基于單片機(jī)的熱氣機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宗 情，范偉成，曹 毅，徐 楓

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 201108; 2.上海齊耀動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201203)

0 引言

熱氣機(jī)，又稱斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)[1]，是一種利用斯特林循環(huán)將燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。相比于內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，熱氣機(jī)不僅燃料來源廣泛，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱功轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。熱氣機(jī)在運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)燃料供給來控制熱氣機(jī)加熱端工作溫度[3]。在材料安全耐溫范圍內(nèi)提高加熱端工作溫度是提高熱氣機(jī)效率的重要方法，但提高加熱端工作溫度往往需要對(duì)燃燒室的壓力進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定控制，以保證熱氣機(jī)的振動(dòng)噪音指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，必須開發(fā)實(shí)用可靠的熱氣機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。相關(guān)文獻(xiàn)介紹了熱氣機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和原理[4-5]，但缺少熱氣機(jī)加熱端溫度和燃燒室壓力的控制方法。因此，有必要設(shè)計(jì)一套熱氣機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，開展熱氣機(jī)的加熱端溫度、燃燒室壓力數(shù)據(jù)監(jiān)控研究，提供相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱氣機(jī)性能仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)，并可對(duì)不同參數(shù)條件下熱氣機(jī)性能優(yōu)劣作出快速準(zhǔn)確判定。為此，以單片機(jī)為核心構(gòu)建了高可靠性的監(jiān)控系統(tǒng)，使熱氣機(jī)加熱端溫度和燃燒室壓力連續(xù)控制穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了熱氣機(jī)的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)管理工作。

1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)熱氣機(jī)運(yùn)行的要求，監(jiān)控系統(tǒng)由單片機(jī)、上位機(jī)PC、系統(tǒng)參數(shù)采集部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分組成。系統(tǒng)參數(shù)采集部分包括壓力測(cè)量變送器、溫度測(cè)量傳感器K型熱電偶和Pt100熱電阻、振動(dòng)測(cè)量變送器和轉(zhuǎn)速測(cè)量；點(diǎn)火器、電磁閥和聲光報(bào)警屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

熱氣機(jī)在點(diǎn)火、起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。因此壓力測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量均選用抗干擾能力強(qiáng)的兩線制壓力變送器[6]，輸出4～20 mA模擬信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱氣機(jī)壓力、振動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量；熱氣機(jī)運(yùn)行中需要監(jiān)測(cè)冷卻水溫度和加熱端溫度，為了提高溫度測(cè)量精度，根據(jù)測(cè)溫傳感器特性，不同溫度范圍采用相對(duì)應(yīng)的溫度傳感器。冷卻水溫度小于100 ℃，故采用Pt100熱電阻可滿足測(cè)量精度要求[7]，加熱端工作溫度超過600 ℃，選用K型熱電偶符合測(cè)量要求[8]。熱氣機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量采用霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)速傳感器，型號(hào)為1GT101，傳感器安裝在熱氣機(jī)的飛輪罩殼上，以一個(gè)齒輸出一個(gè)方波脈沖信號(hào)對(duì)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于開關(guān)量控制，采用繼電器輸出控制方式完成。

采用國(guó)產(chǎn)組態(tài)王[9]軟件設(shè)計(jì)控制面板，運(yùn)行于上位機(jī)PC。控制面板是人機(jī)對(duì)話的窗口，主要由起動(dòng)、停止、自動(dòng)/手動(dòng)和復(fù)位以及運(yùn)行指示燈、報(bào)警指示燈等指示元件組成，向操作人員提供機(jī)組操作接口；同時(shí)，通過上位機(jī)PC顯示熱氣機(jī)運(yùn)行過程的加熱端溫度、冷卻水溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)和燃料等參數(shù)數(shù)值，亦可顯示熱氣機(jī)設(shè)定參數(shù)、故障及報(bào)警指示等，利用部分安放于面板上的按鈕設(shè)定系統(tǒng)處理參數(shù)、處理措施及查看警報(bào)信息等，并可用熱氣機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)操作和調(diào)試。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選型

