（电路与系统专业论文）基于ni的多功能锅炉控制系统研制.pdf

摘。要 锅炉系统采用微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微 型计算机软硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。 本论文由n i 控制系统和单片机控制系统两大部分构成，n i 控制系统 基于p c 机和d a o 基础上，利用虚拟仪器技术实现多个锅炉的联合控制，可 随时查看各子系统的当前运行状态和历史运行记录等信息。单片机控制 系统采用a v r 系列a t m e g a l 6 单片机作为主控制器，主要包括温度信号采集 单元、液晶显示单元、时钟单元等部分，利用丰富的硬件抗干扰技术， 同时结合软件抗干扰，使控制系统的运行更加准确可靠。 本文就锅炉控制系统的硬件构成，硬件及软件设计等进行了详细介 绍。另外，由于网络技术和通讯技术的发展，使本系统能够对锅炉进行 远程监控，提高锅炉的安全性，并且降低操作人员工作量，提高管理水 平。 该套系统在实际应用中取得很好的控制效果。 关键词：锅炉系统单片机虚拟仪器 t h eb o i l e rs y s t e mi sc o n t r o l l e db ym i c r o c o m p u t e r r san e wt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s , i ti sap r o d u c tb yt h em i c r o c o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r e , t h ea u t o m a t i cc o n t r o l ，t h eb o i l e re n e r g yc o n s e r v a t i o na n d s oo n 。 t h i sp a p e ri si n t r o d u c e dab o i l e ri n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m i ti si n c l u d e d n a t i o n a li n s t r u m e n t0 q i ) c o n t r o ls y s t e mo fv i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) a n d m i c r o c o m p u t e ru n i t ( m c u ) c o n t r o ls y s t e m n ic o n t r o ls y s t e m i sr e s p o n s i b l e f o rt h eu n i t e dc o n t r o lo fm a n yb o i l e r s ，s e n d i n gc o n t r o lc o m m a n dt ol o w e r c o n t r o ls y s t e m , a c c e p t i n gc o n e c t i n gd a t af r o ml o w e rc o n t r o ls y s t e m , d i s p l a y i n gr e a l - t i m eo rh i s t o r yw o r k i n g s t a t ef o ru s e r m c uc o n t r o ls y s t e mi s r e s p o n s i b l ef o ra u t o m a t e dc o n t r o lo fs i n g l eb o i l e r i tu s e sa t m e g a l 6a sm a i n c o n t r o lc h i p ，i ta l s oi n c l u d e sa n a l o g o u ss y s t e mu n i t , t h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y u n i t , t h er e a l - t i m ec l o c ku n i ta n ds oo n , a n du s e st h eh a r d w a r ea n t i j a m m i n g t e c h n o l o g y , s i m u l t a n e o u s l yu n i f i e so r es o l , r a r ea n t i j a m m i n g , c a u s e st h e c o n t r o ls y s t e mt h em o v o l n e n tt ob em o r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l y t l l i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ec o m p o s eo fb o i l e rc o n t r o ls y s t e m , t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb r i e f l y m o r e o v e r , t h eb o i l e rc a l lb e c o n l x o l l e dl o n g - d i s t a n c ea st h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kt e c h n i q u ea n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e , w ec a nc a r r yo rt h el o n gr a n g es u p e r v x s l e n 协t h e b o i l e r , a n dl o w e r t oo p e r a t ep e r s o n n e l sw o r k l o a d , a n de n l l a n c et h es a f e t yo f t h eb o i l e ra n dm a n a g e m e n tl e v e l i ts u c c e e d si nf a c ta p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：b o i l e rc o n t r o ls y s t e m m c uv i r t u a li n s t r u m e n t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于n i 的多功能锅炉控制系统研 制是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名：衅 卫年上月互日型年上月二日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 指导导师签名旌 卫压上月三日 五让月与 第章绪论 1 1 锅炉控制系统的背景及意义 锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的动力设备， 而锅炉控制通常采用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的效果。 随着计算机控制技术的日益成熟，工业锅炉的计算机自动控制系统 也得到不断发展和完善。锅炉生产采用自动控制，不仅可以大大减轻操 作人员的劳动强度，改善工作环境和条件，而且可以在更大程度上提高 锅炉燃烧效率，达到节能降耗的目的。为了使锅炉工作稳定、安全、经 济，可以提高锅炉的监控品质因数和平均热效率，从而节省能源，减少 污染，减轻操作人员的工作负担，提高锅炉的科学管理水平。 在此基础上，实现锅炉系统的自动化控制，可以保证锅炉安全、可 靠、经济的运行。该锅炉自动控制装置，能对锅炉进行过程的自动检测、 自动控制等多项功能。保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人 员的劳动强度微机锅炉控制技术具有良好实用前景，既可节能又可提高 锅炉的运行管理水平，减轻环境污染，目前国内只有几百台锅炉采用微 机控制，占总数的很小一部分，所以推广应用该技术就显得十分繁重。 同时，该技术也在不断完善和提高，在进一步降低造价及锅炉本体设备 的改造紧密配合方面还有许多工作要做”。 同时随着科技的发展，锅炉温度控制系统也日趋完善。由美国国际 仪器公司n a t i o n a li n s t r u m e n t ( n i ) 生产的硬件设备和l a b v i e w 软件平台 构建的锅炉检测系统，可快速、准确判断锅炉的运行状态。与传统仪器 构建系统的方法相比，采用虚拟仪器的方法效率高、开发周期短、功能 强大、使用方便、界面友好。l a b v i e w 作为一个具有良好开放性的虚拟仪 器开发平台，能在其上开发出功能强大、开放性好的虚拟仪器软件，构 建出实用性强的测试、分析及控制系统，具有广阔的应用前景。 本系统中采用的虚拟仪器技术，主要是以计算机为核心，通过最大 限度地利用计算机系统的软件和硬件资源，使计算机在仪器中不但能象 在传统程控化仪器中完成过程控制、数据运算和处理工作，而且可以用 强有力的软件去代替传统仪器的某些硬件功能，直接产生出激励信号或 实现所需要的各项测试功能。虚拟仪器系统技术的基础是计算机系统， 核心是软件技术嘲。虚拟仪器软件中，应用最多的是l a b v i e w 软件，它是 由美国n i 公司开发的优秀的图形化编程开发平台，b p l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ( 实验室虚拟仪器工程平 台) ，是目前应用范围最广、功能最为强大的虚拟仪器开发平台。 l a b v i e w 作为一个具有良好开放性的虚拟仪器开发平台，能在其上开 发出功能强大、开放性好的虚拟仪器软件，构建出实用性强的测试、分 析及控制系统，具有广阔的应用前景。 