毛 崢

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

近年來，大氣污染的狀況較為嚴重，煤煙為污染大氣環(huán)境的主要因素之一。煤煙的排放使大氣內(nèi)二氧化碳的含量較高，易造成溫室效應(yīng)、氣候變暖等現(xiàn)象的發(fā)生，可對人們的生命安全構(gòu)成一定威脅。隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國逐漸向著綠色環(huán)保型國家靠攏。鍋爐在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，但是大多數(shù)鍋爐均以煤炭作為作為原料，該現(xiàn)象可增強排放物對環(huán)境的污染現(xiàn)象，如何降低環(huán)境的污染成為亟待解決的問題。為此本研究提出一種基于單片機的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效控制煤煙的排放量，可提高工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)工作原理

工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的體積過于龐大，為此本研究對工業(yè)鍋爐進行控制時，主要以鍋爐的出口主蒸汽壓力為例。工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)在實際運行過程中，其核心設(shè)備為單片機，通過單片機可實現(xiàn)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)操作主要包括檢測與調(diào)控。為保證工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，應(yīng)對工業(yè)鍋爐的出口蒸汽壓力進行實時監(jiān)測，并不斷調(diào)控鍋爐的排轉(zhuǎn)速設(shè)備。選用性能較高的處理器，將其應(yīng)用于工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中，有利于提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。蒸汽壓力檢測電路內(nèi)部測量的精準度可影響系統(tǒng)的控制性能，為提升系統(tǒng)的控制精度，嚴格挑選該電路的測量元件。工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)出口蒸汽壓力的數(shù)值通常在9.8～13.7 MPa，本研究選用PST-HND型壓力變送器作為該系統(tǒng)的核心設(shè)備，其測量的精度可控制在0～20 MPa，輸出電壓為0～10 V，輸出信號為0～20 mA，可滿足工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)部電路的測量要求。基于單片機的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示[1]。

圖1 基于單片機的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)工作原理

2 基于單片機的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)模塊設(shè)計

本研究對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進行設(shè)計時，為保證工業(yè)鍋爐的出水溫度可控制在系統(tǒng)的設(shè)備范圍內(nèi)，將空氣和燃氣量作為主要控制對象，通過對工業(yè)鍋爐燃氣比例閥開度的調(diào)節(jié)，結(jié)合對鼓風(fēng)機頻率的整體控制，即可實現(xiàn)工業(yè)鍋爐溫度的控制。

2.1 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)主函數(shù)模塊

該模塊在實際運行之前，首先應(yīng)將工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)與電源接通，各部分準備工作均完畢后，對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進行初始化操作；其次，完成控制、數(shù)據(jù)采集、鍵盤掃描等任務(wù)的創(chuàng)建，按照不同模塊的優(yōu)先級完成任務(wù)分配；最后對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進行自檢，直至自檢無誤后，方可啟動系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)內(nèi)全部操作均應(yīng)按照優(yōu)先級順序執(zhí)行，有利于保證各模塊功能的穩(wěn)定性[2]。

2.2 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)點火模塊

工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)在運行過程中，若出現(xiàn)點火功能的失誤，可使工業(yè)鍋爐出現(xiàn)爆炸事故，嚴重危及到工作人員的生命安全。為此本研究對點火模塊進行設(shè)計時，為保證工業(yè)鍋爐在燃燒過程中的安全性與可靠性，將該模塊的優(yōu)先級別設(shè)置為較高狀態(tài)。點火模塊的燃氣點火可分為小火和主火，其中小火指的是鍋爐在啟動時的點火過程，在系統(tǒng)啟動之前，首先應(yīng)選擇小火，若直接啟用主火，可引發(fā)系統(tǒng)的擾動問題。在保證小火的引燃狀態(tài)處于正常的情況下，即可引燃主火[3]。

