分布式電熱鍋爐控制系統(tǒng)的研究

王　華，李亞兵，劉曉超，周永強，申俊星

（1.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電系，河南 商丘　476000；2.漯河食品職業(yè)學(xué)院 機電系，河南 漯河　462000；

3.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作　454150；4.洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽　471000）

分布式電熱鍋爐控制系統(tǒng)的研究

王華1，李亞兵2，劉曉超3，周永強4，申俊星1

（1.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電系，河南 商丘476000；2.漯河食品職業(yè)學(xué)院 機電系，河南 漯河462000；

3.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作454150；4.洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽471000）

文章以三臺供暖熱水鍋爐及其相關(guān)輔助控制設(shè)備為研究對象，采用ARM Cortex-M3為核心控制器。通過對下位機與上位機的軟件編程和軟硬件組態(tài)，實現(xiàn)三臺熱水鍋爐的全部監(jiān)控。最終完成的電熱鍋爐能夠?qū)崟r顯示水位的變化和水溫，顯示鍋爐的壓力，能夠手動自動供水，根據(jù)供水量的需求，變頻器控制水泵的工作臺數(shù)，壓力超標(biāo)時自動報警。

電熱鍋爐；ARM Cortex-M3；CAN；變頻調(diào)速；分布式

工業(yè)趨向文明，城鄉(xiāng)一體化發(fā)展，在為人類創(chuàng)造巨大的財富和便捷的同時，也在向空氣排放大量的粉塵、霧靄等有害氣體，破壞了環(huán)境，嚴(yán)重影響了人類的健康。因此，人們越來越清楚地意識到保護環(huán)境的重要性。用電熱鍋爐取代燃煤燃油鍋爐，減少環(huán)境污染已經(jīng)是大眾所望的趨勢。

1　分布式電熱鍋爐控制系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)分成兩級，第一級是監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計一個硬件電路，這個硬件電路需要完成兩個任務(wù)，一個任務(wù)是和上位機通過串口或是通過USB口連接，能夠?qū)⒚總€鍋爐的數(shù)據(jù)讀取過來，并發(fā)送給上位機，另一個任務(wù)是接收來自上位機的指令，傳給第二級。第二級是現(xiàn)場控制系統(tǒng)，由三臺鍋爐控制系統(tǒng)組成，每個鍋爐一個硬件電路，這個硬件電路就是控制鍋爐的溫度壓力，向鍋爐內(nèi)供水，為鍋爐加熱，通過傳感器讀取鍋爐里的溫度、壓力等參數(shù)用數(shù)碼顯示的方式顯示溫度壓力，當(dāng)超過設(shè)定值時系統(tǒng)報警。上位機與下位機通過CAN總線相連，完成對鍋爐的控制，并將鍋爐的數(shù)據(jù)發(fā)送給第一級。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

電熱鍋爐是把電能轉(zhuǎn)化為熱能的一種動力設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。它具有獨特的系統(tǒng)組成和控制方案，液位、壓力、流量、溫度等是控制過程的主要熱加工參數(shù)，對這些參數(shù)的控制通常采用比例積分微分（PID）控制算法以及先進控制、智能控制等來實現(xiàn)。本系統(tǒng)的設(shè)計以電熱鍋爐的各項參數(shù)為監(jiān)控對象，采用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，選用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103單片機芯片作為控制裝置硬件；主控制器通過PCA82C250接收器和上位機相連構(gòu)成系統(tǒng)控制裝置，結(jié)合西門子專業(yè)組態(tài)軟件WINCC和OPC等技術(shù)，使操作人員可以對系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖1　系統(tǒng)框圖

2　現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）鍋爐變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計。把切換開關(guān)撥到相應(yīng)的位置，在鍋爐本身的控制系統(tǒng)中，有一個控制鍋爐汽包進水量的電動閥，通過手動操作裝置將其打開，然后再用一個控制信號轉(zhuǎn)換開關(guān)來把這個控制信號切斷，斷開原有的控制回路，讓電動閥處于完全開啟狀態(tài)。同時要把鍋爐內(nèi)的汽包壓力信號傳送給單片機，單片機將該信號進行PID運算后，再把它傳送給信號轉(zhuǎn)換裝置，輸出的4～20MA模擬信號，把得到的這個模擬信號傳遞給變頻器，用來控制變頻器的輸出信號頻率。原理圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)原理圖

