚烧过 程中，这三种主要成分相互影响，所以必须谨慎地控制三者的比例，才能达到 燃烧或焚烧的最终效果。 2 1 2 焚烧过程 根据船舶废料成分复杂这一燃烧特性，可以把燃烧过程分为以下四个阶段： 1 ) 脱水干燥：首先进行辅助燃烧，废料中的水分受热而蒸发，当水分温度 达到1 0 0 时，基本蒸发完毕。固体废料在差热分析曲线上的6 0 到9 0 这个 范围上有一个较浅的吸热峰。 2 ) 燃烧：船舶废料中的物质大多是含有c 、h 元素的有机物，c 、h 存在 的形式并不复杂，其化学键强度相近，破坏键所需温度比较接近，一般在2 5 0 时，挥发性物质挥发并与氧气混合。当达到着火温度时，开始燃烧，在火焰 温度的影响下固体物质开始进行热分解，并释放大量挥发性物质，同时燃料质 量急剧减少，在差热分析曲线上出现失重峰值。 3 ) 过渡：当热分解速度降低的时候，挥发性物质能够持续维持火焰的燃烧。 废料中尚未挥发的部分，由于高温而炭化，氧气逐渐侵透至炭粒表面，导致炭 粒着火，出现两种燃烧状态并存的现象。挥发物质燃烧分解结束后，火焰熄灭。 6 武汉理1 ：人学硕七学位论文 4 ) 碳燃烧：当废料中的木质素全炭化以后，氧气旦接触到炭粒表面，固 体炭粒立刻开始快速燃烧，在差热分析曲线上出现碳化燃烧反应峰，反应速度 迅速减小，直至火焰1 7 i 。 2 1 3 焚烧效果检测 在实际焚烧过程中，由于种种原因无法达到理想的焚烧效果，致使废料燃 烧不彻底。不完全燃烧的程度直接反映了燃烧效果的优劣，评价焚烧效果优劣 的方法主要包括目测法、监视分析法以及一氧化碳法。 1 ) 目测法：通过肉眼直接观察废料燃烧产生的烟气的“黑度 来断定焚烧 的效果，烟气颜色越黑，焚烧效果越差。 2 ) 监视分析法：利用现场仪表仪器测量废料焚烧炉炉温、压力、燃油耗量、 蒸汽参数，由此推断出废料焚烧工况的稳定与否，进而判定焚烧效果的优劣。 3 ) 一氧化碳法：一氧化碳是废料焚烧所产生的烟气中所含不完全燃烧的产 物之一，烟气中一氧化碳的含量显示了焚烧效果的优劣。烟气中一氧化碳的含 量越低，表明废料焚烧进行得越彻底，废料焚烧的效果就越好；反之，焚烧就 进行得越不完全，效果就越差。 本船用焚烧炉采用目测法和监视分析法。燃烧室外壁上装有透明的强化玻 璃，操作人员可以通过目测法对燃烧效果进行监视；温度传感器、压力传感器、 计量泵以及火焰探测器负责采集焚烧炉炉温、压力、燃油耗量和蒸汽参数，为 监视分析法提供数据，后面章节将详细介绍的这种燃烧效果监测方法。 2 2 船用焚烧炉系统的介绍 2 2 1 船用焚烧炉系统的构成 本课题所研究的船用焚烧炉主要应用于船上固态生活废弃物和液态污油污 泥的焚烧，实物如图2 1 所示。该焚烧炉主要有以下四个部分组成：带柴油燃烧 器、污泥燃烧器、燃油加热器和电控装置的燃烧室；带循环泵和加热器的污泥 柜；烟气风机；烟气风门。这四个部分的概述如下： 1 ) 燃烧室：用来燃烧固体废料和液体废料的装置。它由燃烧器、控制器、 二次风门、燃油喷嘴、垃圾门和出灰门组成。燃烧器刚启动点燃时，火焰先螺 7 武汉理j 人学硕仁学何硷立 罔2 一l 焚烧炉装置实物图 旋向下，然后在燃烧室中央不断旋转上升。废科被燃烧火焰点燃，烟气从燃烧 室流向顶部的出口，烟气出口的古氧量增加烟气中残留物质颗粒被充分燃烧 以保证安牟。当烟气离开燃烧宣时从壁板底部吸入的冷却空气与之混合，使 之在被烟气风机抽出，由烟囱排出前温度降至3 4 0 度。 这个过程中，通过热敏电阻测量膛内的温度，温度山控制系统自动控制调 节，同时挣制加料门旁边的二次风门开闭调来节气体流量，调整膛内负压。垃 圾门和出灰门在装烧炉工作期问以及在室内温度冷却到设定温度前，控制系统 始终保持这两个门闭合状态。 2 ) 污泥柜：具有作为焚烧炉污油泥存放和输送的功能。它包括温度控制器、 循环泵、排放阀。温度控制嚣用来控制加热器，确保污油泥温度的在设定范围 内( 6 0 一9 0 度) 。两个排放阀装于污泥柜上用来检测污泥柜中污油的液面商度。 位置在下面的一个阀门负责泻放污油泥中多余的水。