基于CAN总线的生物质燃料锅炉温度集中控制研究

秦国栋++沈建明

摘 要：简要介绍了将CAN总线应用于生物质燃料锅炉温度采集中的相关情况，以期为日后的相关工作提供参考。因为CAN总线可以方便组网，利用其主从机的工作方式，采集分散的锅炉温度，集中监测和控制，方便管理，节省人工，并且成本比较低，有利于推广。

关键词：CAN总线；生物质燃料；锅炉；温度

中图分类号：TK223.7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.091

生物质燃料的来源比较广泛，例如农作物秸秆、锯木屑、果树枝和甘蔗渣均可生产为生物质能源，所以，生产成本比较低。生物质能源的碳来自于循环碳，可以认为燃烧过程产生的二氧化碳排放为零排放，因此，它是一种绿色清洁能源，也是可再生能源。利用生物质存在成本、技术等多方面的问题。目前，在适合我国大规模高效洁净利用生物质的技术中，最成熟的是直接燃烧技术，即将生物质能源燃烧产生的能量用于集中供热或者发电。由于生物质锅炉燃烧过程具有大惯性、纯时滞、变参数的多输入、多输出等特点的复杂燃烧过程，这就要求控制器设计要非常精准。控制器的设计关键是温度的感知和控制。

在使用锅炉的工厂里，温度控制直接关系着产品的品质，如果控制锅炉温度的设备过于简单，控制技术比较落后，就会浪费燃料，有的可能会污染空气。机械式仪表测量和人工定时记录是比较传统的设备检测方式，这种方法不能实时采集温度。因此，高效、实时地测量和监控温度成为锅炉控制中的重要问题之一。

针对有效、实时监控锅炉炉膛内膛温度的问题，这里设计了一种基于CAN（Controller Area Network）总线的分布式温度监控系统。该系统具有超高温采集、多点分式采集能力，且具备远程集中监测和控制等特点。

1 系统设计方案

锅炉的温度检测系统如图1所示。系统采用CAN总线多点式主从机分布形式实现多路温度采集，该系统是由主机模块、CAN总线模块、从机模块、液晶显示模块、热电偶采集模块和报警模块等部分组成的。锅炉炉膛内温度由K型热电偶采集模块采集，温度经过从机AD转换处理后通过液晶实时显示炉膛当前温度。当温度超过设定的温度上限或者下限时，报警模块将报警，其中温度的上限或下限可以通过从机的按键调节。从机将当前温度通过CAN总线发给主机，主机通过液晶显示出所有炉膛的当前温度、平均温度和温差。当任何一个炉膛温度超过温度阈值，系统的报警器将报警。CAN总线集中采集温度，可以保证实时性，节省人力。

CAN总线可采用多主工作方式，但是，根据实际锅炉温度检测的应用要求，主机只负责收集各个从机的温度信息，并且下达命令，从机不会控制其他从机，所以，工作人员选择了单主机的工作方式。在实际应用中，将主机放置在工厂的控制中心，从机距离主机1.3 km，设定的通信速度为50 kB/s，系统有3个从机，采用双绞线作为通信网络介质。每个从机都是个电锅炉温度采集系统，该系统主要包括单片机、热电偶温度传感器、继电器和液晶等，主要用来采集温度信号，并根据主机命令控制它。

2 系统硬件设计

2.1 CAN总线收发器设计

本设计中的生物质锅炉从机的CAN控制器全部采用菲利普公司生产的SJA1000 CAN控制器，CAN收发器采用PCA82C250的，并在CAN控制器与收发器之间使用6N137进行光电隔离，避免电磁干扰，增强其抗干扰能力。设计电路如图2所示。

将SJA1000芯片的MODE引脚接高电平，这样SJA1000将工作在INTEL模式，即外部中断模式。SJA1000的复位引脚与专用复位芯片MAX706T的RESET引脚相连，实现全局复位。SJA1000芯片的RX1引脚与PCA-82C250的VREF引脚相连，这样输入比较器旁路功能就会被打开。该功能可缩短内部延时，延长通信距离。

2.2 SJA1000逻辑控制

SJA1000的控制命令由51单片机控制。这里单片机选择STC89C51，采用地址线和数据总线复用的方式与SJA1000连接。SJA1000与单片机的连接如图3图所示。P0口作为数据和地址端口与SJA1000的AD连接，P2.0连接SJA1000的CS引脚，作为地址选择。单片机的WR和RD作为读写信号与SJA1000读写引脚连接，ALE相连，作为地址和数据的区分信号，外部中断连接，提供中断服务。

3 系统软件设计

整个系统的程序包括主机程序部分和从机程序部分。每个从机程序部分基本相同，只有每个机器的ID号有所区别，主要是方便主机识别从机，从机其他部分整体一致。主机和从机的软件编译是环境Keilu Vision4。

3.1 主机软件部分设计

主机程序的整体流程如图4A所示。上电后首先进行液晶的初始化和CAN的初始化工作，还有外部中断的初始化工作，CAN总线上的接收中断即单片机的外部中断源。这样，可以利用CAN是否中断来判断从机有没有发送数据。从机有发送数据，CAN总线的接收标志将置为1，主程序通过CAN的接收标志来判断。如果接收标志置于1，则说明接收到数据，然后判断接收数据里面包含的从机ID号，判断出是哪个从机的信息，然后再区分是什么温度信息——实时温度或平均温度，最后将这些温度信息显示出来。当从机的平均温度超过事先设定的阈值时，蜂鸣器将发声，表示警告。

3.2 从机软件设计

从机的软件流程如图4B所示。从机上电后，同样先进行液晶的初始化、CAN的初始化和按键扫描等工作。从机设计了3个按键，其中，第一个按键功能是解除报警，同时当作手动报警使用；第二个按键功能是设置温度的下限值；第三个按键功能是设置温度的上限值。温度由热电偶负责采集，经过AD转换，由单片机经过CAN总线发送出去，单片机同时求出平均温度和温度偏差。平均温度和温度偏差在显示器上显示，同时，判断是否超过阈值，超过阈值则报警。

4 结束语

本文采用CAN总线分布式监控系统，将CAN总线应用于锅炉温度采集中，实现多点多锅炉温度信息的采集和控制，将不同区域的温差降到最低，以实现对分散的锅炉炉膛内部温度的动态监控。该采集系统设计考虑了超高温采集、远程集中監测和控制、多点分式采集等多个工程的实际问题，可以提高使用锅炉制造产品的质量，减少资源浪费和环境污染，成本比较低，具有一定的工程应用价值。

参考文献

[1]胡南江，陈罡.基于PLC的生物质锅炉燃烧控制系统设计[J].热力发电，2015（4）.

[2]王平法，文方，孙伟旺，等.基于CAN总线的电锅炉温度控制网络[J].机械与电子，2011（9）.

[3]陈玲艳，王艳春.基于CAN总线的分布式锅炉炉膛温度监控系统设计[J].赤峰学院学报（自然科学版），2014（10）.

[4]罗伟.生物质气化炉智能控制系统的设计[J].电器开关，2015（2）.

〔编辑：白洁〕