一种基于单片机的低温蒸汽发电机控制器的研究

肖艳军　宋海平　张　贺　刘　蕊　刘玉香

(河北工业大学机械工程学院，天津　300001)



一种基于单片机的低温蒸汽发电机控制器的研究

肖艳军宋海平张贺刘蕊刘玉香

(河北工业大学机械工程学院，天津300001)

针对目前低温余热蒸汽回收难度大的问题，开发了一种罗茨式蒸汽动力机，并以此为基础设计了一套可移植、通用性强的模块化嵌入式控制系统。模块化设计的软、硬件系统，既便于系统功能的扩展和裁剪，又便于系统的管理和维护。从总体结构方案、硬件设计以及软件设计三个方面对其进行了具体阐述，通过相应的试验研究，验证了控制系统的可行性，也为下一步的样机及其他类型发电机组的应用奠定了基础。

低温蒸汽发电罗茨蒸汽动力机嵌入式控制系统模块化设计监控智能化串口通信CAN总线人机交互

0　引言

现有低温余热发电系统的动力机结构复杂，单位发电功率造价高，导致我国低温能源回收效率偏低[1]。因此需要一种结构简单、加工制造成本低、维护方便的发电设备来使用这些热源或蒸汽品质极差的余热资源。目前，主要研究热点集中在以螺杆膨胀动力机为原型的发电设备上，通过对其进行优化设计或改造，使之适应这种低品质能源[2-3]。本课题利用罗茨式动力机驱动发电机产生电能，研发了一种可监控发电机工作状况并进行智能调控的嵌入式控制器。该控制器采用模块化设计，具有操作方便、控制简单、易于推广使用、可移植性强、通用性好、便于管理和维护等优点[4-5]。

1　总体设计

1.1被控装置结构组成

该嵌入式控制系统用于对蒸汽动力机、增速机构和发电机进行调控，包括微处理器、电源模块、编码器、流量调节阀、监测仪、温度传感器、湿度传感器、油泵、电机、控制面板、风扇、散热管和油箱。所述增速机构安装在蒸汽动力机与发电机之间。

1.2控制系统分析

由以上被控装置组成的罗茨式蒸汽发电系统，其控制对象繁多、工艺过程复杂。运行过程中，需要实时采集压力、温度、流量等模拟量信号，并将模拟信号转换成数字信号输出。该控制装置涉及多路模数转换，要求系统具有较高的处理速度，以便实时监控机组工作状态并进行快速反馈调节，从而保证输出电压的稳定性和设备的安全性。

本文在罗茨式蒸汽发电系统的基础上，设计了一套可移植且通用性强的模块化嵌入式控制系统。以使用简单、扩展方便、可满足发电机系统的各项功能需求和性能要求为原则，选取一款完全集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机C8051F040。C8051F040系统具有丰富的系统资源，其64个I/O引脚可按设计需要灵活编程配置。在分析发电系统的控制需求后，对C8051F040的系统资源进行了如图1的规划配置，以便进行系统硬件电路的设计。

软、硬件系统采用模块化设计，便于系统功能的扩展、裁剪，也便于系统的管理和维护。这种设计方法可将功能电路组成通用的功能模块，使其具有可移植性。将系统设计变成功能模块的选取和组装，即将原有系统中集成设计的各个功能模块拆解成一个个独立的子功能模块。各子功能模块至少包含一种核心元器件或者电路，对内具有完整的功能，对外提供电源和信号连接的电气接口。设计后的功能模块经测试后，可快速应用到有相同要求并提供相同接口的嵌入式系统中。当电路出现故障时，其插接式、模块化的设计方法，便于快速检修并更换故障模块，大大降低了对正常生产的影响。

图1　处理器资源使用规划框图Fig.1　Block diagram of usage plan about processor resources

按照模块化的设计思想，该嵌入式系统的硬件被分为以下几个部分：核心处理器的选择，基本电路设计，前向通道接口电路设计，后向通道接口电路设计，数据通道接口电路设计及通信接口电路设计。其中，前向通道接口电路是系统的信号输入接口电路，负责变换不同种类和规格的传感器信号，并将其转换成能够被MCU识别的电平或者模拟量信号。后向通道接口电路是系统输出指令与执行机构之间的信号转换电路，通常将电平信号及数字信号转换为外部机构需要的电压、电流或模拟量信号。系统需采集多个模拟量，由于蒸汽源的压力和流量不稳定，因此，控制系统的模数转换模块及通信模块成为系统设计的重点和难点。

