基于CAN總線的生物質燃料鍋爐溫度集中控制研究

秦國棟++沈建明

摘 要：簡要介紹了將CAN總線應用于生物質燃料鍋爐溫度采集中的相關情況，以期為日后的相關工作提供參考。因為CAN總線可以方便組網，利用其主從機的工作方式，采集分散的鍋爐溫度，集中監測和控制，方便管理，節省人工，并且成本比較低，有利于推廣。

關鍵詞：CAN總線；生物質燃料；鍋爐；溫度

中圖分類號：TK223.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.091

生物質燃料的來源比較廣泛，例如農作物秸稈、鋸木屑、果樹枝和甘蔗渣均可生產為生物質能源，所以，生產成本比較低。生物質能源的碳來自于循環碳，可以認為燃燒過程產生的二氧化碳排放為零排放，因此，它是一種綠色清潔能源，也是可再生能源。利用生物質存在成本、技術等多方面的問題。目前，在適合我國大規模高效潔凈利用生物質的技術中，最成熟的是直接燃燒技術，即將生物質能源燃燒產生的能量用于集中供熱或者發電。由于生物質鍋爐燃燒過程具有大慣性、純時滯、變參數的多輸入、多輸出等特點的復雜燃燒過程，這就要求控制器設計要非常精準。控制器的設計關鍵是溫度的感知和控制。

在使用鍋爐的工廠里，溫度控制直接關系著產品的品質，如果控制鍋爐溫度的設備過于簡單，控制技術比較落后，就會浪費燃料，有的可能會污染空氣。機械式儀表測量和人工定時記錄是比較傳統的設備檢測方式，這種方法不能實時采集溫度。因此，高效、實時地測量和監控溫度成為鍋爐控制中的重要問題之一。

針對有效、實時監控鍋爐爐膛內膛溫度的問題，這里設計了一種基于CAN（Controller Area Network）總線的分布式溫度監控系統。該系統具有超高溫采集、多點分式采集能力，且具備遠程集中監測和控制等特點。

1 系統設計方案

鍋爐的溫度檢測系統如圖1所示。系統采用CAN總線多點式主從機分布形式實現多路溫度采集，該系統是由主機模塊、CAN總線模塊、從機模塊、液晶顯示模塊、熱電偶采集模塊和報警模塊等部分組成的。鍋爐爐膛內溫度由K型熱電偶采集模塊采集，溫度經過從機AD轉換處理后通過液晶實時顯示爐膛當前溫度。當溫度超過設定的溫度上限或者下限時，報警模塊將報警，其中溫度的上限或下限可以通過從機的按鍵調節。從機將當前溫度通過CAN總線發給主機，主機通過液晶顯示出所有爐膛的當前溫度、平均溫度和溫差。當任何一個爐膛溫度超過溫度閾值，系統的報警器將報警。CAN總線集中采集溫度，可以保證實時性，節省人力。

CAN總線可采用多主工作方式，但是，根據實際鍋爐溫度檢測的應用要求，主機只負責收集各個從機的溫度信息，并且下達命令，從機不會控制其他從機，所以，工作人員選擇了單主機的工作方式。在實際應用中，將主機放置在工廠的控制中心，從機距離主機1.3 km，設定的通信速度為50 kB/s，系統有3個從機，采用雙絞線作為通信網絡介質。每個從機都是個電鍋爐溫度采集系統，該系統主要包括單片機、熱電偶溫度傳感器、繼電器和液晶等，主要用來采集溫度信號，并根據主機命令控制它。

2 系統硬件設計

2.1 CAN總線收發器設計

本設計中的生物質鍋爐從機的CAN控制器全部采用菲利普公司生產的SJA1000 CAN控制器，CAN收發器采用PCA82C250的，并在CAN控制器與收發器之間使用6N137進行光電隔離，避免電磁干擾，增強其抗干擾能力。設計電路如圖2所示。

將SJA1000芯片的MODE引腳接高電平，這樣SJA1000將工作在INTEL模式，即外部中斷模式。SJA1000的復位引腳與專用復位芯片MAX706T的RESET引腳相連，實現全局復位。SJA1000芯片的RX1引腳與PCA-82C250的VREF引腳相連，這樣輸入比較器旁路功能就會被打開。該功能可縮短內部延時，延長通信距離。

2.2 SJA1000邏輯控制

SJA1000的控制命令由51單片機控制。這里單片機選擇STC89C51，采用地址線和數據總線復用的方式與SJA1000連接。SJA1000與單片機的連接如圖3圖所示。P0口作為數據和地址端口與SJA1000的AD連接，P2.0連接SJA1000的CS引腳，作為地址選擇。單片機的WR和RD作為讀寫信號與SJA1000讀寫引腳連接，ALE相連，作為地址和數據的區分信號，外部中斷連接，提供中斷服務。

3 系統軟件設計

整個系統的程序包括主機程序部分和從機程序部分。每個從機程序部分基本相同，只有每個機器的ID號有所區別，主要是方便主機識別從機，從機其他部分整體一致。主機和從機的軟件編譯是環境Keilu Vision4。

3.1 主機軟件部分設計

主機程序的整體流程如圖4A所示。上電后首先進行液晶的初始化和CAN的初始化工作，還有外部中斷的初始化工作，CAN總線上的接收中斷即單片機的外部中斷源。這樣，可以利用CAN是否中斷來判斷從機有沒有發送數據。從機有發送數據，CAN總線的接收標志將置為1，主程序通過CAN的接收標志來判斷。如果接收標志置于1，則說明接收到數據，然后判斷接收數據里面包含的從機ID號，判斷出是哪個從機的信息，然后再區分是什么溫度信息——實時溫度或平均溫度，最后將這些溫度信息顯示出來。當從機的平均溫度超過事先設定的閾值時，蜂鳴器將發聲，表示警告。

3.2 從機軟件設計

從機的軟件流程如圖4B所示。從機上電后，同樣先進行液晶的初始化、CAN的初始化和按鍵掃描等工作。從機設計了3個按鍵，其中，第一個按鍵功能是解除報警，同時當作手動報警使用；第二個按鍵功能是設置溫度的下限值；第三個按鍵功能是設置溫度的上限值。溫度由熱電偶負責采集，經過AD轉換，由單片機經過CAN總線發送出去，單片機同時求出平均溫度和溫度偏差。平均溫度和溫度偏差在顯示器上顯示，同時，判斷是否超過閾值，超過閾值則報警。

4 結束語

本文采用CAN總線分布式監控系統，將CAN總線應用于鍋爐溫度采集中，實現多點多鍋爐溫度信息的采集和控制，將不同區域的溫差降到最低，以實現對分散的鍋爐爐膛內部溫度的動態監控。該采集系統設計考慮了超高溫采集、遠程集中監測和控制、多點分式采集等多個工程的實際問題，可以提高使用鍋爐制造產品的質量，減少資源浪費和環境污染，成本比較低，具有一定的工程應用價值。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