基于单片机的智能点火控制系统设计

毕 灿，王景存

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

智能点火控制装置在冶金行业有着非常广泛的应用，主要运用在轧钢退火炉、环形炉、罩式炉等方面，但现在用于冶金行业点火控制装置存在一定的缺陷，点火控制时间是根据现场生产环境固定设计，但不同生产工艺对点火时间的控制有着不用的要求[1]。

本实用新型智能点火控制装置可以控制点火时间，确保在点火时按一定的程序逐次实现点火过程，同时可随时修改控制参数，方便不同生产工艺的使用，以保证点火过程顺利而安全的完成。在点火装置使用的过程中，使用紫外线（UV）传感器来适时检测火焰，且当加热炉无火时，软件会报警，如果软件报警失效，一定延时后硬件电路报警，这样的双保护确保了整个点火控制装置在使用时更加安全可靠。

1 系统设计

1.1 系统总体框图

系统总体框图如图1 所示，图中CPU 所有的输入输出都是通过光耦完成的，这样使信号传输的抗干扰能力加强。远程复位让装置进入工作状态，模式控制控制打火时间和开主阀时间，火焰传感器通过火焰探测电路将信号传输给CPU，CPU 输出信号给硬件控制逻辑，由硬件控制逻辑来进行点火、开点火阀、主气阀和空气阀、报警，最后报警信号又输入给CPU，使CPU 知道装置的运行状态，继而发出正确的指令，使整个点火控制过程有条不紊的进行。

图1 系统总体框架图Fig.1 System overall framework diagram

1.2 系统主要功能

正常情况下，CPU 根据输入信号控制硬件控制逻辑来进行点火、探火、开关大小阀门或报警，而当CPU 跑飞或由于其他原因停止工作进入非正常工作状态，硬件控制逻辑会在一定延时后自动启动报警。这样的多层保护使得整个装置在运行的过程中更加安全可靠。

系统的主要功能如下：

1）按下启动信号，进入工作状态，首先检测有无虚假火焰信号，如有则输出故障信号。如正常，开启点火变压器和点火阀，进入点火状态，如有火，为点火成功。开启主气阀。如无火，为点火失败，2 秒后关闭所有控制输出，报警锁定，输出失败信号。

2）点火成功后，主气阀的开启时间（安全时间）可由开关设置（3S、5S 或10S）。

3）空气阀的动作可选择跟随点火阀开启、或跟随主气阀开启、或由外部人工开启控制（用于炉窑吹扫）。

4）正常工作后，如有火焰信号，保持正常工作直至工作信号撤销，回复到待机状态，如无火焰信号则由CPU 来控制处理方法，有下列3 种：

①立即关闭全部控制输出，报警锁定，输出失败信号。

②延时一段时间后（时间可调），如仍无火焰信号，关闭全部控制输出，报警锁定，输出失败信号。

③关闭全部控制输出，重新启动，如点火成功，进入工作状态，如点火失败，关闭全部控制输出，报警锁定，输出失败信号。

当CPU 跑飞或由于其他原因停止了工作，这时硬件控制逻辑会在一定延时后自动启动报警，输出故障信号。

5）控制器在待机状态时仍检测火焰信号，如出现连续10S 的火焰信号，则断开控制输出电源，报警锁定，输出故障信号。

6）故障/失败状态出现后将一直保持锁定，不受工作信号和断电的影响，只有人工干预复位后才可以解除故障/失败状态。

2 硬件设计

本装置主要由CPU 电路、点火电路、探火电路、硬件控制逻辑和继电器保护电路等组成。CPU 选用的是MEG16 芯片，控制整个点火过程；点火电路对加热炉进行点火；探火电路实时检测炉内火焰；硬件控制逻辑控制整个点火装置的输出，并且当CPU 失效时能自行启动报警；继电器保护电路是为了控制开阀顺序和保护电路。下面对几个电路进行具体介绍。

2.1 硬件控制电路

硬件控制电路如图2 所示，J为双线包继电器，上面的线包只能控制开关向下动作，下面的线包只能控制开关向上动作，且断电的情况下具有记忆功能。图中可以看出，报警的产生是由555 和CPU 同时控制。无报警情况下控制芯片ULN2003A 使能，CPU 通过ULN2003A 控制点火变压器、点火阀、主气阀和空气阀，装置正常工作。当正常工作无火时，火焰传感器将信号传输给CPU，CPU 给出报警信号使三极管Q导通，继电器J 工作，ULN2003A 不使能，锁定所有CPU 输出，装置进入锁定状态，无任何输出。