鉴于此，本锅炉测控系统研究意义如下： ( 1 ) 可提高锅炉运行的安全性、可靠性 通过实时检测装置把锅炉系统及周边设备的运行状态和运行参数随 时报告给人和智能控制系统，由自动调节装置对系统的运行状态进行调 节；智能程序自动控制装置能简化操作步骤和减少操作数量，避免误操 作；保护装置能使系统运行中周边设备发生异常、运行参数如锅炉水位、 出水温度、回水温度超过允许值提供声光报警或自动停炉等应急自动处 理删。 ( 2 ) 可提高锅炉运行的经济性 锅炉在燃烧过程中，各项技术指标都要求限定在一定范围内。为了 确保燃烧过程的稳定、可靠和经济运行，设计采用先进的计算机应用技 术，锅炉燃烧过程智能控制装置通过检测出水温度、回水温度、锅炉水 位等运行物理量，通过智能控制器及变频器控制鼓引风机转速，改变鼓 风量、引风量、送煤量，使出水温度、回水温度控制在预定范围内，保 证锅炉在最佳的风煤比下燃烧，在最节能条件下运行啪嘲。 ( 3 ) 可提供友好的操作界面 由美国n a t i o n a li n s t r u m e n t ( n i ) 公司生产的p c i - 6 0 1 4 数据采集卡 和l a b v i e w 软件平台构建的锅炉检测系统，可快速、准确判断锅炉的运行 状态。与传统仪器构建系统的方法相比，采用虚拟仪器的方法效率高、 开发周期短、功能强大、使用方便、界面友好嘲。 1 2 锅炉控制系统研究现状 我国现有燃煤锅炉4 0 多万台，这些锅炉大部分采用常规仪表和人工 手动控制，靠人工调节风门大小来控制鼓、引风量，大量的电能浪费在 风门上，人工调节炉排速度，平均热效率仅在6 5 左右，造成能源的大量 浪费和环境的污染。为了适应节能和环保的需求，挖掘老设备的潜力， 实现锅炉的高效燃烧，降低能耗，是目前所迫切需要解决的问题。1 。 锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、 由机械到电子的过程。5 0 年代以前，锅炉的控制只是人工操作，全凭司 炉工人的控制经验，谈不上自动控制。到了6 0 8 0 年代，逐步出现了由 常规检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本 低，易于操作和维护等优点，在大、中、小工业企业中得到了广泛应用， 解决了不少自动化方面的问题。但是，随着生产向连续化、大型化发展， 对自动化技术的要求越来越高，模拟自动控制系统越来越表现出它的局 限性。例如，它难以实现多变量控制，复杂控制规律的控制，最优控制 以及实时控制等，各个系统之间不便进行通讯联系，难以实现多级控制， 控制方案的修改比较麻烦等等。9 0 年代，计算机发展为自动化系统的控 2 制核心，计算机控制系统运算速度快，控制精度高，并且具有分时操作 功能，一台计算机可代替多台常规装置，计算机具有较强的记忆功能和 逻辑判断功能，在环境或过程参数发生变化时，能及时做出判断，选择 最优控制决策，这是模拟控制装置所不能达到的。现如今，随着计算机 网络飞速发展，任何事物都己经没有了地域限制，把锅炉控制系统通过 网络联系在一起，形成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这又 将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。作为锅炉控制装置，其主要任 务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采 用微计算机控制，能对锅炉进行运行过程中的自动检测、自动控制等多 项功能。 锅炉系统采用微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微 型计算机软硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我 国现有中、小型锅炉3 0 多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的l 3 ，目前 大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。 提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。 锅炉自动控制系统是根据要求或负载特性，自动对锅炉热工参数进 行检测，以保证锅炉运行的安全性和经济性的自动控制系统。锅炉控制 系统具有提高锅炉输出参数的稳定性、保障操作人员及设备的安全、改 善锅炉房的生产条件、减轻司炉人员的劳动强度、节约能源等优点。据 锅炉生产采用计算机控制后预算，一般可节约燃料1 0 2 0 ，节约用电 1 0 ，因此经济效益是很可观的。从某种意义上来说，自动控制系统的优 劣决定了锅炉的安全性、经济性和锅炉的寿命m ，。 锅炉控制系统的硬件配置，目前有几种，其中可编程序控制器p l c 适合于多台大型锅炉控制，由于p l c 具有输入输出光电隔离、停电保护、 自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，敛 障率低，如北京丽都饭店使用的p l c 控制系统，运行几年来从未发生任何 故障。p l c 编程简单，易于通信和联网，多台p l c 进行同位链接及计算机 进行上位链接，实现一台计算机和若干台p l c 构成分布式控制网络，如果 从长远观点看，其寿命长，故障率低，易于维修，值得选用。但是，价 格较高，如果是控制单台，资源不能充分利用，多台锅炉控制能提高性 能价格比川。 