分布式电热锅炉控制系统的研究

王　华，李亚兵，刘晓超，周永强，申俊星

（1.商丘职业技术学院 机电系，河南 商丘　476000；2.漯河食品职业学院 机电系，河南 漯河　462000；

3.河南工业和信息化职业学院，河南 焦作　454150；4.洛阳职业技术学院，河南 洛阳　471000）

分布式电热锅炉控制系统的研究

王华1，李亚兵2，刘晓超3，周永强4，申俊星1

（1.商丘职业技术学院 机电系，河南 商丘476000；2.漯河食品职业学院 机电系，河南 漯河462000；

3.河南工业和信息化职业学院，河南 焦作454150；4.洛阳职业技术学院，河南 洛阳471000）

文章以三台供暖热水锅炉及其相关辅助控制设备为研究对象，采用ARM Cortex-M3为核心控制器。通过对下位机与上位机的软件编程和软硬件组态，实现三台热水锅炉的全部监控。最终完成的电热锅炉能够实时显示水位的变化和水温，显示锅炉的压力，能够手动自动供水，根据供水量的需求，变频器控制水泵的工作台数，压力超标时自动报警。

电热锅炉；ARM Cortex-M3；CAN；变频调速；分布式

工业趋向文明，城乡一体化发展，在为人类创造巨大的财富和便捷的同时，也在向空气排放大量的粉尘、雾霭等有害气体，破坏了环境，严重影响了人类的健康。因此，人们越来越清楚地意识到保护环境的重要性。用电热锅炉取代燃煤燃油锅炉，减少环境污染已经是大众所望的趋势。

1　分布式电热锅炉控制系统的组成

本系统分成两级，第一级是监控系统，设计一个硬件电路，这个硬件电路需要完成两个任务，一个任务是和上位机通过串口或是通过USB口连接，能够将每个锅炉的数据读取过来，并发送给上位机，另一个任务是接收来自上位机的指令，传给第二级。第二级是现场控制系统，由三台锅炉控制系统组成，每个锅炉一个硬件电路，这个硬件电路就是控制锅炉的温度压力，向锅炉内供水，为锅炉加热，通过传感器读取锅炉里的温度、压力等参数用数码显示的方式显示温度压力，当超过设定值时系统报警。上位机与下位机通过CAN总线相连，完成对锅炉的控制，并将锅炉的数据发送给第一级。系统框图如图1所示。

电热锅炉是把电能转化为热能的一种动力设备，广泛应用于工业领域。它具有独特的系统组成和控制方案，液位、压力、流量、温度等是控制过程的主要热加工参数，对这些参数的控制通常采用比例积分微分（PID）控制算法以及先进控制、智能控制等来实现。本系统的设计以电热锅炉的各项参数为监控对象，采用CAN现场总线技术，选用ARM Cortex-M3内核的STM32F103单片机芯片作为控制装置硬件；主控制器通过PCA82C250接收器和上位机相连构成系统控制装置，结合西门子专业组态软件WINCC和OPC等技术，使操作人员可以对系统实现远程控制。

图1　系统框图

2　现场控制系统设计

（1）锅炉变频恒压供水系统设计。把切换开关拨到相应的位置，在锅炉本身的控制系统中，有一个控制锅炉汽包进水量的电动阀，通过手动操作装置将其打开，然后再用一个控制信号转换开关来把这个控制信号切断，断开原有的控制回路，让电动阀处于完全开启状态。同时要把锅炉内的汽包压力信号传送给单片机，单片机将该信号进行PID运算后，再把它传送给信号转换装置，输出的4～20MA模拟信号，把得到的这个模拟信号传递给变频器，用来控制变频器的输出信号频率。原理图如图2所示。

图2　系统原理图

为了既不改变系统原有的状态，同时又能能更好地利用变频设备，实现降低能量损耗，节约系统成本以及提高原有系统运行效率，本设计主要针对3台锅炉的运行特点，利用保持蒸汽压力和给水压力的压差恒定的方法，设计了一套可以用于3台锅炉同时运行的控制系统方案。当3台锅炉同时运行时，由于外部所提供的蒸汽要并管，所以蒸汽压力相同，又由于3锅炉是由同一条母管来给水，故给水压力也会相同的。但是由于蒸汽用量的变化和不确定以及锅炉燃烧情况的不同，蒸汽压力会时刻变化的。为了能保证给锅炉的汽包能够供上水，所以就必须要求给水的压力要始终高于蒸汽压力才行，由单片机负责采集蒸汽压力和母管的给水压力，通过相应的处理和比较后，计算得到二者的差值，再将二者的差值通过PID运算处理，输出4～20MA的标准模拟信号给控制信号进行转换装置，再由该设备将处理后的信号传输给变频器，从而来控制变频器的工作速度。这样通过单片机在一定范围内对压力差的大小进行任意调节，从而可以保证给水母管压力始终比锅炉的蒸汽压力高。

（2）温度控制系统。在电热锅炉的生产过程中，汽轮机和锅炉的工艺条件决定了热蒸汽温度。为了保证过锅炉生产的安全性和经济性，必须采取措施，对过热蒸汽温度限定一个范围。对于20吨的锅炉，可以通过计算机控制系统，增减温水流量来实现对过热蒸汽温度的控制。通过温度控制回路保证出口温度在一定范围内波动，同时使不超出管壁温度允许的温度范围。如图3为基于PID算法的温度控制回路，系统的两个反馈回路中分别有一个调节器，一个是主调节器、一个是副调节器。目标值和主回路测量的实际值之间的偏差作为主调节器的依据，而它的输出数据作为副调节器的初始值，然后与副回路测量的实际值进行比较。通过这两个调节器的参数和决定副调节器是否工作，再输出相关参数对执行机构进行调节。因此副回路可以快速清除扰动，是一种高效的快速回路。

图3　基于PID算法的温度控制回路

3　结语

文章的设计既能实时显示锅炉的温度压力，并通过恒压供水系统和PID控制算法把温度和压力限制在一定的范围内，确保了系统的稳定性和可靠性。又能通过监控系统进行报表打印、报警记录及数据归档等，使操作员能够方便及时地掌握锅炉运行状。

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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年度河南省高等学校重点科学研究项目（15B510013），名称：分布式电热锅炉温度控制系统的研究。

王华（1984-），女，河南驻马店人，讲师，主要从事单片机技术实训教学与研究工作。