2　系统硬件结构及各功能模块的实现

基于模块化设计方法，基板是各功能模块连接的载体，其电气接口应与各功能模块相一致。为使整个系统的电气接口相吻合，确保其一致性，采用先模块后映射接口的设计方式。基板的主要作用是提供功能块的固定位置和电气接口底座。由于基板面积大，故可将电源线设计安排在基板上。根据电磁兼容性的设计原则，进行排布线。功能块与基板间通过排针连接，基板与基板间通过排线进行连接，除应有的电气连接外，还要通过螺栓柱将各个部分紧固地连接。按照类似的设计方法，制作完成整个嵌入式控制系统。根据罗茨蒸汽发电系统的控制功能要求，本文重点介绍了通信接口设计和模拟量接口设计这两个主要模块。

2.1通信接口设计

通信总线模块是微处理器与外部进行数据交换的通道，包含三种通信接口，分别为RS-232、RS-485和CAN总线接口。各通信接口电路如图2所示。

图2　各通信接口电路Fig.2　Circuits of each communications interface

其中，RS-232接口与控制面板的触控屏进行连接，RS-485接口通过总线与监测仪连接，CAN总线与工厂现场CAN总线连接。

2.1.1RS-232接口电路

RS-232接口电路在系统中主要用于与触控屏通信，进行人机交互。MAX232CES是主要的电平转换芯片。C8051F040单片机引脚输出3.3 V高电平，因此需要考虑其逻辑电平的兼容性。根据MAXIM公司选型手册可知，MAX232A为一款兼容型逻辑器件，输入低电平为0.8 V，高电平为2.4 V，满足兼容性要求。其RS-232接口电路如图2(a)所示。

2.1.2RS-485接口电路

RS-232属单端信号传送，存在共地噪声问题，且无法抑制共模干扰，因此一般用于20 m以内的数据通信，而安装位置等干扰因素使得RS-232不适用于现场仪表的通信。RS-485采用差分信号负逻辑，接口简单、组网方便、传输距离远，因此该嵌入式系统采用RS-485进行现场仪表及仪器的连接。RS-485接口电路如图2(b)所示。电路采用兼容3.3 V逻辑电平的MAX485(ESA)芯片，电路设计参考MAX485使用数据手册。

2.1.3CAN总线接口电路

CAN总线是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络，具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高为1 Mbit/s的高速网络到低成本多线路的50 Kbit/s网络都可以任意搭配[6]。为使罗茨式蒸汽发电机系统能独立工作，且可与工厂网络(CAN总线)连接成为分布式设备，根据系统资源，为其配备了CAN总线接口，CAN总线接口电路如图2(c)所示。

2.2模拟量接口设计

C8051F040内置两个12位的DAC通道，可通过软件写定时器的溢出信号更新DAC输出；同时内置12位ADC、9通道输入多路选择开关以及可编程增益放大器。该ADC工作在100 Kbit/s的最大采样速率时，可提供12位精度。

模拟量接口电路分为模拟量采集输入的A/D转换和数字量转换输出的D/A转换,如图3所示。图3(a)为输入接口，图3(b)为输出接口。由于模拟量输入参考电压使用内部2.4 V带隙基准电压，因此系统中的模拟量输入采集电压信号在0～2.4 V之间[6]。

根据公式Vout=Iin×R103来计算电阻R202与R201的阻值。电阻采用0.1%的高精度电阻，可以满足工业现场应用。另外，在模拟量输入端连接一个0.1 μF的滤波电容，可保护输入通道不因极性反接而损毁，在入口处和滤波电容的旁路加装二极管作为保护。

DAC模块所使用的电压基准采用外接5 V参考电压电源，通过VREFD引脚和5 V电源相连，并在VREFD引脚与AGND之间接入0.1 μF和4.7 μF的旁路滤波电容[7]。

图3　模拟量接口电路Fig.3　The analog interface circuit

3　系统软件的设计与实现

3.1控制工艺的设计

将低压蒸汽发电系统按照工作原理划分成余热回收、蒸汽发电、并网控制、冷却润滑和冷凝循环五个功能单元。实际的发电系统由其中几个或者全部功能单元组成。为配合硬件系统功能的扩展和裁剪，软件系统同样按照功能单元进行设计，最后通过运行策略使之成为整体。五个被控单元中，蒸汽发电部分是重点、也是难点环节。本文以蒸汽发电单元为例，阐述其控制流程。

