基于单片机的锅炉智能控制技术

1 引言
当今,环境与发展已成为人类社会面临的两大课题,而这些问题的解决无一不与能源密切相关。我国的锅炉目前以煤为主要燃料,耗煤量接近全国煤产量的三分之一。同时,锅炉燃用的主要是中、低质煤,工业污染十分严重;而且锅炉形式比较陈旧,生产效率和自动化程度低,这又进一步加重了环境污染的程度。因此,调整能源消费结构,逐步提高使用液体燃料和气体燃料的比例是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一。其中油、气燃料作为优质、高效、环保型清洁能源有着广阔的应用前景。
国内对锅炉控制系统的研究起步较晚,始于80年代初期。国内研究锅炉控制系统比较成熟的企业包括上海杜比公司、南京仁泰公司,还有一些科研院校联合企业开发的各种智能锅炉控制系统。尽管对锅炉控制系统的研究已有了很大进展,但是仍然存在许多急待解决的问题:
(1) 锅炉控制方案不尽合理;
(2) 现有的锅炉控制器可控制的仍是普通开关量设备,不能对它们进行精确连续调节,使控制精度低,控制手段单一;
(3) 锅炉控制系统外围设备适用范围不广。
针对现有的燃油、燃气锅炉控制系统的现状和问题,本课题开发了多功能绿色环保智能燃油、燃气锅炉控制系统,它具有采暖、热水两用功能,能对锅炉系统进行多台联合控制或单台锅炉全自动运行。针对多功能绿色环保锅炉的控制问题,本文提出了基于单片机的锅炉智能控制器的设计构想,并给出了以该控制器为核心的控制方案。
2 基于单片机的锅炉智能控制器的设计构想
多功能绿色环保智能燃油、燃气锅炉控制系统主要由MCS-51系列单片机、软件及其外围部件组成。该控制系统主要实现多功能绿色环保锅炉的全自动、安全、经济和稳定地运行。具体来讲,该控制系统应能实现以下主要功能:
(1) 选择不同的工作方式即可实现热水或采暖两用;
(2) 适用的燃烧器可为一段火式,二段火式或连续调节式,循环泵可选择普通循环泵或变频调速泵,既控制系统存有针对不同外围设备的不同控制方案,使用户选择外围设备的余地更大;
(3) 在自动运行方式下,可智能调节燃烧器和循环泵的状态,无须用户再干预;
(4) 以液晶显示屏显示作为人机接口,观察方便,操作简单;
(5) 提供八段定时自动启停功能,用户可按照实际需要任意设置每段定时期间锅炉的启停时间、工作方式和温度设定值;
(6) 可随时进行手/自动无扰动切换;
(7) 具有智能化的温度传感器故障自诊断能力,随时检测锅炉和热水箱的水位;
(8) 能对锅炉发生的故障自动进行停机报警等安全保护处理;
3 基于单片机的锅炉智能控制方案
基于单片机的锅炉智能控制方案如图1所示。

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在图1的控制方案中,传感器采集随时间连续变化的模拟信号(被调参数),如温度、流量和水位等,通过变送和放大,转变成直流电压信号,然后通过模/数转换器转换成单片机可识别和处理的二进制数据,经输入通道送入单片机,由单片机按照一定的逻辑控制原理,对被测量值进行一系列的运算处理,从而得到燃烧器、循环泵或其他执行机构的控制量,再由单片机输出二进制数据,经数/模转换器将数字量转换成模拟量(电压或电流信号),直接或通过继电器、接触器及多路开关送至执行机构,使阀门或其他调节机构动作,达到调节被调节参数的目的。
4 基于单片机的锅炉智能控制器的硬件电路设计
多功能绿色环保智能燃油、燃气锅炉控制系统采用MCS-51系列单片机作为主控制器。基于单片机的锅炉智能控制器的硬件电路设计结构如图2所示。