監(jiān)控系統(tǒng)以PIC18F6722單片機(jī)[10]為核心。此單片機(jī)采用CMOS工藝設(shè)計(jì)，指令集為RISC架構(gòu)，內(nèi)部集成了Flash 存儲(chǔ)器、片內(nèi)RAM和EEROM，具有雙向可尋址I /O 端口，4個(gè)16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2 個(gè)全雙工的串行接口，多個(gè)優(yōu)先級(jí)的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路，支持Flash編程。本監(jiān)控系統(tǒng)正是利用了PIC18F6722 既可永久保存實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的各種信息，也可方便地反復(fù)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試的特點(diǎn)，每次熱氣機(jī)開機(jī)測(cè)試可以編入不同的程序控制參數(shù)，以進(jìn)行控制策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且可隨熱氣機(jī)的需要和發(fā)展進(jìn)行擴(kuò)展與修改，使系統(tǒng)能持續(xù)符合熱氣機(jī)的最新監(jiān)控要求。因此PIC18F6722單片機(jī)完全能夠滿足熱氣機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控的需要。

2.2 參數(shù)測(cè)量硬件設(shè)計(jì)

PIC18F6722單片機(jī)內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換器分辨率僅為10位，同時(shí)由于本監(jiān)控中單片機(jī)需要完成控制邏輯算法、報(bào)警保護(hù)和通信等工作，因此單片機(jī)處理的事件任務(wù)繁多，導(dǎo)致PIC18F6722不能提供足夠的資源來支撐其內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器采樣足夠多的點(diǎn)數(shù)來滿足熱氣機(jī)參數(shù)測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性要求。所以選用高性能的專用芯片AD7606[11]完成模數(shù)轉(zhuǎn)換工作。AD7606是一款16位的8通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，每個(gè)通道的采用速率達(dá)到200 ksps，單電源工作；無需外圍電路和相應(yīng)的時(shí)鐘電路，應(yīng)用設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；支持雙極性信號(hào)輸入和1 MΩ輸入阻抗，最高輸入采用工作電壓為5.25 V。AD7606提供了3種接口方式：并行接口、串行SPI接口和并行字節(jié)接口，串行SPI接口的速度較快，在硬件上實(shí)現(xiàn)非常容易，因此熱氣機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用串行SPI接口[12]，為了提高監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾性能，在AD7606和PIC18F6722單片機(jī)之間使用6N137[13]光耦進(jìn)行光電隔離。AD7606高分辨率、高采樣速率較好的滿足了熱氣機(jī)參數(shù)測(cè)量的高精度、高實(shí)時(shí)性要求。

熱氣機(jī)的工質(zhì)壓力信號(hào)、燃燒室壓力信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)均輸出4～20 mA模擬信號(hào)，通過249歐姆精密電阻產(chǎn)生最高4.98 V的電壓信號(hào)，剛好在AD7606轉(zhuǎn)換器量程內(nèi)，故該電壓信號(hào)通過整形濾波信號(hào)調(diào)理后，直接輸入AD轉(zhuǎn)換器，電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 模擬量信號(hào)測(cè)量硬件電路原理框圖

熱氣機(jī)加熱端管壁溫度采用K型熱電偶測(cè)量完成，溫度范圍為0～1 000 ℃。此溫度信號(hào)經(jīng)過濾波后送入儀表放大器放大[14]，再進(jìn)行硬件調(diào)壓整形產(chǎn)生一個(gè)0～5 V的電壓信號(hào)進(jìn)入AD7606轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。熱電偶需要冷端補(bǔ)償[15]，本設(shè)計(jì)的冷端補(bǔ)償采用軟件實(shí)現(xiàn)。信號(hào)采集由單片機(jī)PIC18F6722通過SPI口控制AD7606轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)獲得當(dāng)前熱電偶的熱電勢(shì)后，通過查表、插值法計(jì)算出熱電偶熱端的對(duì)應(yīng)的溫度，再疊加冷熱端溫度可得到當(dāng)前加熱端管壁真實(shí)的溫度。