第二种是1 6 位s t d 总线工业控制机为主机构成的系统，由于其性能价 格比较高，所以国内用的较多，微机内部一般采用总线式模块结构。组 态灵活，维修方便，s t d 总线结构很适于工业环境，按测量参数的多少和 控制回路的数目选配相应的模板，在操作上，考虑到现场人员的技术水 平，对开机操作，控制目标，控制参数的修改，手自动切换等设置了最 简便的操作，国内有许多家搞这方面的研制，就其产品而言，使用较好 的是大连d m c - 5 0 0 t 系列产品。适用于1 0 吨以上锅炉使用，价格适中。 第三种是智能仪表控制，以单( 双) 回路可编程控制器为主，以p c 机为主机，彼此间采用r s 一2 3 2 或者r s 一4 8 5 相连，它可以接受多路模拟量 及开关量输入，实现复杂的运算、控制、通信及故障诊断功能，它 与模拟仪表一样，可与常规仪表混合合作，作为集散控制系数的一部分， 是现代自动控制、计算机及通信技术最新发展产物。该仪表编程方式采 用模块化，容易掌握。山东酒精总厂就是用该仪表构成锅炉微机控制系 统，运行良好 1 3 锅炉控制系统概述 本论文设计的锅炉测控系统，就是建立在第三种控制方法基础之上， 主要由温度测试系统、单片机控制系统、计算机控制系统、无线传输系 统及辅助系统等几大部分组成，可以完成对给水、鼓风、引风等进行自 动控制，使锅炉的出水温度、回水温度和水位保持在规定的数值上，以 保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降低煤耗、提高供暖质量的目的， 并且可对炉温等进行超限报警，发出声光报警信号，可定时打印出十凡 种运行参数的数据，以形成生产日志和班、日产耗统计报表等功能“町。 本系统分为主机和从机两个控制部分。其中主机测控系统由一台p c 机和n i 公司的p c i 一6 0 1 4 数据采集卡组成，实时监控软件主要实现锅炉系 统的参数设置、温度显示、运行控制、数据统计和历史记录查询等功能， 实时接收各从机采集的湿度数据，记录各台锅炉的运行状态，监控整个 系统的运行情况o ”。主机锅炉控制系统，又存在两种控制方式，分别为 自动控制和手动控制，通过转换开关可以实现两种控制方式的自由转换， 并且通过主机还可以实时远程监控多台锅炉的运行状况，能够完成各项 管理功能和报警保护功能，达到节约能源、减少环境污染、降低劳动强 度的目的。 从机控制系统主要由单片机及外围部件组成，主要完成采集单台锅 炉的锅炉水位、出水温度和回水温度等热工参数，保证单台锅炉安全稳 定运行，还可以通过通信模块定时向主机发送锅炉的工况数据、接收并 执行主机发送的控制指令“。 4 第二章锅炉控制系统总体方案设计 本文设计的锅炉控制系统，具有超温报警，温度测量，温度控制， 温度显示等功能，通过灵活方便地使用这些功能，让锅炉的操作更加简 单，性能更加稳定，功能更加齐全，可靠性更高。 2 1 设计要求 锅炉作为重要的动力设备，生产过程的各个主要参数必须严格控制。 锅炉设备也是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、 燃料量、送风和引风等，主要输出变量是锅炉水位，出水温度，回水温 度”，本系统重点利用智能控制描述锅炉系统中温度信号的采集处理过 程。 所谓智能控制，就是人工智能技术与自动控制技术的结合，即人的 知识、经验融合于自动控制之中，从而解决常规控制无法解决的控制难 题，锅炉智能控制也是如此。尽管过去的锅炉自动化系统投运率很低 然而生产照样进行，人工操作也能完成，说明操作工脑子里有锅炉控制 模型，但这种模型更多是知识性模型”。而人工智能技术是专门为描述 知识性模型的计算机实现的，因此在锅炉自动化系统中尤有用武之地。 也可以说，对于锅炉这类的粗糙复杂对象的控制，唯一途径是引入人工 智能方法方可奏效j 。 鉴于其控制对象的复杂性，控制环境的特殊性和运行周期的连续性， 本系统需要设计的锅炉控制系统，由主机和从机两部分组成，其中从机 由温度信号采集部分、无线信号传输部分、单片机控制部分、键盘显示 与报警等部分构成。主机由p c 机、p c i 6 0 1 4 数据采集卡和l a b v i e w 软 件组成，完成整个系统的监控管理操作。并且根据此系统实际要求，本 系统设计出3 种不同的控制方式； 1 近距离单片机直接控制。在锅炉实体附近，为了控制方便，本系 统设计了单片机直接控制方式，即从机系统控制。它是利用a t m e g a l 6 单 片机及外围电路，结合软件编程技术，可以实时测试锅炉信号，并且具 有按键控制和超温报警能力。如果结合方式2 和方式3 ，从机系统还提 供了通信模块设计，实现和主机间的数据传送。系统中方式1 可以脱离 主机独自对锅炉进行控制，实现超温报警等功能“”。 2 远距离无线控制。当主机和从机一一对应时，即一台主机控制一 台从机时，可以采用这种方式。在这种控制方式下，主机可以通过数据 采集卡和无线通信模块，利用n i 公司的虚拟仪器技术完成系统测试和控 制功能。 3 。远距离有线控制。当一台主机控制多台从机时，或者传输距离较 远，无线信号传输容易受到干扰时，可以采用这种方式在这种控制方 式下，主机和从机利用r s 4 8 5 通信技术，实现主从机间的数据传递。 2 2 锅炉控制系统方案设计 2 2 1 锅炉控制系统的工作原理 锅炉运行的一般过程都是，采集到的工艺参数经温度、压力、流量 等传感器变送器采集并转换后，一部分直接接入输入模块；另一部分通 过控制柜显示仪表接入系统。