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该控制系统通过A/D芯片采集温度传感器和水位电极的信号,经过数字滤波、温度标度转换后,得到实际采样值,根据采样值与用户设定值之间的关系判断系统的输出状态,对开关量信号直接通过继电器输出,对连续模拟量信号通过D/A转换后再输出给执行机构。单片机采用4行8列的液晶显示界面向用户显示系统设置和当前状态,并配有轻触式小键盘接收用户的输入。系统配有实时时钟芯片,可显示日期时间,并可记录燃烧器的开火时间,看门狗芯片能在系统故障、程序跑飞时可靠地进行复位,其芯片上自带的串行E2PROM能保存用户输入的参数和运行数据。
5 基于单片机的锅炉智能控制器系统的软件实现方案
单片机应用系统中的软件是根据系统功能要求设计的,软件应可靠的实现系统的各种功能。应用系统种类繁多,应用软件各不相同,但一个优秀的应用系统的软件应具有以下特点:
(1) 软件结构清晰、简捷、流程合理;
(2) 各种功能程序实现模块化、子程序化。这样,既便于调试、连接又便于移植修改;
(3) 程序存储区、数据存储区规划合理,既节约内存容量,又使操作方便;
(4) 运行状态实现标志化管理。各个功能程序运行状态、运行结果以及运行要求都设置状态标志以便查询,程序的转移、运行、控制都可通过状态标志条件来控制;
(5) 调试过的程序应进行规范化,除去修改“痕迹”。规范化的程序可为以后的软件模块化、标准化打下基础;
(6) 实现全面软件抗干扰设计。软件抗干扰是单片机应用系统提高可靠性的有力措施;
(7) 为了提高运行的可靠性,在应用软件中设置自诊断程序,在系统工作运行之前运行自诊断程序,用以检查系统各个状态参数是否正常;
基于单片机的锅炉智能控制器系统的程序总体结构如图3所示。
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开发单片机控制系统,可用传统的汇编语言或C语言。采用传统的汇编语言开发单片机系统虽然具有代码紧凑、实时性好等优点,但缺点也十分突出:程序可读性、可移植性差,不易进行复杂的逻辑数学运算,大程序的软件开发周期长等。现在广为普及和流行的C语言则恰好弥补了汇编语言的缺点。
一方面,丰富的指令集直接面向硬件操作,位指令、逻辑、关系表达式均可直接针对外设接口;另一方面,高级语言的描述,可使用户摆脱与硬件不必要的接触,描述语言可由编译器编译直接生成面向硬件的机器码。由C51编译生成的代码不论长度还是程序运行速度均能适应大多数控制系统要求。因此,本锅炉控制系统采用Franklin C51开发,采用南京万利公司的Insight SE-52仿真器调试程序,它支持Windows环境,VC界面风格,调试方便,大大缩短了软件开发周期,提高了工作效率。
单片机首先进行初始化,包括I/O口、定时器、中断系统、液晶显示器的初始化;然后采集温度、水位数据,作为判断故障的依据,再进行故障检测;若发现故障,则蜂鸣报警,同时显示故障原因;然后开始进入循环监测部分,先采集数据,检测故障:然后进入相应的温度控制子程序、定时控制子程序、手动控制子程序、防冻控制子程序,接着开始扫描键盘,判断出所按键后,使相应变量置位或复位,并刷新当前显示,由此不断循环运行,完成锅炉控制系统的各种控制功能。
程序采用结构化程序设计,分为主程序和多个应用于程序。主程序完成逻辑控制、键盘操作和显示功能,其余都在子程序中完成。主要的子程序包括: 温度采样、数字滤波、标度变换、PID运算、故障报警、温度控制、循环泵控制、汉字显示、键盘扫描等。
6 结束语
本文给出了基于单片机的锅炉智能控制器的硬件电路设计和系统的软件实现方案。在描述设计构想和控制方案的同时,笔者给出了基于单片机的锅炉智能控制器的硬件电路设计和系统的软件实现方案。该控制器以较低的成本解决了多功能绿色环保锅炉的自动化控制问题,并已在实际生产中得到应用。