当没火，而CPU 由于某种原因没有给出报警信号时，这时如果点火阀或者主气阀有一个开着，555 就会延时一段时间给出一个高电平使Q 导通，ULN2003A 不使能，锁定所有输出。在555 延时的这段时间，如果又有火或者两个阀门同时关闭，555 会自动重新延时。

由于有CPU 和555 的双重保护，使得整个装置在使用时更加安全[3-4]。

图2 硬件控制逻辑电路Fig.2 Hardware control logic circuit

2.2 点火电路

点火电路如图3 所示，图中MOC3023为双向可控硅光耦，SCR为双向可控硅，RV1为压敏电阻，起到保护电路的作用。当有打火信号（低电平）时，光耦工作，4 端和6 端导通，SCR 的G、K 两端有电压差，触发SCR 导通，A、K 两端导通，变压器工作，输出高压给离子棒产生火花，从而进行点火。由于在打火时，会产生较大的干扰，所以在火线与零线接入C2和R5 来进行滤波，减小干扰[2-3]。

图3 点火电路Fig.3 The ignition circuit

2.3 火焰检测电路

火焰的发射光谱是由紫外、可见光和红外光的电磁辐射波段组成，火焰探测可以使用紫外线传感器和红外线传感器，本装置使用的紫外线传感器。

紫外线传感器工作原理如图4 所示。在紫外线传感器的阴极和阳极之间加上电压后，当火焰中的紫外线透过石英玻璃管照射在光电面的阴极上时，由于阴极涂敷有电子放射物质，阴极就会发射光电子。在强电场的作用下，光电子被吸向阳极，光电子高速运动时与管内气体分子相碰撞而使气体分子电离，气体电离产生的电子再与气体分子相碰撞，最终使阴极和阳极间被大量的光电子和离子所充斥，引起雪崩放电现象，电路中生成大的电流。当没有紫外线照射时，阴极和阳极间没有电子和离子的流动，呈现出相当高的阻抗[5]。

图4 紫外线工作原理图Fig.4 UV-working schematic

外围检测电路如图5 所示，图中输入端为UV 探测器的输出端，当有火焰时，输出端有较大的电流信号，电流大小可测，电流通过电阻到Q1 的基级，Q1 的集电极接Q2 的基级，之后在Q2 和Q1 的发射级就有电压差，这样火焰指示灯亮，同时通过电阻R8 将火焰信号传输给CPU。电路还可以通过调节电位器RV1 来调节火焰探测的灵敏度。此电路组成简单，但对火焰探测非常准确、灵敏。

图5 外围检测电路Fig.5 Peripheral detection circuit

3 软件设计

软件设计框图如图6 所示。

图6 软件设计框图Fig.6 Software design diagram

1）初始化时，进入待机状态State=0，关闭所有输出。

2）外部如果有报警则State=1，这时等待远程复位信号的到来，当有复位信号时State=2。如果外部没报警则直接State=2。

3）State=2 进入点火，点火之前先判断炉内有火没，如果有火则不打火，没火进行点火到State=3。

4）State=3 进行点火，开启点火变压器和点火阀。点火后判断点火成功否，点火成功State=4，点火不成功则输出报警，关闭所有输出，State=0。

5）State=4 开启主气阀，装置正常工作。实时监测火焰电流信号，一旦无火焰电流信号则State=5。

6）State=5为熄火反应，由模式控制开关选择。State=6为立即报警；State=7为延时三秒报警；State=8为重新点火。

5 结束语

目前智能点火控制系统已在钢厂投入使用，运行良好。智能点火控制系统成本低但运行安全稳定，能够通过修改软件来适应不同的生产工艺，且具有软件硬件的双重保护和火焰实时检测等特点，其运用环境应该更加广阔，但智能点火控制系统目前还只仅仅运用于罩式加热炉，相信在不久的将来，智能点火控制系统会慢慢的运用于其它的加热炉，让更多的钢厂熟知。

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