系统将数据发送至主机，并经处理后以实 际工程量值显示，用以计算、分析、报表、存储、控制“” 其中微机控制系统由工控机、显示器、打印机、手操器、报警装置 等组成，能完成对给水、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的出水温 度、回水温度、锅炉水位保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行， 平稳操作，达到降低煤耗、提高供送水质量的目的，同时对运行参数如 压力、温度等有流程动态模拟图画面并配有数字说明，还可对水位、温 度等进行越限报警，发出声光报警信号“”。 而本系统重点采集锅炉的出水温度和回水温度，利用主机或从机控 制系统直接对其处理，并且同时具有打印、存储和报警功能。本系统结 构框图如图2 一l 所示。 图2 - 1 系统结构框图 本系统中，若主机控制多个从机，则可利用r s 4 8 5 总线技术实现主从 机间的数据传送；若主机控制单个从机，则可以利用p c 技术和n i 公司的 d q 数据采集卡实现对锅炉系统的单独控制；若在主机没有控制权的情况 下，从机也可以独自完成对锅炉系统的控制。据此设计三种控制方式， 如图2 2 所示，分为近距离手动控制和远距离程控控制，而远距离控制又 分为无线控制和有线控制两种方式“” 6 图2 2锅炉系统三种控制方式 在本系统中，温度参数是本系统信号采集的重点。锅炉供热能力用 热功率表示，可按下式计算：( 单位为k w ) q ：k m f r 2 - t d( 2 1 ) 其中：q 为锅炉供热量( 单位为k j h ) k 为水的定压比热( 单位为k j ( 1 q g ) ) m 为热水流量( 单位为k g m ) t 2 为锅炉出水温度( 单位为) t l 为锅炉回水温度( 单位为) 根据能量守衡原理，锅炉所提供的热量应等于系统所消耗的热量。在 公式( 2 1 ) 中，共有三个变量：锅炉出水温度、系统回水温度和热水流量。 在锅炉的各种应用，如供应热水、洗浴或采暖中，控制系统的任务就是 保障系统回水温度达到用户使用要求，那么可调量只剩下锅炉出水温度 和热水流量“8 。锅炉出水温度的高低反应了锅炉系统所能提供的热量， 系统回水温度的高低反应了用户所消耗的热量。在系统达到平衡稳定时， 锅炉当前提供的热量正好等于用户当前消耗的热量，锅炉能保证供水质 量：当用户消耗的热量发生变化时，应该能使锅炉提供的热量随着用户 消耗热量的变化而调整，既锅炉提供的热量应根据负荷的变化而做相应 调整，使系统不断从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态，既达到动态 的平衡。即通过调节锅炉出水温度和热水流量的方法来达到调整锅炉供 热量，使之与用户当前消耗的热量相等，保证供热质量的目的，这就是 锅炉控制系统的基本工作原理“”。根据其工作原理，本系统设计从机控 制系统，主要f h v r 单片机结合其它硬件系统组成，其系统框图如图2 3 所示。 7 锅望特 堑 片 机 测 凶u 。 控 系 统 图2 3 从机系统框图 由上图可知，从机控制系统主要由单片机测控系统组成，主要对锅炉 出水温度、回水温度等热工参数的采集，通过分析处理这些参数，保证 锅炉的安全稳定运行，还可以通过通信模块定时向主机发送锅炉的工况 数据、接收并执行主机发送的控制指令。 2 2 2 从机控制方案论证 据以上分析，从机主要由温度信号采集部分、通信模块、温度显示、 单片机控制等部分构成。 1 温度信号采集模块 方案一： 热电偶的测温范围宽，可以达到- - 5 0 + 1 6 0 0 ，并且有较好的测 量精度。另外，熟电偶已标准化，产品系列化，易于选用，可以用模拟 法调整电路或仪表，也可以方便地用计算机作非线性补偿，因此它是目 前接触式测温中应用最广的温度传感器。但是热电偶传感器有其固有缺 陷。灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放 大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。1 方案二： 采用美国d a l l a s 公司生产的单线数字温度传感器1 8 8 2 0 ，它可把温度 信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片d s l 8 8 2 0 含有唯一的 硅串行数，所以在一条总线上挂接任意多个d s l 8 8 2 0 芯片。独特的单线接 口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 d s l 8 2 0 的双向通讯。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线也可以 向所挂接的d s i s b 2 0 供电，而无需额外电源。d s l 8 8 2 0 提供9 位温度系数， 构成多点温度检测，并且系统无需任何外围硬件。进行温度信号采集， 经过传感器内部的电路直接将温度变换成数字。单片机经过传感器上的 单线总线对传感器进行设定和测量。但在本系统中，传感器不易封装。 方案三： 熟电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件 现在应用较多的铂、铜、镊等热电阻。