基于Web的分布式窑炉温控器设计

2018-07-31王利恒易金平王志航

自动化与仪表 2018年7期

王利恒，易金平，王志航

（武汉工程大学电气信息学院智能与网络化实验室，武汉 430205）

窑炉是玻璃、陶瓷等烧制品的重要生产设备。合理地控制窑炉各项生产参数，既可以节约能源又可以保证产品质量。大型窑炉的温度测点多，燃烧控制点分布广。计算机集成控制系统虽然可以很好解决多回路控制问题[1]，但集中控制带来了大面积故障的风险。实际的控制系统仍然以就地的温度控制器加远程计算机管理为主。

本文研究并设计了一款基于Web技术的分布式窑炉温控器，可以直接利用浏览器来监控并管理温控参数[2]。利用该温控器可以实现扁平化的智能分布式窑炉控制系统。

1 温控器的系统设计

窑炉是一个参数分布、热惯性较大的热工对象[3]。为了使窑炉均匀加热，减少温度梯度，往往一个温度测点对应多路烧嘴。因此控制器采用了一路温度采集八路烧嘴控制输出的结构形式。系统框图如图1所示。

图1 控制系系统框图Fig.1 Block diagram of control system

温度采集使用热电偶。烧嘴控制输出使用数字量的Bang-Bang控制，在程序上可以使用长周期的PWM信号作为输出控制。为了扩展控制器的实用性，提供了一路标准的4～20 mA模拟量输出。该路输出可以通过软件设置成温度输出或控制量输出。当设置成温度输出时，控制器在作为温控器的同时可以提供温变功能。当设置成控制量输出时，该控制器可以作为一个普通的温度调节器使用。

该控制器提供两种通信接口：一路基于RS485的ModBUS总线通信接口；一路以太网总线通信接口。本文主要探讨基于以太网接口的Web Server的通信控制。

2 输入输出通道设计

2.1 温度输入通道

炉窑工作时温度可达1000℃以上，可选用测量在0～1300℃范围内的K型热电偶作为炉窑的温度传感器。热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，冷端在炉窑工作同时易受环境温度的影响，从而产生测量误差，为弥补热电偶存在的非线性、冷补偿等缺陷，通常需要在电路上做冷端补偿。本设计使用MAX6675芯片作为热电偶输入通道芯片，其外围电路如图2所示，该芯片内部集成的冷端补偿电路（补偿范围为-20℃～80℃）、非线性矫正电路，可以直接将热电偶输出的温度信号转换成数字量信号[4]。精简了外围电路的同时，提高了性能和一致性。

图2 热电偶输入通道Fig.2 Thermocouple input channel

2.2 烧嘴控制输出通道

烧嘴燃烧只有两种状态：点火燃烧和熄火停工。因此烧嘴控制是一个开关控制，要么工作（ON），要么不工作（OFF）。对于这样的执行机构，典型的数字控制算法为Bang-Bang控制算法，根据控制量来确定执行机构在一个控制周期的工作时间来完成控制。因此可以使用继电器的通断来控制烧嘴的工作。

由于窑炉一个温度测点对应多路烧嘴，所以控制器设计有8路上述的开关控制通道输出（如图3），可以兼容8路以下的所有窑炉控制对象。

图3 一路烧嘴控制输出通道Fig.3 One-way burner control output channel

3 控制算法设计

由于温控器需要控制8路烧嘴，所以控制算法分为两步。第一步使用经典的PID计算出控制量（0～100%）；第二步使用更具控制量的Bang-Bang控制算法来确定各烧嘴的工作时间和相位[5]。

3.1 控制量输出

控制算法使用时间最优PID算法，设被控量偏差为e（k），设定输入为r（k），系统输出为y（k），则控制量输出u（k）表达式为

当系统偏差大于设定阈值α时，控制量输出100，对应Bang-Bang控制的状态ON；当系统偏差小于设定阈值-α时，控制量输出0，对应Bang-Bang控制的状态 OFF；当系统偏差∈［-α，α］时，控制量有PID算法计算得到。

3.2 8路Bang-Bang控制算法

与PID相结合的Bang-Bang控制算法，就是根据控制量来决定烧嘴的工作状态。对于每一路烧嘴来说，控制量U=80时，则控制该路烧嘴在一个周期T里，0.8T的时间处于ON，0.2T的时间处于OFF。