污油柜使用时，启动输送 泵，将污泥油输送到污油泥柜中，循环泵将一部分污油泥输送到焚烧炉中，另 。部分通过回流管返回到柜中，确保污油泥和水充分混合。输送泵和高液面“h i g l l l e v e l ”开关相连。当污油泥液位达到高液位开关时输送泵自动停止，当液面达 到设定的最低液碰时，污泥柜上的低液面开关将关闭循环泵，当温度达到设置 武汉理，l ：人学硕士学位论文 最低点时，进行自动加热。 3 ) 烟气风机：用于抽送燃烧室的烟气，产生炉膛负压，同时通过燃烧室的 冷却夹层吸入外界气体。燃烧室中产生的高温烟气与冷却央层产生的气体混合， 将排出的气体温度降到3 4 0 度。 4 ) 烟气风门：受控制器控制，自动调节烟气管中的烟气流量，客户可以直 接从显示屏上读取炉膛负压，调节压力到设定点。 系统组成和线路布置如图2 2 所示： 图2 - 2 焚烧炉装置线路布置图 2 2 2 船用焚烧炉系统的工作原理 自动污油泥控制是专门用于控制污油燃烧，以达到焚烧最大污油量和消耗 9 h搿埘搿和乓孵n趟胃本蒋k膏 武汉理j i ：人学硕十学位论文 最少柴油量的目的，并且保持燃烧室的温度在8 5 0 度以上。对污油的燃烧程序 来说，污油的“质量 是一个重要的因素。当处理含水量较高的污油时，燃烧 这种污油就会相应增加柴油的消耗量。 下面以焚烧炉控制焚烧污油泥为例，说明其运行的工作原理： 1 启动程序 1 ) 闭合电源开关，系统得电，通过控制面板启动污油泥燃烧程序。0 1 5 秒，烟气风机和燃烧器风机运行，进行膛内预扫风；1 5 3 5 秒，点火变压器通 电打火，3 5 秒时点火变压器断电，停止点火。 2 ) 2 5 秒时柴油总电磁阀y 1 和一级燃烧电磁阀y 2 打开，开启柴油喷嘴l ， 光敏电阻将火焰信号发送到控制器，控制器实现一级燃烧。 3 ) 风门开启，电磁阀y 3 通电，开启柴油喷嘴2 ，二级风门关闭，这时风门 开启达到最大位置，6 6 秒时实现二级燃烧。 4 ) 开启污油泥循环泵和污油泥计量阀，污油泥电磁阀y 4 得电，污油泥正 常燃烧。 5 ) 当温度小于6 4 0 度，关闭污油泥计量阀，保持二级燃烧电磁阀通电，实 现二级污油泥燃烧；当温度大于或等于6 5 0 度，保持污油泥计量阀开启，二级 燃烧电磁阀y 3 失电，实现一级污油泥燃烧；当温度大于8 5 0 度，一级燃烧电磁 阀y 2 失电，实现污油泥单独燃烧。 2 停止程序 1 ) 当一级燃烧电磁阀y 2 、二级燃烧电磁阀y 3 关闭时、关闭污油泥循环泵 和污油泥燃烧，一级、二级以及污油泥燃烧结束。 2 ) 当控制风机电动机的继电器复位时，由于有门控接触器自保，风机电动 机和燃烧器电动机仍然运转，实现炉内冷却，待程序设定通电延时若干小时后， 动断触点断开，风机电动机和燃烧器电动机停止转动。 2 3 船用焚烧炉控制系统方案设计 目前，据国内外研究开发的船用焚烧炉控制器系统主要采用集中式和分布 式两种控制方式。 传统的船用焚烧炉控制器系统主要采用集中式控制方式。这种方式是将所有 输入输出模块连接到中央控制器进行数据交流与信息管理，并由中央控制器完 成所有的信号处理以及采取相应的控制策略，而所有的模块不可以直接进行数 1 0 武汉理r 火学硕士学位论文 据交流，需要通过中央控制器来实现。 那么，中央控制器在整个系统中就起到了至关重要的地位，如果单个节点发 生故障，将会致使整个网络的通信中断，而中央控制器的失败将会造成整个系 统的瘫痪。特别是在系统需要升级或者增d l ：l n 控节点的时候，就得更换整个控 制器，重新布线，工作繁琐，维护不方便。尽管采取多种改进措施后，可提高 中央控制器和系统的可靠性，但其成本投入太大，经济上的劣势仍非常突出。 所以集中式控制方式对于系统的可靠性和经济性相对较低。船用焚烧炉集中控 制结构具体如图2 3 所示： 图2 3 船用焚烧炉集中控制结构图 本文设计的分布式船用焚烧炉控制器系统的网络结构主要为星形拓扑，即 网络中的每个节点通过点对点的方式连接一个中央设备，每个节点将数据发送 到设备，再由中央设备将数据回馈到目标节点。