铂的物理、化学性能稳定，耐氧 化能力强，工业性好，电阻率较高，大多用于工业检测中高精度测温和 s 温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受磁场影响大，在还原介质中 容易被玷污变脆。而铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯 加工，所以本系统采用较常用的铜电阻w z c 型铜电阻c u 5 0 ，其测温范围为 一5 0 1 5 0 。 本系统中采用方案三，利用铜电阻测温。 2 通信模块电路 方案一： 采用美国a c m 公司生产的新一代高性能、低成本的单片发射芯片 c m t x l 6 ，可工作于4 0 0 - - 4 6 0 m h z 频段，性能优良，外围电路简单，是专为 遥控、数据传输、无线标签、小型寻呼系统等应用设计的。a c n t r x l 6 是大 规模集成电路，设计独特，内部采用p l l 合成技术，因此只需外接廉价的 低频率晶体和少数外部元件即可得到所需频率。a c m t r l 8 是与a c m t x l 6 相 对应的单片接收芯片，其内含v c o 、p l l 电路，接收灵敏度 1 0 5 d b m ，在 无线数传应用时可接收大于5 0 k b p s 的串行数据。 方案二： 采用无线收发模块n r f 4 0 1 ，具有稳定性高、抗干扰能力强、灵敏度高 等优点，采用s m t 贴片元件工艺，选用优质名牌阻容件，以及用其表面谐 振器稳频，使其性能在恶劣的环境下更能显示出其优势所在，主要芯片 采用目前世界上最先进的超外差接收芯片技术。接收灵敏度为一1 0 5 d b m 。 主要用在工业控制，数据传送，计算机通讯等方面。 相比较而言，第二种方案更有利于本系统的测量，所以本系统中采用 无线收发一体模块n t f 4 0 1 实现数据的无线传输。 3 显示模块 方案一： 发光二极管显示器l e d 是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。它 是由若干个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一 个笔划发光，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，常用 为七段显示器结构。但是由于本系统需要显示的数据类型比较多，l e d 已经不能满足要求。 方案二： 显示采用图形l c d ，它是一种被动式显示器，由于其功耗极低、抗干 扰能力强，因而在低功耗的单片机系统中大量使用。l c d 本身不发光只是 调节光的亮度，目前市场上销售的l c d 显示器都是利用液晶的扭曲一向列 效应制成，这是一种电场效应，夹在两片导电玻璃电极间的液晶经过一 定处理，它内部的分子成9 0 度的扭曲，当线性偏振光透过其偏阵面便会 旋转9 0 度。当在玻璃电极上加上电压后，在电场作用下，液晶的扭曲结 构消失，其旋光作用也消失，偏振光便可直接通过。当去掉电场后液晶 分子又恢复扭曲结构。它与p c 机相比，成本较低，可以实现汉字和数 据的直观化，增加多路也易于实现。 所以本系统采用l c d 显示。 4 控制器选择 方案一： 采用p c 机对该系统进行控制，其优点在显示界面和方法多，如采用 v b 或用l a b v i e w 等，比较美观。但根据题目要求，从机有报警时主机可进 行声光报警，通信需采用r s 4 8 5 标准，传输距离较远。 方案二： 采用8 9 c 5 1 为核心的单片机，它与p c 机相比，成本较低，处理速度较 快，增加多路也易于实现。在设计时，本系统采用语音报警，可使工作 人员听到报警信息，并可通过控制开关直接解警。 方案三： 采用a v r 单片机a t m e g a l 6 作为系统的微控制器，a v r 单片机是a t 把l 公司推出的具有r i s c 结构的、哈佛总线的高性能的8 位单片机。该控制系 统的单片机选型主要考虑到了a v r 单片机的诸多优点：具有丰富的片内 资源，使系统简洁可靠；运算速度快，能达至i j l h i p s 的处理速度，有利 于实现智能控制算法：a v r 单片机中的m e g a 系列具有超强的抗干扰能 力，增强了产品的安全可靠性；具有高效、廉价的高级语言开发环境， 便于功能的扩展与变更，极大的缩短了开发周期。 所以本系统中主机采用p c 机控制，从机采用以a t m e g a l 6 为核心的单 片机控制方式。 2 2 3 主机控制方案论证 主机采用联合控制，一般有三种控制方式：分散控制，集中控制，集 散控制。 分散控制是指当有多台锅炉时，每台锅炉都有各自的一套控制系统， 一般是单片机或可编程控制器，它们有各自的专用键盘、液晶或数码显 示单元，各自设置被控对象的运行参数及控制运行，相互之间没有关系。 集中控制是指多台锅炉共用一套控制系统，一般为工业控制微机，利用 微机的高速运算进行分时控制和处理中断。集散控制是分散控制与集中 控制的组合，每台锅炉都有一台单片机或可编程控制器进行闭环控制， 在总控室还有一台工业控制微机，与各单片机或可编程控制器进行通讯， 对锅炉的运行参数进行修改，各台锅炉运行状态的监控在工业控制微机 上进行恻。 