為了既不改變系統(tǒng)原有的狀態(tài)，同時又能能更好地利用變頻設(shè)備，實現(xiàn)降低能量損耗，節(jié)約系統(tǒng)成本以及提高原有系統(tǒng)運行效率，本設(shè)計主要針對3臺鍋爐的運行特點，利用保持蒸汽壓力和給水壓力的壓差恒定的方法，設(shè)計了一套可以用于3臺鍋爐同時運行的控制系統(tǒng)方案。當(dāng)3臺鍋爐同時運行時，由于外部所提供的蒸汽要并管，所以蒸汽壓力相同，又由于3鍋爐是由同一條母管來給水，故給水壓力也會相同的。但是由于蒸汽用量的變化和不確定以及鍋爐燃燒情況的不同，蒸汽壓力會時刻變化的。為了能保證給鍋爐的汽包能夠供上水，所以就必須要求給水的壓力要始終高于蒸汽壓力才行，由單片機負(fù)責(zé)采集蒸汽壓力和母管的給水壓力，通過相應(yīng)的處理和比較后，計算得到二者的差值，再將二者的差值通過PID運算處理，輸出4～20MA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號給控制信號進行轉(zhuǎn)換裝置，再由該設(shè)備將處理后的信號傳輸給變頻器，從而來控制變頻器的工作速度。這樣通過單片機在一定范圍內(nèi)對壓力差的大小進行任意調(diào)節(jié)，從而可以保證給水母管壓力始終比鍋爐的蒸汽壓力高。

（2）溫度控制系統(tǒng)。在電熱鍋爐的生產(chǎn)過程中，汽輪機和鍋爐的工藝條件決定了熱蒸汽溫度。為了保證過鍋爐生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性，必須采取措施，對過熱蒸汽溫度限定一個范圍。對于20噸的鍋爐，可以通過計算機控制系統(tǒng)，增減溫水流量來實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的控制。通過溫度控制回路保證出口溫度在一定范圍內(nèi)波動，同時使不超出管壁溫度允許的溫度范圍。如圖3為基于PID算法的溫度控制回路，系統(tǒng)的兩個反饋回路中分別有一個調(diào)節(jié)器，一個是主調(diào)節(jié)器、一個是副調(diào)節(jié)器。目標(biāo)值和主回路測量的實際值之間的偏差作為主調(diào)節(jié)器的依據(jù)，而它的輸出數(shù)據(jù)作為副調(diào)節(jié)器的初始值，然后與副回路測量的實際值進行比較。通過這兩個調(diào)節(jié)器的參數(shù)和決定副調(diào)節(jié)器是否工作，再輸出相關(guān)參數(shù)對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)。因此副回路可以快速清除擾動，是一種高效的快速回路。

圖3　基于PID算法的溫度控制回路

3　結(jié)語

文章的設(shè)計既能實時顯示鍋爐的溫度壓力，并通過恒壓供水系統(tǒng)和PID控制算法把溫度和壓力限制在一定的范圍內(nèi)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。又能通過監(jiān)控系統(tǒng)進行報表打印、報警記錄及數(shù)據(jù)歸檔等，使操作員能夠方便及時地掌握鍋爐運行狀。

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Research on Distributed Control System of Electric Boiler

WANG hua1，LI ya-bing2，LIU Xiao-chao3，ZHOU Yong-Qiang4，SHEN Jun-xing1

（1.Mechatronics Department，Shangqiu Vocational and Technical College，Shangqiu，Henan 476000，China；
2.Mechatronics Department，Luohe Food Vocational College，Luohe，Henan 462000，China；
3.Henan College of Industry and Information Technology，Jiaozuo，Henan 454150，China；
4.Luoyang Vocational and Technical College，Luoyang，Henan 471000，China）

This paper takes three heating hot water boiler and its related auxiliary control equipments as the research object，using the ARM Cortex-M3 for the core controller.Three hot water boilers can achieved totally controlled through the software programming and the hardware and software configuration of the next place machine and upper place machine.The last electric boiler can show The change of water level and water temperature and the Boiler pressure timely，it can achieve water supply manually automatically，the transducer can control the number of the water pumps according to the demand of the water supply，it will alarm automatically when the pressure is exceed standard.

electric boiler；ARM Cortex-M3；CAN；frequency control；distribution

TK223.7

A

2095-980X（2016）09-0042-02

2016-08-27

2015年度河南省高等學(xué)校重點科學(xué)研究項目（15B510013），名稱：分布式電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究。

王華（1984-），女，河南駐馬店人，講師，主要從事單片機技術(shù)實訓(xùn)教學(xué)與研究工作。