基于單片機(jī)的船舶鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

陳長江，李世臣

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基于單片機(jī)的船舶鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

陳長江，李世臣

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

針對(duì)現(xiàn)代船舶鍋爐燃燒自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求，提出一種基于P89V51RD2單片機(jī)的船舶燃油輔鍋爐燃燒的自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件電路，編寫了軟件程序。使得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，可靠性提高，維護(hù)管理更方便，生產(chǎn)成本大大降低，體積更小，對(duì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究具有參考價(jià)值。

自動(dòng)控制 單片機(jī) 鍋爐

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，船舶自動(dòng)化程度越來越高，鍋爐作為船舶重要的一部分，其燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)控制對(duì)于提高船舶和鍋爐的自動(dòng)化具有很大的意義。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中多數(shù)是靠繼電器和接觸器等完成，其工作可靠性不高，維護(hù)管理也不方便。此外，PLC控制系統(tǒng)雖然可靠性較高，但價(jià)格昂貴，而且一旦出現(xiàn)故障必須返廠維修。以單片機(jī)為主控元件的自動(dòng)控制系統(tǒng)不但能解決傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)可靠性低、維護(hù)困難等問題，而且價(jià)格更低，體積更小，維修更加方便。

2 船舶鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

如圖1所示，船舶鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)包括鍋爐自動(dòng)點(diǎn)火、自動(dòng)停爐、燃燒強(qiáng)度自動(dòng)控制和點(diǎn)火及燃燒過程中的安全保護(hù)[1]。當(dāng)按下鍋爐啟動(dòng)按鈕后，控制系統(tǒng)會(huì)按照既定的程序完成自動(dòng)點(diǎn)火，并根據(jù)鍋爐的蒸汽壓力，自動(dòng)完成對(duì)燃燒強(qiáng)度的自動(dòng)控制。此外，當(dāng)在各過程中出現(xiàn)任何故障時(shí)會(huì)自動(dòng)采取相對(duì)應(yīng)的安全保護(hù)措施，并發(fā)出聲光報(bào)警提示輪機(jī)管理人員。

圖1 船舶鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)圖

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件電路板部分采用的是以P89V51RD2單片機(jī)為控制系統(tǒng)的主控元件[2]，其電路原理圖如圖2所示。

系統(tǒng)由四部分組成，單片機(jī)P0口和P2口通過ULN2803芯片控制各繼電器等開關(guān)量的動(dòng)作，來控制水泵、油泵、風(fēng)機(jī)等電氣設(shè)備的工作。P3.4~P3.7通過AD694芯片控制風(fēng)、油門等模擬量的輸出，來控制供風(fēng)量和供油量的大小。風(fēng)壓、油壓和蒸汽壓力等模擬量通過TLC0838芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號(hào)送入單片機(jī)P1口。此外單片機(jī)通過以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，將鍋爐燃燒過程的各信息送入上位機(jī)，以便集控臺(tái)的控制。

3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)輸入部分

風(fēng)壓、油壓、油溫、水位、火焰探測器和蒸汽壓力等傳感器輸出的模擬量，在經(jīng)過信號(hào)變送器處理成0~5 V的直流電壓模擬量后與TLC0838芯片輸入接口相連接，TLC0838將這些模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)送入單片機(jī)的P1口，從而實(shí)現(xiàn)了外部信號(hào)的采集。TLC0838是帶有8路的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32ms，可與單片機(jī)直接連接。

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)輸出部分

單片機(jī)的P0口和P2口用于輸出各種開關(guān)量，通過控制繼電器的動(dòng)作來控制水泵、油泵、風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火變壓器、點(diǎn)火電池閥、供油電磁閥、聲光報(bào)警燈等電器設(shè)備的工作狀態(tài)。由于單片機(jī)的IO口驅(qū)動(dòng)能力有限，不足以驅(qū)動(dòng)些電器設(shè)備的繼電器，故采用ULN2803芯片來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。ULN2803芯片能夠驅(qū)動(dòng)8路大電流高電壓的繼電器、蜂鳴器等，其承受的灌電流可達(dá)500 mA，并且可與單片機(jī)直接連接，非常適用于單片機(jī)控制水泵、油泵等電氣設(shè)備的繼電器。

單片機(jī)的P3.4P~3.7用于控制供風(fēng)量和供油量的大小，以調(diào)節(jié)燃燒強(qiáng)度。P3.6輸出不同大小的數(shù)字量，該數(shù)字量經(jīng)過TLV5614芯片后比例的轉(zhuǎn)換成0~2 V的直流電壓模擬量輸出，輸出的電壓模擬量經(jīng)過AD694芯片轉(zhuǎn)換后比例輸出4~20 mA的直流信號(hào)，從而控制供風(fēng)量和供油量的大小。TLV5614芯片是一個(gè)具有四線串行接口的4路12位電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓由公式（1）給出：

其中V是基準(zhǔn)電壓，在本系統(tǒng)中采用的V是1 V，data是單片機(jī)輸出的0~4095的數(shù)字量[3]。AD694是一種電壓-電流轉(zhuǎn)換器，它能將0~2 V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20 mA的電流信號(hào)[4]。