对于多台锅炉的供热系统来说，采用分散控制时，各台锅炉自行独 立控制，无法根据负载的变化对供热系统进行整体调整，而且操作与监 视比较麻烦，但可靠性较高，一台控制器出现故障只影响一台锅炉的运 行，对系统供热能力影响不大，适用于负载变化不大，且对可靠性要求 i o 较高的场合。集中控锏便于对整个系统迸行协调控制，操作与监视较为 方便，但如果主控制微机发生故障，则所有的锅炉均无法进行自动控制， 因此对主控制微机的可靠性要求较高。集散控制吸收了分散控制与集中 控制的长处：一台从机只负责控制一台锅炉的运行，可以采用单片机或 p l c ：台从机出现故障只影响一台锅炉的运行，不会对整个系统造成大 的影响：当主机发生故障时，只是不能改变各台锅炉的运行参数，对供热 系统进行整体调整，各台锅炉仍可在原有参数下正常运行，主机采用成 本较低的普通微机即可1 。 在主机中要完成以下功能： 1 实时准确检测锅炉的运行参数：为全面掌握整个系统的运行工况， 监控系统将实时监测并采集锅炉有关的工艺参数、电气参数、以及设备 的运行状态等。系统具有丰富的图形库，通过组态可将锅炉的设备图形 连同相关的运行参数显示在画面上；除此之外，还能将参数以列表或分 组等形式显示出来。综合分析及时发出控制指令：监控系统根据监测到 的锅炉运行数据，按照设定好的控制策略，发出控制指令，调节锅炉系 统设备的运行，从而保证锅炉高效、可靠运行一”。 2 诊断故障与报警管理：主控中心可以显示、管理、传送锅炉运行的 各种报警信号，从而使锅炉的安全防爆、安全运行等级大大的提高。同 时，对报警的档案管理可使业主对于锅炉运行的各种问题、弱点等了如 指掌。为保证锅炉系统安全、可靠地运行，监控系统将根据所监测的参 数进行故障诊断，一旦发生故障，监控系统将及时在操作员屏幕上显示 报警点。报警相关的显示功能使用户定义的显示画面与每个点联系起来， 这样，当报警发生时，操作员可立即访问该报警点的详细信息和按照所 推荐采取的应急措施进行处理w 。 3 历史记录运行参数：监控系统的实时数据库将维护锅炉运行参数的 历史记录，另外监控系统还设有专门的报警事件日志，用以记录报警 事件信息和操作员的变化等。历史记录的数据根据操作人员的要求，系 统可以显示为瞬时值，也可以为某一段时间内的平均值。历史记录的数 据可有多种显示方式，例如曲线、特定图形、报表等显示方式；此外 历史记录的数据还可以由以网络为基础的多种应用软件所应用。 4 计算运行参数：锅炉运行的某些运行参数不能够直接测量，如年运 行负荷量、补水量、设备的累积运行时间等。监控系统提供了丰富的标 准处理算法，根据所测得的运行参数。将这些导出量计算出来”。 系统中，主机和从机通过通信电路，司炉人员才能实时地掌握各个 锅炉运行的相关信息，并由此选择相应的控制策略对锅炉的功能设备进 行远程控制。所以通信任务的作用主要有以下几点： 1 和特定地址的从机建立通信联系。 2 向主机发送从机采集的锅炉相关数据 3 主机向从机发送锅炉设备控制数据。 4 以校验和的方式确保通信数据的准确性。 通信任务是系统中最重要的一个任务，只有在主机发出的锅炉地址 信息与从机相符时，通信任务才得以运行。由于通信任务的优先级很高， 因此当其收到中断函数发来的信号量时，通信任务几乎立即就可以得到 执行，这保证了整个通信系统对上从机间通信时间的要求。 第三章- 从机系统设计 本论文把锅炉控制系统分为主机和从机两大部分，本章基于 a t m e g a l 6 单片机基础上，结合单片机的软硬件设计及抗干扰技术，实现 锅炉的第一种控制方式，即近距离单片机直接控制。 3 1 从机系统的硬件结构设计 从机采用a v r 系列单片机a t m e g a l 6 作为主控制器。 v r 单片机是目前 最新的单片机系列之一，具有速度高、片内硬件资源丰富等优点，可作 为真正意义上的单片机使用。 从机由信号监测、信号处理、输出控制三部分组成。它通过传感器 获取温度值，经信号调理电路处理后直接送入控制器的a d 转换输入端。 微控制器根据信号数据及设定的各种控制参数，按照嵌入的软件控制规 律执行计算与处理，自动显示锅炉系统的温度值，输出相应的控制信号、 控制鼓引风机的启停，并根据当前状态输出正常、报警和跳闸信号等， 同时还可以将各种数据通过r s 一4 8 5 传到主机实现集中监控。其系统框图 如图3 1 所示 超温报警k 爿输出电鼯 豫 蕈。 蔗 机 故障报警 扫压堑囚 商匝固爿囹 令匝亟圃 图3 - 1 系统结构框图 从机主要包括缺相检测部分，测温电路部分，温度显示部分，输出 控制部分，实时时钟单元及通信子系统。 下面一一介绍各部分电路原理。 3 1 - 1 缺相检测电路设计 三相电机是靠不同相位的动力电工作的，缺一不可，否则不仅电机不 工作，而且还会发生危险 缺相检测电路原理图如图3 - 2 所示 薰 图3 - 2 缺相检测电路 工作状态正常时。三相都有电，a 相电通过r 1 限流，d 1 检波，c l r 稳压，电容c 1 滤波，在v i 得到一个直流电源。此电源驱动光耦，三极 管n 1 的o u t 端输出一个低电平，此时表示电源工作正常。 三相交流电是互为对称的，另外两相( b 、c 相) 也可以同上述设计。 电路要求：只要一相缺相，就需报警。因此将a 相，b 相，c 相，输出端 相“或”即有一相缺相就报警，也可以采用如下方案，既节约器件又起 到“或”的作用。电路如图3 3 所示。其工作原理如下：当a 相，b 相， c 相之中有任意一相缺相，光耦中必有一个截止，三极管n 1 的偏置电流 被隔断，n l 截止输出高电平“”。 