Pt100測(cè)量水溫采用三線制[16]接法，消除Pt100熱電阻導(dǎo)線電阻的影響以提高熱氣機(jī)冷卻水溫度測(cè)量精度，將圖3中的熱電偶TC替換為Pt100熱電阻即為熱電阻測(cè)量原理圖，不同的是0～5 V電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的溫度范圍為0～100 ℃。

圖3 熱電偶信號(hào)測(cè)量硬件電路原理框圖

為了保證熱氣機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量精度要求很高。為了提高轉(zhuǎn)速測(cè)量精度，1GT101脈沖信號(hào)的首先經(jīng)過RC濾波，剔除毛刺信號(hào)，1GT101輸出的信號(hào)為24VDC的CMOS電平信號(hào)，不能直接被PIC18F6722識(shí)別，因此采用同相器CD4052[17]轉(zhuǎn)換為5VDC的TTL電平信號(hào)。為了防止信號(hào)畸變時(shí)不能正確捕捉脈沖，增加了74HC14施密特觸發(fā)器對(duì)波形進(jìn)行整形，整形后的脈沖波形是標(biāo)準(zhǔn)的方波，最后被送入單片機(jī)PIC18F6722的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器外部輸入端口。單片機(jī)脈沖捕獲后由定時(shí)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，熱氣機(jī)轉(zhuǎn)速與方波數(shù)及齒數(shù)關(guān)系：

Speed=60×K/N

(1)

式中，speed為熱氣機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；K為PIC18F6722計(jì)算方波數(shù)；N為熱氣機(jī)飛輪的齒數(shù)。

圖4 熱氣機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)量原理框圖

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

熱氣機(jī)工作過程中，使用電磁閥對(duì)燃燒室壓力進(jìn)行控制；采用點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火；當(dāng)有異常產(chǎn)生時(shí)需要進(jìn)行聲光報(bào)警。在本系統(tǒng)中，電磁閥、點(diǎn)火器和報(bào)警器屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制相對(duì)簡(jiǎn)單。結(jié)合電磁閥、點(diǎn)火器和報(bào)警器自身性能特點(diǎn)，PIC18F6722單片機(jī)輸出指令經(jīng)過三極管放大后采用繼電器對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，可靠性較高且監(jiān)控系統(tǒng)成本也相對(duì)較低。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制原理框圖

3 測(cè)控策略

熱氣機(jī)運(yùn)行的核心控制任務(wù)是控制熱氣機(jī)燃燒室壓力和加熱端溫度穩(wěn)定。控制操作、控制精度直接決定熱氣機(jī)性能發(fā)揮。為此，PIC18F6722單片機(jī)軟件中設(shè)計(jì)了加熱端溫度調(diào)節(jié)控制策略和燃燒室壓力調(diào)節(jié)控制策略。

3.1 加熱端管壁溫度調(diào)節(jié)控制策略

熱氣機(jī)加熱端管壁溫度的控制目的是使加熱端工作在其材料最大安全耐溫范圍內(nèi)，并盡可能使溫度變化幅度相對(duì)較小而使熱氣機(jī)工作穩(wěn)定。總體上，加熱端溫度控制需要實(shí)現(xiàn)兩大基本功能：加熱端管壁溫度快速提高和溫度保持穩(wěn)定。