蒸汽发电原理如图4所示。

图4　蒸汽发电原理图Fig.4　Principle of steam power generation process

在蒸汽发电环节，“废气”经过回收，由热管余热回收器生成低压饱和蒸汽后进入蒸汽发电过程。该过程使蒸汽热能膨胀做功，推动蒸汽动力机旋转，从而带动发电机工作。蒸汽发电环节被控对象信息如表1所示。

表1　蒸汽发电环节被控对象信息Tab.1　Controlled object information of steam power generation sector

蒸汽发电过程利用余热回收工艺中产生的低压饱和蒸汽膨胀做功发电。将做功后的蒸汽输送至冷凝回收器，以便循环利用。发电机将产生的电能输送至并网发电柜，由并网发电柜决定是否并网发电，同时发电机还接收并网发电柜回送的调节参数并进行调节。具体的蒸汽发电流程如图5所示。

图5　蒸汽发电流程图Fig.5　Flowchart of steam power generation process

在调节过程中，首先关闭蒸汽旁路阀门，防止因泄压造成的动力机入口蒸汽品质下降。在关闭蒸汽旁路阀门的同时，打开蒸汽入口调节阀，开度约为30%，使动力机缓慢启动至快速运转。在一段时间内，由于蒸汽做功，动力机出口处蒸汽温度、压力和流量的数值与入口处数值相比均会减小且差值保持在一定范围内。如果差值超出该范围，则可能导致动力机卡死或堵转，此时系统会发出警报并进入保护程序；如果差值正常，系统接收并网发电柜发出的目标参数并自动进行电能调节。

电能自动调节定时采样计算测速编码器的频率，得出当前电压频率，并读取电能质量检测仪的数值进行比较，结合调节目标参数确定目标值，通过PID运算得出控制度，作用于蒸汽入口调节阀，从而达到调节的目的[8]。对于控制工艺而言，不仅需实现其控制功能，更重要的是保证系统的安全，以提高使用性能、增强实用性和可维护性。整个系统的软硬件均按照模块化的方法进行设计，由于控制工艺是独立的功能单元，无法实现完整的控制功能，因此需要通过系统运行策略设计合理的串接工艺，对各功能组统筹管理。

3.2人机交互及状态监测

本嵌入式系统的人机交互及状态监测系统使用昆仑通态监视与控制通用系统(montion and control generalted system,MCGS)的TPK1062HI型触控屏作为交互系统的下位机，嵌入式系统本身作为上位机，两者之间使用RS-232协议接口进行通信。在此人机交互系统中交换的信息复杂，但信息量较小，所以适合使用ASCII码通信协议。完成硬件连接后，软件部分需要从通信“帧”格式设计、“数据体”规划、下位机脚本驱动程序设计、上位机解析函数设计这四个方面进行设置及程序编写[9-10]。

系统运行中，需要实时显示设备的工作状态，以便进行管理和引导安全生产，人机交互系统是实现状态显示和人机对话的窗口。

4　试验测试

4.1蒸汽和负载动平衡调节试验

在余热蒸汽进行发电的过程中，使用的主要是蒸汽流量波动大、压力变化大的低品质蒸汽源。为了研究该发电系统对波动蒸汽和变化负载的适应能力，同时测试所设计的嵌入式系统的工作性能，设计了如下试验。

通过C8051F040的PCA模块以及高速脉冲信号接口电路，计数旋转编码器的反馈信号，定时采集发电机的转速信号。通过PID控制器的运算，最终经DAC模拟量接口电路将控制值输出给电动比例调节阀，以此构成闭环调节系统。采用任意调节手动阀门开度(在一定范围内)的方式，模拟实际生产中的气源波动。4.1.1波动蒸汽源的调节试验

连接35 kW负载后，将手动调节阀完全打开，待发电系统稳定后再将阀门开度逐渐调小，调小后再将阀门开度增大，如此反复进行，以施加人工干扰。阀门开度调节效果如图6所示。反复人工干扰下的PID调节曲线如图6(a)所示；待发电系统稳定后对手动阀门实施较大幅度的干扰直至完全关闭，此时PID调节也随之变得剧烈，大幅人工干扰PID调节曲线如图6(b)所示。