图3 - 3 报警电路图 3 1 2 测温电路设计 从机系统的温度信号采集，主要是采集锅炉的出水温度和回水温度 锅炉出水温度的调节通过控制燃烧器的状态来实现，系统回水温度的调 1 4 节则通过控制循环泵的状态来实现。根据燃烧器和循环泵类型的不同， 分别采用分段方式和p i d 方式进行控制。分段控制方式应用于系统的开关 量输出，p i d 控制方式应用于系统的模拟量输出。本系统采用分段控制方 式。 分段控制方式的主体思想是偏差控制，即当热工参数实际采集值与 用户设定值之间存在偏差时，系统通过调节某些量来减小偏差，直至实 际采集值等于用户设定值为止但这只是一种理想设计，在实际应用中， 由于系统误差的存在。实际采集值不可能正好等于用户设定值，因此只 要偏差存在，系统就产生某些动作，如开启燃烧器或打开循环泵，这样 容易造成控制系统的振荡，外围设备频繁启停，减短其使用寿命。在此 情况下，本课题引入了回差的概念，即给用户设定值一个可以接受的波 动范围，在此范围内都可近似认为达到了用户要求。锅炉在正常运行时， 燃烧器状态根据用户炉水温度设定值、控温回差和炉水温度进行控制。 当炉水温度低于炉温设定值下限时，燃烧器同时开大、小火以迅速 加热炉水温度：当炉水温度高于炉温设定值下限时，此时炉温处于正常范 围内，只需开燃烧器小火来维持温度，因此关闭大火：当炉水温度高于炉 温设定值上限时，关闭燃烧器小火如此周而复始，使炉水温度不断在 回差范围内波动，为供热系统提供了稳定的热源。 由此可见，由于引入了回差，把温度控制范围分为了三段，因而增加 了控制手段，提高了控制精度和准确度，燃烧器的开关不是在同一个温 度点上，避免了频繁启停燃烧器。回差设定的大小，直接关系到燃烧器 的启停的频繁度，因此有时为保护燃烧器，可适当加大回差。另外，对 燃烧器的保护还包括延时设置，即控制系统对燃烧器的状态转换时间进 行检测，以保证在一定时间内( 一般为6 0 秒) 燃烧器不能两次转换状态， 即关火6 0 秒以后才能再次开火“”。 图3 - 4 为采用铜电阻的测温电路。测温范围+ o 1 0 0 。相应的输 出电压为o 4 v ，输出电压输入单片机构成温度监控系统。 图3 4 铜电阻测温电路 此电路中，温度的变化经铜电阻r x 转交成电压变化，然后根据i c l 、 i c 2 实现电阻到电压的转换，再用i c 3 作电压放大，i c 4 完成信号调整后 由a d i n 输出到单片机的a d 输入端。当温度变化时，c u 5 0 的阻值会随 着温度的变化线性变化，其分压值与某一固定电路分压值进行比较，其 结果送入运算放大器，转换成a d 转换范围内的模拟量。 在设计此电路时，各元件的参数都按照要求设计同时，还要考虑 其线性化，为了使软件设计中的计算按线性处理，在硬件设计时，一定 要将温度与转换到单片机的数字量成线性变化。 3 l 3 温度显示电路设计 以往的锅炉控制系统多采用七段数码管显示，当显示信息量较多时， 该种显示方式给使用者带来了极大的不便，而液晶显示器( l c d ) 具有功耗 低，体积小，重量轻等诸多其他显示器件无法比拟的优点，被广泛应用 于便携式仪器仪表和低功耗电子产品中。l c d 可分为段位式、字符式和点 阵式。其中，段位式l c d 和字符式l c d 只能用于字符以下的简单显示，不 能满足图形曲线及汉字显示的要求。而点阵式l c o 不仅可以显示字符和数 字，还可显示各种图形、曲线及汉字，便于实现人机对话操作，测量处 理结果显示，并且可以实现屏幕的上下左右滚动、闪烁等功能，用途十 分广泛。 本系统采用的是深圳市瑞特电子有限公司生产的1 2 2 3 2 f 型的液晶显 示器。内置8 1 9 2 个1 6 1 6 点汉字库和1 2 8 个1 6 8 点a s c i i 字符集图形点阵 液晶显示器，它主要由行驱动器列驱动器及1 2 8 3 2 全点阵液晶显示器 组成。可完成图形显示，也可以显示7 5 2 个( 1 6 1 6 点阵) 汉字。与外部 c p u 接口采用并行方式控制“。具体时序图如图3 5 ，3 6 所示。 1 6 矗s 景静 e 册o 船7 r s r w e d b o - 7 x v i i i (。 鹕与 mj 1 7 l 凸 】 ， 卜 一 戆w 一。t - 葱k ll 图3 - 5 m p u 写资料到模块 x 裟 k 划凸 一 。mj 1 7 i 幽 j ，。 r 、 堕一 山 麓震黧黧k ii 图3 6 m p u 从模块读出资料 温度显示电路如图3 7 所示。其中1 2 2 3 2 f 的数据线d b b 7 与 a t m e g a l 6 的p b 口相连，r s 控制引脚与p c o 脚相连，r s = h ，表示d b 7 加b o 为显示数据；r s - 。, l ”，表示d b 7 一d b o 为显示指令数据。r 控制端与p c 1 脚相连，r w = “h ”，e - “h ”，数据被读到d b 7 d b 0 ，r w = “l ”，e - “h l ”，明7 d b o 的数据被写到i r 或d r 中。e 端为使能信号，由单片机 的p c 2 引脚控制。该电路中的点阵液晶显示模块独占a t m e g a l 6 的相应口 线，与其他硬件电路及地址无关，所以：c s 端可直接接地，r p 为对 比度调节电位器，r l 、c l 组成上电复位电路，c 2 、c 3 为电源滤波。 1 7 图3 - 71 2 2 3 2 f 与单片机的接口电路