由于使用了星型拓扑结构，每 个节点都有单独的通信通道；便于加入新节点，所以添加子站控制点更加容易； 不需要总线访问机制，简化通信协议。 在这个设计中，分布式控制方式将本系统任务模块化，每个模块都有单独 的单片机进行控制，提高了整个系统工作的稳定性，而且利于以后子站的扩展 和各站的维护。船用焚烧炉主控制器是主站，它通过现场总线和多个下位控制 子站进行数据交流。在通信过程中每个控制子站以中断的方式或定时的方式和 控制主站进行数据交流。同时，每个子站能够独立处理信息，这样能够节约主 站控制器的资源，提高系统的工作效率。 其结构如图2 4 所示。 武汉理i ：人学硕十学位论文 图2 4 船用焚烧炉分布控制结构图 2 4 基于c a n 总线船用焚烧炉控制系统方案设计 c a n 总线是一种串行通信的现场总线，能够有效支持分布式控制。一个简 单的c a n 总线只需要两个c a n 节点和通信媒体就能完成，通信媒体起到了连 接两个c a n 节点之间信息传递桥梁的作用。 从c a n 总线在控制系统上的应用来看，c a n 总线系统主要由上位机，微控 制器和c a n 适配卡组成。c a n 适配卡是实现上位机与c a n 总线通信的连接接 口，带c a n 适配卡的上位机系统和微控制器系统在c a n 总线网络中分别相当 于一个网络节点。上位机节点和微控制器节点以总线为媒介传递的信息，既可 以进行单向通信又可以进行双向通信。 2 4 1 基于c a n 总线船用焚烧炉控制系统的结构 在一般的c a n 总线系统中，没有刻意区分主节点和从节点，但是考虑本文 设计的系统的稳定性以及实际应用的可行性，还是将上位机系统作为主节点， 微控制器系统作为分节点。主节点负责监控多个分节点，接受并处理从节点采 集的信息，然后向从节点发送控制信息：分节点完成主节点的控制命令，同时 向主节点传送监测信息，分节点与分节点之间的交流通过主节点的调度来完成。 在本文所设计c a n 总线系统中，使用单主从结构更适合。单片机主站作为 1 2 武汉理l 人学硕七学位论文 主节点，a d 子站、d a 子站、以及v o 子站作为分节点，每个分节点中含有单 片机作为微控制器。主站和各分站之问采用c a n 总线分布式的控制方式，进行 现场数据采集和控制信号传递，而上位机和单片机主站之间则利用串行总线进 行实时通讯连接。子站利用现场仪表检测各物理参数( 温度、压力、燃油耗量、 时问等) 并传送到单片机主站，由单片机主站对采集到的数据进行分析和运算， 然后对目标子站给出指令，同时子站的运行状况通过上位机的触摸屏显示，工 作人员根据触摸屏上的当前信息，实现人机界面操作站功能。c a n 总线系统如 图2 5 所示： 单片机主站 c a n 总线 c a n h c a n l a d 控制子站 d a 控制子站l o 控制子站 竹介介uuuu 温压火污 度 力焰油 加燃 风 传传探计 热烧 感 感测量 器器 机 器器器泵 图2 5c a n 总线系统的结构 2 4 2 基于c a n 总线船用焚烧炉控制系统的通信方式 c a n 总线系统针对节点种类的不同和各种类数量的多少，可以通过两种通 信方式来完成信息的传输，它包括多主式结构和单主从式结构。 多主从式结构：c a n 网络上任意两点之间可以在任意时刻进行信息交流， 不分主从节点，不用占地址节点信息，通信方式多样。 单主从式结构：c a n 网络上每个节点的功能是有区别的，任意两点不能进 行自由平等的信息交流。各个从节点之间的通信必须通过主节点的调节器来规 划。 武汉理上人学硕士学位论文 c a n 总线通信方式有以下特点： 1 ) c a n 可以点对点连线，点对多连线以及广播方式传输数据。 2 ) c a n 网络上的节点根据不同的实时要求可分为不同的优先级。 3 ) c a n 采取非破坏总线仲裁技术，当多个节点同时向c a n 总线传输数据 的时候，优先级高的占用c a n 总线，级别较低的退出传输，这样就减少了总线 冲突仲裁时间，减轻了网络的负担。 