PID[18]溫度控制使用比例P、積分I和微分D共3種控制方式加權(quán)對(duì)目標(biāo)溫度與當(dāng)前溫度進(jìn)行偏差計(jì)算，從而輸出控制信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)溫度，其控制適應(yīng)性比較廣泛。由于熱氣機(jī)是連續(xù)在缸外燃燒，因此對(duì)控制精度、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)要求不高，所以熱氣機(jī)加熱端管壁溫度可以使用PID溫度控制，其溫度控制原理圖如圖6所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)PIC18F6722在控制點(diǎn)火器點(diǎn)火成功后，以加熱端的設(shè)定溫度值作為目標(biāo)溫度(T_d)，以當(dāng)前加熱端管壁溫度作為當(dāng)前溫度(T_c)，在點(diǎn)火成功剛開始階段，加熱端管壁目標(biāo)溫度(T_d)與當(dāng)前溫度(T_c)偏差較大，單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供較大燃料供給量為熱氣機(jī)提供熱量，使加熱端管壁溫度進(jìn)入快速提升階段，即以最快的速度提高熱氣機(jī)加熱端管壁溫度，以滿足熱氣機(jī)起動(dòng)時(shí)間要求。由于熱傳導(dǎo)的滯后性，當(dāng)加熱端管壁目標(biāo)溫度(T_d)與當(dāng)前溫度(T_c)偏差小于90 ℃時(shí)，單片機(jī)提前起動(dòng)PID算法來控制加熱端管壁溫度：以當(dāng)前熱氣機(jī)加熱端管壁(T_d)與當(dāng)前溫度(T_c)偏差以及變化趨勢(shì)來調(diào)節(jié)控制燃料供給量來控制加熱端端的溫度，使加熱端管壁溫度在設(shè)定值的±5 ℃范圍內(nèi)，控制熱氣機(jī)進(jìn)入溫度保持狀態(tài)，使熱氣機(jī)工作在最佳溫度狀態(tài)。

圖6 加熱端溫度控制策略原理圖

3.2 燃燒室壓力調(diào)節(jié)控制策略

如圖7所示，燃料在熱氣機(jī)燃燒室燃燒后形成的尾氣通過電磁閥控制排出。由于熱氣機(jī)連續(xù)燃燒特性，當(dāng)燃料供給量與組份不變時(shí)，熱氣機(jī)燃燒室壓力基本維持不變。當(dāng)加熱端溫度調(diào)節(jié)時(shí)，由于燃料供給量變化引起燃燒室壓力變化，如不進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)控制，熱氣機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，因此有必要進(jìn)行邏輯控制以維持燃燒室壓力穩(wěn)定，保證熱氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行[19]。熱氣機(jī)燃燒室控制如圖7所示。

圖7 熱氣機(jī)燃燒室工作示意圖

壓力PID調(diào)節(jié)是一種常用的調(diào)節(jié)方法，具有反應(yīng)快、控制精度高等特點(diǎn)。圖7中，YV1-YV4電磁閥因成本因素選擇常規(guī)電磁閥，而常規(guī)電磁閥特點(diǎn)是反應(yīng)較慢。通過電磁閥的開閉實(shí)現(xiàn)尾氣的排氣控制，長(zhǎng)期快速開閉電磁閥易導(dǎo)致其使用時(shí)間大大縮短。結(jié)合熱氣機(jī)燃燒室壓力變化較為緩慢的特性及綜合考慮YV1-YV4常規(guī)電磁閥不適用長(zhǎng)期快速開閉特點(diǎn)，提出了一種低成本可靠適用的穿越邏輯控制方法，即在燃燒室壓力設(shè)定值(P0 MPa)的正負(fù)方向由小到大分別設(shè)置三對(duì)死區(qū)線：P0 MPa±0.015 MPa；P0 MPa±0.023 MPa；P0 MPa±0.03 MPa；同時(shí)設(shè)置一個(gè)燃燒室壓力控制字變量，大小范圍為0-16。每當(dāng)壓力實(shí)際值向上穿越任何一個(gè)死區(qū)線時(shí)，將排氣閥控制字加1，在穿越P0 MPa+0.03 MPa的死區(qū)線并位于死區(qū)外后，則按照定時(shí)脈沖每100 ms將排氣控制字加1；每當(dāng)壓力實(shí)際值向下穿越任何一個(gè)死區(qū)線時(shí)，將排氣閥控制字減1，在穿越P0 MPa～0.03 MPa的死區(qū)線并位于死區(qū)外后，則按照定時(shí)脈沖每100 ms將排氣控制字減1。若燃燒室壓力控制字變量<0，則令控制字變量=0；若控制字變量>15，則令其=15。根據(jù)控制計(jì)算的結(jié)果對(duì)其做加法或減法來改變其值，并根據(jù)此整數(shù)變量的二進(jìn)制的值(0或1)來決定4個(gè)排氣閥的開關(guān)狀態(tài)，輸出控制動(dòng)作。如當(dāng)燃燒室壓力控制字變量為10時(shí)，其二進(jìn)制對(duì)應(yīng)數(shù)值為1010，則此時(shí)開啟YV1、YV3電磁閥，關(guān)閉YV2、YV4電磁閥進(jìn)行尾氣排放工作。