对于8路（多路）烧嘴来说，如果所有的烧嘴都同步控制，那就是烧嘴同时燃烧，同时熄灭。这样输出就会出现较大的波动，为了得到较好的控制品质，使用烧嘴在一个周期内依次按控制率进行工作的模式。其控制时序如图4所示。每个烧嘴在一个控制周期处于工作（ON）状态总时间为U*T/100，每一个烧嘴与前面一个烧嘴的相位差为T/8。

图4 Bang-Bang控制8路烧嘴时序图Fig.4 Bang-Bang control timing chart of eight burner

一旦确定控制周期T，每路控制输出就是一路PWM输出。根据实际的控制烧嘴数量，就可以确定每路PWM输出的相位差，这样就完成了每路的Bang-Bang控制。由于窑炉温度是一个大惯性系统，通常控制周期T不宜选的太小，一般在30～120 s之间。

4 Web Server的实现

由于本控制器需要提供远程设置和操作，以便实现分布式控制的要求。为了减少对客户端的要求，控制通过Web Server来实现，远程只需要浏览器就可完成设置和操作。要实现Web Server，必须完整地实现TCP/IP网络的5个协议层。STM32F407内部集成了ETH控制器，通过外接一片PHY层芯片，就具备了实现以太网通信的硬件条件。通过软件可以实现TCP/IP协议栈以及Web Server的应用开发[6]。系统各部分在TCP/IP模型中的对应关系如图5所示。

图5 嵌入式网络协议层Fig.5 Embedded network protocol layer

LAN8720芯片是一片支持RMII接口的PHY层实现芯片，在TCP/IP模型中处于物理层的位置。STM32F407集成的MAC控制器和STM32F407的ETH驱动库函数实现了数据链路层功能。目前对于TCP/IP协议族有很多实现版本，LWIP就是一个开源的轻量级TCP/IP协议栈的实现，非常适合嵌入式系统中的应用，而在LWIP-APP中提供了Web Server的实现。要想实现一个Web控制器，就要完成LWIP的移植和应用程序的开发。本设计就是基于LWIP来实现的。

LWIP的移植就是要使LWIP协议栈能运行在指定的硬件平台上，因此需要完成物理层的初始化以及协议层和物理层的连接工作。完成LWIP的移植工作，就可以实现一个嵌入式的Web Server了[7]。整个系统工作框图如图6所示。

首先根据应用需求使用网页编辑器设计出控制器浏览页面，此时一般是.htm、.html、.shtm等类型的文件。需要通过转换工具（makefsdata.exe）将其转换成C语言文件，和主程序代码一起编译并下载。

图6 Web server工作框图Fig.6 Web server block diagram

当客户浏览器通过网络访问Web Server时，Web Server将网页数据传送给客户浏览器。通过网页编辑器编辑的网页数据是静态数据，而控制器需要实现动态数据以及与客户端的交互，比如：发送给客户浏览器的是实时的测量数据，客户端可以通过网页设置控制器参数。这种动态交互式是通过服务器端嵌入（SSI）技术和公共网关接口实现的[8]。

4.1 实时数据的显示

实时数据显示是通过SSI技术实现的。比如需要在浏览器上实时显示当前温度值，在编辑网页文件时，在要显示温度的位置插入一条SSI指令：，其中t是 SSI标签（tag）。对于支持SSI指令的 Web Server，将调用 SSIHandle（）函数来处理这条指令，因此在函数中完成温度数据的采集（在实际控制器中，由于控制实时性的要求，温度采集使用单独线程实现）并返回温度值给服务器，比如“t=30.6℃”。服务器将实时的温度值代替源网页中的SSI标签发送给浏览器客户端，所以在浏览器客户端就可以监测到实时温度值。SSI工作流程如图7所示。

图7 SSI技术工作示意Fig.7 Schematic diagram of SSI technology

4.2 客户端设置参数

客户端设置参数功能通过CGI技术实现。服务器端将表单和对应的CGI代码关联。当客户端通过表单设置好参数并提交，此时提交给服务器端的将是一个带CGI代码名称和参数的URL，如图8所示。服务器对该URL进行解析，得到处理该URL的CGI函数，以及传递给该函数的参数。通过函数代码完成参数的设定工作。整个CGI程序的执行过程如图8所示。