基于Web的分布式窯爐溫控器設計

王利恒，易金平，王志航

（武漢工程大學 電氣信息學院 智能與網絡化實驗室，武漢 430205）

窯爐是玻璃、陶瓷等燒制品的重要生產設備。合理地控制窯爐各項生產參數，既可以節約能源又可以保證產品質量。大型窯爐的溫度測點多，燃燒控制點分布廣。計算機集成控制系統雖然可以很好解決多回路控制問題[1]，但集中控制帶來了大面積故障的風險。實際的控制系統仍然以就地的溫度控制器加遠程計算機管理為主。

本文研究并設計了一款基于Web技術的分布式窯爐溫控器，可以直接利用瀏覽器來監控并管理溫控參數[2]。利用該溫控器可以實現扁平化的智能分布式窯爐控制系統。

1 溫控器的系統設計

窯爐是一個參數分布、熱慣性較大的熱工對象[3]。為了使窯爐均勻加熱，減少溫度梯度，往往一個溫度測點對應多路燒嘴。因此控制器采用了一路溫度采集八路燒嘴控制輸出的結構形式。系統框圖如圖1所示。

圖1 控制系系統框圖Fig.1 Block diagram of control system

溫度采集使用熱電偶。燒嘴控制輸出使用數字量的Bang-Bang控制，在程序上可以使用長周期的PWM信號作為輸出控制。為了擴展控制器的實用性，提供了一路標準的4～20 mA模擬量輸出。該路輸出可以通過軟件設置成溫度輸出或控制量輸出。當設置成溫度輸出時，控制器在作為溫控器的同時可以提供溫變功能。當設置成控制量輸出時，該控制器可以作為一個普通的溫度調節器使用。

該控制器提供兩種通信接口：一路基于RS485的ModBUS總線通信接口；一路以太網總線通信接口。本文主要探討基于以太網接口的Web Server的通信控制。

2 輸入輸出通道設計

2.1 溫度輸入通道

爐窯工作時溫度可達1000℃以上，可選用測量在0～1300℃范圍內的K型熱電偶作為爐窯的溫度傳感器。熱電偶的輸出熱電勢不僅與測量端的溫度有關，而且與冷端的溫度有關，冷端在爐窯工作同時易受環境溫度的影響，從而產生測量誤差，為彌補熱電偶存在的非線性、冷補償等缺陷，通常需要在電路上做冷端補償。本設計使用MAX6675芯片作為熱電偶輸入通道芯片，其外圍電路如圖2所示，該芯片內部集成的冷端補償電路（補償范圍為-20℃～80℃）、非線性矯正電路，可以直接將熱電偶輸出的溫度信號轉換成數字量信號[4]。精簡了外圍電路的同時，提高了性能和一致性。

圖2 熱電偶輸入通道Fig.2 Thermocouple input channel

2.2 燒嘴控制輸出通道

燒嘴燃燒只有兩種狀態：點火燃燒和熄火停工。因此燒嘴控制是一個開關控制，要么工作（ON），要么不工作（OFF）。對于這樣的執行機構，典型的數字控制算法為Bang-Bang控制算法，根據控制量來確定執行機構在一個控制周期的工作時間來完成控制。因此可以使用繼電器的通斷來控制燒嘴的工作。

由于窯爐一個溫度測點對應多路燒嘴，所以控制器設計有8路上述的開關控制通道輸出 （如圖3），可以兼容8路以下的所有窯爐控制對象。

圖3 一路燒嘴控制輸出通道Fig.3 One-way burner control output channel

3 控制算法設計

由于溫控器需要控制8路燒嘴，所以控制算法分為兩步。第一步使用經典的PID計算出控制量（0～100%）；第二步使用更具控制量的Bang-Bang控制算法來確定各燒嘴的工作時間和相位[5]。

3.1 控制量輸出

控制算法使用時間最優PID算法，設被控量偏差為e（k），設定輸入為r（k），系統輸出為y（k），則控制量輸出u（k）表達式為

當系統偏差大于設定閾值α時，控制量輸出100，對應Bang-Bang控制的狀態ON；當系統偏差小于設定閾值-α時，控制量輸出0，對應Bang-Bang控制的狀態 OFF；當系統偏差∈［-α，α］時，控制量有PID算法計算得到。

3.2 8路Bang-Bang控制算法

與PID相結合的Bang-Bang控制算法，就是根據控制量來決定燒嘴的工作狀態。對于每一路燒嘴來說，控制量U=80時，則控制該路燒嘴在一個周期T里，0.8T的時間處于ON，0.2T的時間處于OFF。

對于8路（多路）燒嘴來說，如果所有的燒嘴都同步控制，那就是燒嘴同時燃燒，同時熄滅。這樣輸出就會出現較大的波動，為了得到較好的控制品質，使用燒嘴在一個周期內依次按控制率進行工作的模式。其控制時序如圖4所示。每個燒嘴在一個控制周期處于工作（ON）狀態總時間為U*T/100，每一個燒嘴與前面一個燒嘴的相位差為T/8。