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)熱氣機(jī)進(jìn)行性能仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)測(cè)量的需要，軟件設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)軟件主要功能是對(duì)熱氣機(jī)的壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)噪音等進(jìn)行顯示與保存，同時(shí)負(fù)責(zé)向下位機(jī)發(fā)送控制指令信息，如電磁閥、點(diǎn)火器和報(bào)警器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)調(diào)試以及熱氣機(jī)的起動(dòng)/停車操作。下位機(jī)負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的控制指令，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)熱氣機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制、熱氣機(jī)參數(shù)控制、故障保護(hù)和數(shù)據(jù)通信等。

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要顯示熱氣機(jī)傳感器的測(cè)量數(shù)值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，是人機(jī)對(duì)話的窗口，不參與熱氣機(jī)邏輯控制以防止PC死機(jī)給熱氣機(jī)監(jiān)控帶來不利影響。同時(shí)為了提高監(jiān)控系統(tǒng)的自主可控程度，使用國(guó)產(chǎn)組態(tài)王軟件進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，組態(tài)王是一款適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)的工業(yè)應(yīng)用軟件，可以大大縮短相關(guān)軟件開發(fā)時(shí)間。上位機(jī)軟件主要完成熱氣機(jī)的壓力、溫度、轉(zhuǎn)速和功率等參數(shù)顯示，并實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄保存，以便進(jìn)行熱氣機(jī)的性能仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

熱氣機(jī)上位機(jī)軟件界面如圖8所示，主要由主界面、系統(tǒng)運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置、歷史趨勢(shì)圖和報(bào)警記錄等組成。主界面控制面板中的“起動(dòng)”、“停車”按鈕用于實(shí)現(xiàn)熱氣機(jī)開關(guān)機(jī)操作，“復(fù)位”按鈕用于確認(rèn)或清除當(dāng)前的報(bào)警信息，“手動(dòng)”按鈕可以在手動(dòng)模式下調(diào)試熱氣機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，確保其功能正常，在熱氣機(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)可以觀測(cè)熱氣機(jī)的加熱端溫度、工質(zhì)壓力、轉(zhuǎn)速、冷卻水溫和功率等；點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置按鈕則可以設(shè)置熱氣機(jī)的報(bào)警內(nèi)容，如燃料調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值與反饋值的偏差值以及熱氣機(jī)的壓力、溫度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)偏差范圍；歷史趨勢(shì)圖主要以曲線的形式記錄了熱氣機(jī)的加熱端溫度、工質(zhì)進(jìn)排氣壓力、燃燒室壓力、進(jìn)出冷卻水溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)歷史數(shù)據(jù)，可以在線分析熱氣機(jī)的狀態(tài)信息；報(bào)警記錄記錄了熱氣機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種故障，包含故障代號(hào)、故障發(fā)生時(shí)間、故障清除時(shí)間等。