圖2 硬件電路原理圖

3.3 控制系統(tǒng)與上位機(jī)通信部分

單片機(jī)可通過以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，將鍋爐的蒸汽壓力、水位和報(bào)警等信息傳送到集控臺(tái)的上位機(jī)中，以便輪機(jī)員在集控臺(tái)通過上位機(jī)對(duì)鍋爐的控制。單片機(jī)與上位機(jī)通信采用的是廣州致遠(yuǎn)電子生產(chǎn)的IPORT-1嵌入式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊，該模塊集成10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，具有TCP Server等多種工作模式，使單片機(jī)與上位機(jī)通信方便準(zhǔn)確。

整個(gè)燃燒自動(dòng)控制原理如圖2所示[5]。

3.4 鍋爐燃燒自動(dòng)控制過程介紹

1) 鍋爐自動(dòng)點(diǎn)火過程。

當(dāng)按下點(diǎn)火啟動(dòng)按鈕后，單片機(jī)P0和P2口控制風(fēng)機(jī)、油泵、霧化電機(jī)、噴油器電機(jī)啟動(dòng)，輕、重油供油電磁閥斷電關(guān)閉，回油電磁閥通電打開，以使得燃油在管路中循環(huán)。P3口輸出信號(hào)控制風(fēng)門達(dá)到最大，進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)。預(yù)掃風(fēng)結(jié)束后，風(fēng)門關(guān)小，輕油回油電磁閥斷電，輕油供油電磁閥、點(diǎn)火變壓器、點(diǎn)火電磁閥通電，開始點(diǎn)火，并通過火焰探測器檢測點(diǎn)火是否成功，若成功則使重油供油電磁閥通電，重油回油電磁閥和輕油供油電磁閥斷電，并加大供風(fēng)量和供油量，若不成功則進(jìn)行后掃風(fēng)之后結(jié)束點(diǎn)火并發(fā)出聲光報(bào)警。

圖2 鍋爐燃燒自動(dòng)控制原理圖

2) 燃燒強(qiáng)度的自動(dòng)控制

蒸汽壓力傳感器的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，如果蒸汽壓力比設(shè)定的值小，則單片機(jī)P3口輸出更大的信號(hào)增加供風(fēng)量和供油量，增加燃燒強(qiáng)度；反之，如果蒸汽壓力比設(shè)定的值大，則單片機(jī)輸出較小的信號(hào)減小供風(fēng)量和供油量，降低燃燒強(qiáng)度。

3) 自動(dòng)安全保護(hù)

當(dāng)水位監(jiān)測器監(jiān)測到的水位信號(hào)低于設(shè)定的低水位時(shí)，P0口輸出信號(hào)控制使水泵電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)監(jiān)測到水位信號(hào)低于危險(xiǎn)水位時(shí)，P0口輸出控制信號(hào)使供油電磁閥斷電打開，P3口輸出控制信號(hào)將風(fēng)門開到最大進(jìn)行后掃風(fēng)并發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)風(fēng)壓傳感器檢測到風(fēng)壓低于設(shè)定值時(shí)和火焰探測器檢測到爐膛熄火時(shí)，切斷供油，進(jìn)行后掃風(fēng)并發(fā)出聲光報(bào)警。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件部分

控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火、燃燒強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)、水位調(diào)節(jié)和安全保護(hù)等功能。軟件部分由C51編程實(shí)現(xiàn)，程序包括主程序、上位機(jī)通信子程序、定時(shí)器中斷子程序、風(fēng)門調(diào)節(jié)子程序、油量調(diào)節(jié)子程序、各壓力溫度傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序和各電氣設(shè)備啟停子程序[6]。主程序流程圖如圖3所示。

5 結(jié)束語

以P89V51RD2單片機(jī)為主控元件的鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)不但解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可靠性低，維護(hù)困難等問題，而且使整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，價(jià)格更低，并且使燃燒工程風(fēng)油比例控制更加精確，使燃燒更加充分，降低了船舶運(yùn)輸成本。

圖3 主程序流程圖

[1] 林業(yè)錦．輪機(jī)自動(dòng)化[M]．大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2009.

[2] 胡漢才．單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M]．北京: 清華大學(xué)出版社, 2010.

[3] 樊向黨,孫文林,王海軍. TLV5614串行DA轉(zhuǎn)換器與51內(nèi)核單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù), 2006, (1): 67-68.

[4] 付金龍, 朱林劍. 電壓/電流轉(zhuǎn)換器AD694原理及應(yīng)用[J]. 電測與儀表, 2000, (11): 51-53.

[5] 黃義新, 方怡冰. 基于單片機(jī)的船舶輔助鍋爐智能控制系統(tǒng)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2002, (1): 53-56.

[6] 李寒林, 黃玉燕, 林金表. 自動(dòng)化機(jī)艙輔鍋爐的單片機(jī)控制[J]. 集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006,(1): 71-74.

Ship Boiler Combustion Control System Based on MCU

Chen Changjiang, Li Shichen

（Marine Engineering College of Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China）

TP273

A

1003-4862（2013）10-0013-03

2013-03-07

陳長江（1990-），男，研究生。 研究方向：輪機(jī)自動(dòng)化。