圖4 Bang-Bang控制8路燒嘴時序圖Fig.4 Bang-Bang control timing chart of eight burner

一旦確定控制周期T，每路控制輸出就是一路PWM輸出。根據實際的控制燒嘴數量，就可以確定每路PWM輸出的相位差，這樣就完成了每路的Bang-Bang控制。由于窯爐溫度是一個大慣性系統，通常控制周期T不宜選的太小，一般在30～120 s之間。

4 Web Server的實現

由于本控制器需要提供遠程設置和操作，以便實現分布式控制的要求。為了減少對客戶端的要求，控制通過Web Server來實現，遠程只需要瀏覽器就可完成設置和操作。要實現Web Server，必須完整地實現TCP/IP網絡的5個協議層。STM32F407內部集成了ETH控制器，通過外接一片PHY層芯片，就具備了實現以太網通信的硬件條件。通過軟件可以實現TCP/IP協議棧以及Web Server的應用開發[6]。系統各部分在TCP/IP模型中的對應關系如圖5所示。

圖5 嵌入式網絡協議層Fig.5 Embedded network protocol layer

LAN8720芯片是一片支持RMII接口的PHY層實現芯片，在TCP/IP模型中處于物理層的位置。STM32F407集成的MAC控制器和STM32F407的ETH驅動庫函數實現了數據鏈路層功能。目前對于TCP/IP協議族有很多實現版本，LWIP就是一個開源的輕量級TCP/IP協議棧的實現，非常適合嵌入式系統中的應用，而在LWIP-APP中提供了Web Server的實現。要想實現一個Web控制器，就要完成LWIP的移植和應用程序的開發。本設計就是基于LWIP來實現的。

LWIP的移植就是要使LWIP協議棧能運行在指定的硬件平臺上，因此需要完成物理層的初始化以及協議層和物理層的連接工作。完成LWIP的移植工作，就可以實現一個嵌入式的Web Server了[7]。整個系統工作框圖如圖6所示。

首先根據應用需求使用網頁編輯器設計出控制器瀏覽頁面，此時一般是.htm、.html、.shtm等類型的文件。需要通過轉換工具（makefsdata.exe）將其轉換成C語言文件，和主程序代碼一起編譯并下載。

圖6 Web server工作框圖Fig.6 Web server block diagram

當客戶瀏覽器通過網絡訪問Web Server時，Web Server將網頁數據傳送給客戶瀏覽器。通過網頁編輯器編輯的網頁數據是靜態數據，而控制器需要實現動態數據以及與客戶端的交互，比如：發送給客戶瀏覽器的是實時的測量數據，客戶端可以通過網頁設置控制器參數。這種動態交互式是通過服務器端嵌入（SSI）技術和公共網關接口實現的[8]。

4.1 實時數據的顯示

實時數據顯示是通過SSI技術實現的。比如需要在瀏覽器上實時顯示當前溫度值，在編輯網頁文件時，在要顯示溫度的位置插入一條SSI指令：，其中t是 SSI標簽（tag）。 對于支持SSI指令的 Web Server，將調用 SSIHandle（）函數來處理這條指令，因此在函數中完成溫度數據的采集（在實際控制器中，由于控制實時性的要求，溫度采集使用單獨線程實現）并返回溫度值給服務器，比如“t=30.6℃”。服務器將實時的溫度值代替源網頁中的SSI標簽發送給瀏覽器客戶端，所以在瀏覽器客戶端就可以監測到實時溫度值。SSI工作流程如圖7所示。

圖7 SSI技術工作示意Fig.7 Schematic diagram of SSI technology

4.2 客戶端設置參數

客戶端設置參數功能通過CGI技術實現。服務器端將表單和對應的CGI代碼關聯。當客戶端通過表單設置好參數并提交，此時提交給服務器端的將是一個帶CGI代碼名稱和參數的URL，如圖8所示。服務器對該URL進行解析，得到處理該URL的CGI函數，以及傳遞給該函數的參數。通過函數代碼完成參數的設定工作。整個CGI程序的執行過程如圖8所示。

圖8 CGI程序的執行過程Fig.8 Execution of the CGI program

4.3 客戶端測試

溫控器支持DHCP，在有DHCP服務器的網絡里，可以動態分配IP。在動態獲取IP地址失敗后，會使用預置的靜態IP地址[9]。訪問溫控器必須通過IP地址訪問。圖9是溫控器的參數顯示頁面和設置頁面。

圖9 溫控器的遠程登錄測試Fig.9 Remote login test for the thermostat

之所有要設置兩個頁面，是由于顯示參數需要實時更新，因此顯示頁面設置了每秒自動刷新一次的代碼。而設置頁面需要用戶設置完參數才能提交。所以為了互不干擾，分成兩個畫面設計。

5 結語

通過控制器的實驗測試，該控制器可以直接控制多路燒嘴，既具備傳統控制器的溫控功能，同時又可以實現實時遠程監控和設置。在用于小規模的分布式控制系統中，具有成本低，系統結構簡單，使用方便，實現對被控設備的監測、控制以及診斷，可應用于工業控制等多個領域。