圖8 上位機(jī)軟件主界面

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境為KEIL uVersion5[20]，開發(fā)調(diào)試工具為J-LINK[21]。軟件首先初始化單片機(jī)PIC18F6722，完成單片機(jī)端口、SPI口波特率、定時(shí)器、溫度、壓力等信號(hào)采集速率、濾波參數(shù)等設(shè)置工作，其次開啟中斷和設(shè)置中斷服務(wù)子程序，最后創(chuàng)建System Monitor Task任務(wù)，通過OSStart()賦予不同任務(wù)的優(yōu)先級(jí)并處于就緒狀態(tài)。整個(gè)熱氣機(jī)控制流程如圖9所示。

圖9 控制流程圖

圖9中，在熱氣機(jī)控制任務(wù)中，報(bào)警任務(wù)的優(yōu)先級(jí)最高，通信任務(wù)的優(yōu)先級(jí)最低，是因?yàn)樵跓釟鈾C(jī)運(yùn)行過程中對(duì)熱氣機(jī)的報(bào)警保護(hù)最重要，通信任務(wù)只是將下位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)進(jìn)行顯示且上位機(jī)不參與熱氣機(jī)的邏輯控制。熱電偶任務(wù)、熱電阻任務(wù)、壓力測(cè)量任務(wù)、轉(zhuǎn)速測(cè)量任務(wù)和振動(dòng)測(cè)量任務(wù)采用定時(shí)接口函數(shù)模式完成熱氣機(jī)加熱端溫度、冷卻進(jìn)出水溫、工質(zhì)壓力、燃燒室壓力、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)測(cè)量；電磁閥控制任務(wù)實(shí)現(xiàn)熱氣機(jī)燃燒室YV1-YV4電磁閥、點(diǎn)火器和聲光報(bào)警器的控制工作。下位機(jī)接收到起動(dòng)指令后，首先完成熱氣機(jī)傳感器狀態(tài)和參數(shù)檢查，全部正常后進(jìn)入點(diǎn)火控制任務(wù)，若點(diǎn)火成功則調(diào)用溫度控制任務(wù)控制熱氣機(jī)快速升溫，當(dāng)熱氣機(jī)加熱端的T_d-T_c< 90 ℃時(shí)開啟PID加熱端溫度控制控制和穿越邏輯控制方法，進(jìn)入燃燒室壓力恒定不變控制以及使加熱端的溫度在abs(T_d -T_c)< 5 ℃內(nèi)變化，控制熱氣機(jī)循環(huán)工作，其中熱氣機(jī)加熱端溫度控制程序如下所示:

void TEMP_REG(void)

{

if (fgCtrl.TMP90P==1) /* 溫度偏差達(dá)到90 */

{

fgCtrl.TPID_EN = 1;/* 溫度調(diào)節(jié)起動(dòng)標(biāo)志 */

TPID_Kp = 0.25; /* PID參數(shù)設(shè)置 */

TPID_Td = 16.0;

DEAD_H = 5; /* 熱氣機(jī)溫度控制死區(qū)范圍 */

DEAD_L = -5;

}

if (fgCtrl.TPID_EN > 0) /* 熱氣機(jī)溫度控制開始 */

{

fgCtrl.TPID_CV = TEMP_PID(TPID_SP, TPID_PV, TPID_Kp, 0, TPID_Td, DEAD_H, DEAD_L, 0.835, -0.835); /* 溫度PID控制 */

}

else

fgCtrl.TPID_CV = 0;

}

在燃燒室壓力控制任務(wù)中，每當(dāng)壓力實(shí)際值向上穿越任一個(gè)死區(qū)線時(shí)，將排氣閥控制字paiqi-cntrl加1，穿越2.8+0.03 MPa的死區(qū)線并位于死區(qū)外后，則按照定時(shí)脈沖每100 ms將排氣閥控制字paiqi-cntrl加1；每當(dāng)壓力實(shí)際值向下穿越任一個(gè)死區(qū)線時(shí)，將排氣閥控制字paiqi-cntrl減1，穿越2.8-0.03 MPa的死區(qū)線并位于死區(qū)外后，則按照定時(shí)脈沖每100 ms將排氣閥控制字paiqi-cntrl減1。軟件中排氣閥控制字paiqi-cntr范圍限定在0～15之間，計(jì)算完成后單片機(jī)PIC18F6722將控制字paiqi-cntr轉(zhuǎn)換為一組4位的二進(jìn)制編碼(0或1)控制輸出，為0時(shí)則表示關(guān)閉排氣閥，為1時(shí)則表示開啟排氣閥，其流程如圖10所示。