4 ) c a n 不但能够单主通信方式工作，而且还能多主通信方式工作，网络 上的任意一个节点都可以不分主从的向其他的节点传送信息，通信方式多样。 5 ) c a n 通信距离长，通信距离最大可达到距离1 0 k m ；通信速率高，最高 通信速率可达到1 m b s 。 本设计中的c a n 总线系统采用主从式通信方式工作，网络上的节点包括一 个主节点和三个分节点，区别于多主式结构的网络那样可以进行任意两点间的 自由通信。本系统的通信方式中，整个c a n 网络的通信活动要依靠单片机主站 中的调度器来调节，子站和子站之间不能进行直接通信。 2 4 3c a n 总线船用焚烧炉控制系统的通信协议 数据的传输由4 个不同的帧类型所表示和控制： 数据帧：数据帧负责将数据从发送器传送到接收器。 远程帧：当c a n 总线单元需要发出远程帧的时候，请求发送具有同样 识别符的数据帧。 过载帧：过载帧用以在已发送的和将要发送的数据帧( 或远程帧) 之 间增加一段额外的延时。 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 在c a n 2 0 b 的版本协议中有标准帧、扩展帧两种不同的帧格式，它们 的不同之处为标识符域的长度不同，标准帧含有“位标识符，而扩展帧含 有2 9 位标识符。 c a n 标准帧含有1 1 个字节，包括信息与数据两部分。前3 个字节为信息部 分，后8 个字节为数据部分。其中字节l 为帧信息，第1 位到第3 位表示数据 帧时数据的长度，第6 位表示帧的类型，第7 位表示帧格式：字节2 、字节3 中 含有1 1 位有效报文识别码；字节4 到字节1 1 为数据帧的实际数据。它按照i d l 0 到i d 0 0 的顺序发送。标准帧如下表2 1 所示。 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 表2 1c a n 2 0 标准帧 7654321 字节1 f fr t rxx 数据k 度 字仃2 ( 报文识别码) i d 1 0 i d 3 字节3i d 0 2 - i d 0 0r t r 帧数据部分 字肖4字：1 了5字节6字节7字肖8字节9字节1 0字节1 1 c a n 扩展帧含有1 3 个字节，包括信息与数据两部分。前5 个字节为信息部 分，后8 个字节为数据部分。其中字节l 为帧信息，第1 位到第3 位表示数据 帧时数据的长度，第6 位表示帧的类型，第7 位表示帧格式；字节2 到字节5 中含有2 9 位有效报文识别码；字节6 到字节1 3 为数据帧的实际数据。它按照 i d 2 8 到i d 0 0 的顺序发送。扩展帧如下表2 2 所示： 表2 - 2c a n 2 0 扩展帧 7654321 字节1f fr t rx x 数据长度 字节2( 报文识别码) i d 2 8 i d 2 1 字节3 i d 2 0 - - , i d 1 3 字节4 i d 1 2 i d 0 5 字节5 i d 0 4 - - i d 0 0xxx 帧数据部分 字节6字节7字节8 字节9字节l o字节1 1 字节1 2 字节1 3 本文中的c a n 总线系统要求，不但能实现主站与目标子站之间点对点的通 信，而且还能够完成主站对所有子站的区域广播，因此通信协议采用扩展帧的 帧格式。这样不仅丰富了通信手段，增加了滤波器的功能，而且为网络优先级 的划分提供了条件。 根据本系统实际通信的需要，设定扩展帧的2 9 位有效报文识别码格式如下： 1 ) i d 2 8 - i d 2 1 位存放接受信息或者发送信息的目标节点地址，当数据发 送采用广播形式的时候，该8 位全部设置为1 。 2 ) i d 2 0 i d l 3 位存放发送信息或者发送信息的本节点地址。 武汉理【大学硕士学位论文 3 ) i d l 2 i d l 0 位存放控制命令。 4 ) i d 0 9 - - i d 0 5 位存放该数据包共含有的帧总数。 