图6　阀门开度调节效果图Fig.6　Regulating effects of valve opening

4.1.2变化负载的调节试验

波动蒸汽源的调节试验证明,该发电系统对波动的蒸汽源有较明显的调节效果，那么其是否对变化的负载具有同样的调节效果呢？计划当发电机组在35 kW的负载下稳定运行时，将15 kW的负载迅速接入，由于负载突然增大，会对整个系统造成一定的冲击，此时系统恢复平衡需要一定的时间。这个调节时间越短则说明系统对负载的冲击响应越快，调节效果好；反之则说明调节效果差。经过试验测试，已证实上述推断，其变化负载的调节效果如图7所示。

图7　变化负载的调节效果图Fig.7　Regulating renderings of load changes

负载的突然断开同样会对整个系统造成冲击。由图7可以看出，系统在突然加载时，所需调节时间约为5 s，而突然卸载的调节时间约为4 s，与蒸汽源波动调节效果相比要稍逊一些。

4.2试验分析

第一组试验说明罗茨-蒸汽发电机对压力大于0.45 MPa、流量大于0.28 t/h的余热蒸汽，具有一定的适应能力；第二组试验说明罗茨-蒸汽发电机对50 kW及以下的负载，在一定压力和流量的范围内具有一定的适应能力。两组试验是对嵌入式系统的功能性测试，且证实了该嵌入式系统能够完成对电压质量调节的功能。

5　结束语

本文基于罗茨式蒸汽发电机系统的工作原理，进行了需求分析，并结合目前低压蒸汽发电装置的工作原理对需求进行了扩展，提出了低压蒸汽发电装置的嵌入式控制系统方案。为满足不同低压蒸汽发电系统的功能要求，同时控制开发成本，采用模块化的设计方法对嵌入式系统的硬件进行开发设计，形成了模块化、通用化、平台化的模型；在软件的设计中，按照模块化工艺过程的方式，对控制软件进行了设计开发，通过运行策略将整个控制过程整合起来。最后对该控制器进行了相应的试验研究，验证了控制系统的可行性，为下一步样机及其他类型发电机组的应用奠定了基础。综上所述，系统满足了低压蒸汽发电装置的控制需求，具有较高的可靠性、稳定性，在小型低压蒸汽发电领域具有广阔的应用前景。

[1] 王统彬．纯低温余热发电方案设计及系统优化[D]．河北：华北电力大学,2008.

[2] 曹滨斌,李惟毅．螺杆膨胀机双循环低温余热回收系统分析[J]．天津大学学报，2010,43(4)：310-314.

[3] 刘广彬,赵远扬，李连生．低温余热回收用涡旋膨胀机性能模拟研究[J]．西安交通大学学报,2009，43(7)：89-91.

[4] 肖艳军,李永聪,姜云峰,等.一种蒸汽发电机控制器：104199317A[P].2014-12-10.

[5] 代洋.蒸汽发电自动化控制技术分析[J].中国高新技术企业,2014(9):64-65.

[6] 唐金海.CAN总线分析及应用编程[D].呼和浩特:内蒙古大学,2013.

[7] 胡曙辉,陈健.几种嵌入式实时操作系统的分析与比较[J].单片机与嵌入式系统应用,2007(5):5-8.

[8] 魏克新.自动控制综合应用技术[M].北京：机械工业出版社,2007.

[9] 包建华,丁启胜,张兴奎.工控组态软件MCGS及其应用[J].工矿自动化,2007(3):92-94.

[10]范逸之．Visual Basic与RS-232串行通信控制[M].北京:清华大学出版社,2002.

Study on the MCU-based Controller for Low Temperature Steam Generator

Aiming at the great difficulty in recovery of low temperature waste heat steam,a Roots-type steam power machine is developed,and based on it; a transplantable and versatile modular embedded control system is designed.The software and hardware that are designed modularly is easy to expand or trim the systematic functions,as well as is easy to manage and maintain the system.The overall structural scheme,hardware design and software design are elaborated specifically; furthermore,corresponding tests and research of the controller are done to verify the feasibility of the control system,thus laid foundation for the application of next prototype and other types of generators.

Low temperature steam generationRoots steam power machineEmbedded control systemModular designMonitoring and control IntellectualizationSerial port communicationCAN busHuman-computer interaction

肖艳军(1976—)，男，2009年毕业于河北工业大学机械设计及自动化专业，获硕士学位，副教授；主要从事智能检测与控制技术、嵌入式控制技术方向的研究。

TH7;TP2

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610008

河北省自然科学基金资助项目(编号：E2013202230)。

修改稿收到日期：2015-01-05。