2.3 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)溫度模塊

該模塊的控制對象為燃氣比例閥，通過對工業(yè)鍋爐的燃氣比例閥進行實時調(diào)節(jié)，有利于控制爐膛內(nèi)部的燃氣量。為實現(xiàn)對工業(yè)鍋爐出水溫度的實時采集，可利用模糊自適應(yīng)PID控制算法，將工業(yè)鍋爐當前時刻與前一時刻的溫度差值作為誤差信號e，利用微分處理操作將誤差信號轉(zhuǎn)換為誤差變化率ec，將e與ec一同輸入至PID控制算法內(nèi)，通過相關(guān)計算即可得到精確的模擬量，將該模擬量輸入至執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部，以此實現(xiàn)對燃氣比例閥開度的精準調(diào)節(jié)，最終有效控制工業(yè)鍋爐的出水溫度。

2.4 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)報警模塊

該模塊為工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的核心模塊，通過對報警模塊進行設(shè)計，有利于保證工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的安全性。報警模塊的信號包括預(yù)警和報警，其中預(yù)警信號指的是：通過工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，將采集結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定值相比，采集結(jié)果的數(shù)值處于偏高狀態(tài)，但未超過系統(tǒng)設(shè)定值。報警信號指的是系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)數(shù)值超過系統(tǒng)設(shè)定值。本研究對該模塊進行設(shè)計時，將綠色的LED燈用作預(yù)警信號的顯示，紅色的LED燈用作報警信號的顯示。當系統(tǒng)綠色LED燈亮起時，司爐人員應(yīng)加強對工業(yè)鍋爐的觀察。當系統(tǒng)紅色LED燈亮起時，需要司爐人員及時采取相應(yīng)的措施對鍋爐進行操作，防止工業(yè)鍋爐出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，將安全事故的發(fā)生概率降至最低[4]。

2.5 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度模塊

該模塊為工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的核心模塊，通過該模塊可實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、鍵盤管理、數(shù)據(jù)顯示、處理、任務(wù)輸出等功能的調(diào)度，并且各模塊的優(yōu)先級均由任務(wù)調(diào)度模塊進行處理，任務(wù)調(diào)度結(jié)束后，即可結(jié)束該模塊的調(diào)度程序，若未順利完成該模塊的調(diào)度程序，應(yīng)立即返回初始階段，重新對該模塊進行任務(wù)調(diào)度。該系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時，主要采用并行的方式，有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 基于單片機的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)主控制模塊

本研究設(shè)計主控制模塊時，將STM32單片機作為工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的核心。STM32F407芯片屬于一種增強型的微控制器，其內(nèi)核為Cortex-M4架構(gòu)，內(nèi)部集成了DSP和FPU指令，最高頻率可達168 MHz，有利于提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。該單片機具有高性能、低成本、低消耗的優(yōu)勢，將該單片機應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，可提升系統(tǒng)的可靠性。STM32F407芯片內(nèi)含有FLASH、SRAM、17個定時器等豐富的資源，在單片機的通信接口上有3個12C和SPI以及114個I/O端口等。其工作電壓可達到1.8～3.6 V，輸出的穩(wěn)壓電路電壓為3.3 V[5]。

3.2 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)RS485電路

本研究對RS485電路進行設(shè)計時，由于工業(yè)鍋爐的工作環(huán)境較為復(fù)雜，可使控制系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備因電磁的不斷干擾，最終造成控制系統(tǒng)信號傳輸?shù)氖д`。為解決信號傳輸錯誤率較高的問題，向該電路中引入RS485總線，RS485總線可采用平衡驅(qū)動及差分接收實現(xiàn)信號的傳輸。RS485總線具有較強的抗共模干擾能力，其通信距離最大可達到1.2 km，傳輸速率高達115.2 kbps，可同時與128個從站之間建立通信聯(lián)系。當系統(tǒng)進行長距離的通信時(通信距離超過300 m)，為保證系統(tǒng)不受外界因素的干擾，在RS485總線內(nèi)接入一個120 Ω的電阻。將組態(tài)軟件作為系統(tǒng)的上位機，上位機與單片機之間可通過物理方式建立連接，物理方式為USB轉(zhuǎn)RS485電路，在按照MODBUS RTU協(xié)議即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效通信。采用RSM485PHT作為該電路的隔離收發(fā)器，利用收發(fā)器將電源單獨隔離，可適用于工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)RS485接口電路如圖2所示[6]。