5 ) i d 0 4 - i d 0 1 位存放当前发送或接受到的第几帧数。 本系统的扩展帧格式如下表2 3 所示： 表2 3 本系统的扩展帧 帧 标 识 符 l d 2 3l d 2 2l d 2 l 1 ) e s tm a c l d ( 目标节点地址) i d 2 0ll d l 9l l d l 8 s i cm a c l d ( 本节点地址) i d l 2l d l l i i d l 0 i l d 9 l d 8 命令帧总数 l d 2 当前第几帧 2 5 本章小结 本章首先介绍和分析了本系统的控制对象船用焚烧炉的基本结构组成 以及工作原理。针对船用焚烧炉的性能要求，概括了基于c a n 总线的分布式船 用焚烧炉控制系统的总体设计方案。在设计方案中，比较详细地叙述了基于c a n 总线的控制系统的结构，通信方式以及通信协议。在第3 章和第4 章中里面将 重点地讨论关于该系统的硬件实现和软件实现。 1 6 武汉理工人学硕十学位论文 第3 章船用焚烧炉控制系统硬件设计 在上一章中，对于船用焚烧炉控制系统，提出了分布式设计方案。即整个 系统由一个主站模块和若干子站模块组成，而且每个模块都用一个单片机进行 管理，通过c a n 总线进行信息交换。本章将在整体设计方案的基础上，对主站 电路、子站电路以及通信电路进行研究和设计。 3 1 主站硬件设计 该系统中的主站模块由控制部分、通信部分、外部存储以及时钟部分构成。 主站实现的功能主要有：通过c a n 总线采集各个子站控制器传送的温度、压力、 燃油耗量、时间等参数数据并进行适当处理，同时主站上的l e d 实时显示各通 道的传输状态，然后传送给上位机，由上位机显示屏可视化各站的运行状况。 当出现异常情况的时候，主站控制器驱动蜂鸣器，上位机报警，主控制器将故 障数据及时保存至外部存储器以供操作人员随时查阅故障记录。主站结构框图 如图3 1 所示： r s 2 3 2 总线 图3 1 主站结构框图 1 7 武汉理一 人学硕士学位论文 3 1 1 主站控制部分设计 1 ) 主控制芯片的选择 因为船用焚烧炉工作的环境比较恶劣，要求控制器主控制芯片的稳定性较 强、处理信息的速度较快，并且价格较便宜，所以选用a t m e l ( 爱特梅尔) 公 司生产的a t 8 9 s 5 2 型号的单片机作为主控制芯片。 a t 8 9 s 5 2 是一种低电压、低功耗、高性能的8 位微型控制器，在指令系统 和工艺方面都与型号8 0 c 51 单片机完全兼容。它含有8 k 字节可编程f l a s h 存储 器，该片内f l a s h 采用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，允许系统和 常规编程器对程序存储器进行编程。因此，a t 8 9 s 5 2 单片机广泛应用于嵌入式 系统和工业控制系统中【8 1 。 a t 8 9 s 5 2 单片机具有以下标准配置：8 k 字节片内f l a s h 、2 5 6 字节r a m 、3 2 根i o 线、全双工串行通信口、3 个1 6 位定时器计数器、看门狗电路、片内晶 振及时钟电路。除此之外，当a t 8 9 s 5 2 工作频率降至0 h z 时，可以运用静态逻 辑继续工作，并且支持2 种节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，r a m 、定 时器计数器、中断、串口仍然工作。掉电保护模式下，信息保存在r a m 中， 振荡器和单片机停止工作，直到硬件复位或下一个中断到来为止。其结构如图 3 2 所示【9 】： 外部中断 中断 控制器 中央 控制器 内部中断 r o m 只读 存储器 r a m 随机访问 存储器 总线 控制器 8 位数据总线 振荡器lii o 口li串行口定时器计数器 p l t p 4t ) dr k d 计数输入 图3 2a t 8 9 s 5 2 结构图 2 ) 并行i o 口扩展电路 1 8 武汉理 人学硕士学位论文 尽管a