圖10 燃燒室壓力控制流程圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

研制的基于PIC18F6722單片機(jī)的熱氣機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在某型熱氣機(jī)發(fā)電機(jī)組上獲得了應(yīng)用。熱氣機(jī)起動(dòng)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)控制點(diǎn)火器點(diǎn)火，PIC18F6722單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供較大燃料供給量為熱氣機(jī)提供熱量，能夠在120 s內(nèi)將熱氣機(jī)加熱端管壁溫度提升到額定值650 ℃。在3 000 h熱氣機(jī)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中，監(jiān)控系統(tǒng)把加熱端管壁溫度控制在其材料的最高安全耐受溫度±5 ℃內(nèi)，表明熱電偶信號(hào)測(cè)量精度較高，沒有發(fā)生熱氣機(jī)加熱端燒蝕，說明本監(jiān)控系統(tǒng)溫度控制策略正確。在整個(gè)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中，熱氣機(jī)燃燒室壓力一直穩(wěn)定在2.8±0.025 MPa內(nèi)，試驗(yàn)中沒有發(fā)生排氣閥損壞的故障，對(duì)比試驗(yàn)中沒有采用穿越邏輯控制方法另一臺(tái)熱氣機(jī)每間隔約500小時(shí)發(fā)生排氣閥卡死現(xiàn)象，說明采用穿越邏輯控制方法有效提高了排氣閥的使用時(shí)間。熱氣機(jī)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速在1 522 r/min，誤差±1 r/min，符合異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電特性和熱氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。在試驗(yàn)中，燃料組成成分的波動(dòng)會(huì)造成熱氣機(jī)加熱端溫度和燃燒室壓力變化，熱氣機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)該溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料量投入比例，控制加熱端溫度處于材料安全工作溫度，同時(shí)調(diào)節(jié)燃燒室壓力，保證熱氣機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行和輸出高品質(zhì)的電力，表明監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。表1是熱氣機(jī)不同工況下的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1 熱氣機(jī)運(yùn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)熱氣機(jī)加熱端管壁溫度和燃燒室壓力的監(jiān)控，以PIC18F6722單片機(jī)作為控制邏輯算法核心設(shè)計(jì)了熱氣機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，文中介紹了熱氣機(jī)監(jiān)控軟件、硬件設(shè)計(jì)過程，以及采用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)的人機(jī)對(duì)話窗口，還詳細(xì)說明了熱氣機(jī)燃燒室壓力、加熱端溫度控制策略，闡述了熱氣機(jī)的控制流程。在實(shí)際使用中，采用PID控制完成了熱氣機(jī)加熱端溫度控制，其控制精度為±5 ℃；通過穿越邏輯控制與二進(jìn)制相結(jié)合的方法成功實(shí)現(xiàn)熱氣機(jī)燃燒室壓力控制，將其壓力控制穩(wěn)定在2.8±0.025 MPa內(nèi)，同時(shí)還將排氣閥使用時(shí)間提高6倍。運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，人機(jī)對(duì)話界面方便，能夠?qū)崟r(shí)顯示熱氣機(jī)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，能夠自動(dòng)記錄壓力、溫度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。本監(jiān)控系統(tǒng)也為熱氣機(jī)性能仿真、優(yōu)化設(shè)和熱氣機(jī)性能優(yōu)劣判定提供計(jì)了相關(guān)數(shù)據(jù)，其經(jīng)驗(yàn)可以用于其它類似的監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作。