圖2 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)RS485接口電路

3.3 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)模擬量輸出電路

為實現(xiàn)煤量的精準控制，可對系統(tǒng)內(nèi)煤爐排的轉(zhuǎn)速進行控制，以此實現(xiàn)對鍋爐出口蒸汽壓力的控制。采用變頻器對爐排電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)解，若變頻器端子接收的電壓信號為0～10 V，可將其協(xié)調(diào)為0～50 Hz的頻率。選用DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片作為該電路的核心部分，由于該芯片的電壓無法滿足設(shè)計要求，為此本研究在該芯片的基礎(chǔ)上，設(shè)計出電壓調(diào)理電路，通過該電路將信號放大四倍，即可滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。模擬量輸出電路為同相比例運算的方法電路，其運放的同相輸入端可與DAC之間建立連接。

4 工業(yè)鍋爐出口蒸汽壓力模糊化控制

為實現(xiàn)對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的模糊化控制，本研究向工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)引入模糊PID控制器，該控制器實際上是一個二輸入三輸出的控制器，可將原本為多輸出的控制器分解為單輸出的控制器，該過程可產(chǎn)生與PID有關(guān)的三個參數(shù)值。模糊PID控制器的工作環(huán)節(jié)主要包括模糊化、模糊推理以及解模糊，其實現(xiàn)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)模糊化的過程為：首先將工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)成功采集的蒸汽壓力誤差和壓力誤差變化率的數(shù)值作為控制器的觀測量，輸入至控制器內(nèi)部后，對二者進行模糊化；其次，根據(jù)模糊化的實際結(jié)果獲取模糊控制規(guī)則表，不同輸出均含有模糊論域，將各個論域分別乘以量化因子，即可得到三個參數(shù)的實際輸出結(jié)果；最后利用PID調(diào)節(jié)器對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的爐排變頻器進行頻率的調(diào)節(jié)，以此達到蒸汽壓力的控制效果，工業(yè)鍋爐出口蒸汽壓力模糊化控制邏輯如圖3所示[7]。

圖3 工業(yè)鍋爐出口蒸汽壓力模糊化控制邏輯

5 基于單片機的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)仿真與結(jié)果

為驗證模糊PID在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中的作用效果，利用Matlab對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)進行仿真。采用對比分析的方法，將傳統(tǒng)PID與模糊自整定PID的控制效果進行對比。在不考慮工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)部蒸汽流量波動以及外界干擾因素的情況下，可將工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)壓力設(shè)為常量12 MPa，工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)蒸汽壓力控制仿真如圖4所示。

圖4 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)蒸汽壓力控制仿真

蒸汽壓力控制仿真結(jié)果對比如表1所示。

表1 蒸汽壓力控制仿真結(jié)果對比

本研究主要對兩種控制系統(tǒng)的超調(diào)量、上升時間及調(diào)整時間進行綜合考量。通過對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果進行分析可知，傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)考量結(jié)果依次為32.4%、18 s、62 s，模糊PID控制系統(tǒng)考量結(jié)果依次為8.7%、16 s、32 s。由此可表明，模糊PID控制系統(tǒng)可在最快的速度內(nèi)達到系統(tǒng)設(shè)定值，該系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性及可靠性[8]。

6 結(jié) 語

本研究為提高工業(yè)鍋爐的安全性，提出一種基于單片機的工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)，由于工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的體積過于龐大，在實際設(shè)計過程中將鍋爐的出口主蒸汽壓力作為主要研究對象。通過單片機及相應(yīng)的傳感器對工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)，可使工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)向著自動化、智能化發(fā)展。為保證工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，對工業(yè)鍋爐的出口蒸汽壓力進行實時監(jiān)測，并不斷調(diào)控鍋爐的排轉(zhuǎn)速設(shè)備。為驗證該系統(tǒng)的控制效果，利用Matlab對系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果表明，在模糊PID的支持下，可使工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。