基于单片机的工业锅炉控制系统设计与实现

毛 峥

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

近年来，大气污染的状况较为严重，煤烟为污染大气环境的主要因素之一。煤烟的排放使大气内二氧化碳的含量较高，易造成温室效应、气候变暖等现象的发生，可对人们的生命安全构成一定威胁。随着社会经济的飞速发展，我国逐渐向着绿色环保型国家靠拢。锅炉在工业领域中发挥着重要的作用，但是大多数锅炉均以煤炭作为作为原料，该现象可增强排放物对环境的污染现象，如何降低环境的污染成为亟待解决的问题。为此本研究提出一种基于单片机的工业锅炉控制系统，该系统可有效控制煤烟的排放量，可提高工业锅炉控制系统的稳定性。

1 工业锅炉控制系统工作原理

工业锅炉控制系统的体积过于庞大，为此本研究对工业锅炉进行控制时，主要以锅炉的出口主蒸汽压力为例。工业锅炉控制系统在实际运行过程中，其核心设备为单片机，通过单片机可实现工业锅炉控制系统的整体协调，协调操作主要包括检测与调控。为保证工业锅炉控制系统的稳定运行，应对工业锅炉的出口蒸汽压力进行实时监测，并不断调控锅炉的排转速设备。选用性能较高的处理器，将其应用于工业锅炉控制系统中，有利于提高系统的精度和稳定性。蒸汽压力检测电路内部测量的精准度可影响系统的控制性能，为提升系统的控制精度，严格挑选该电路的测量元件。工业锅炉控制系统出口蒸汽压力的数值通常在9.8～13.7 MPa，本研究选用PST-HND型压力变送器作为该系统的核心设备，其测量的精度可控制在0～20 MPa，输出电压为0～10 V，输出信号为0～20 mA，可满足工业锅炉控制系统内部电路的测量要求。基于单片机的工业锅炉控制系统工作原理如图1所示[1]。

图1 基于单片机的工业锅炉控制系统工作原理

2 基于单片机的工业锅炉控制系统模块设计

本研究对工业锅炉控制系统进行设计时，为保证工业锅炉的出水温度可控制在系统的设备范围内，将空气和燃气量作为主要控制对象，通过对工业锅炉燃气比例阀开度的调节，结合对鼓风机频率的整体控制，即可实现工业锅炉温度的控制。

2.1 工业锅炉控制系统主函数模块

该模块在实际运行之前，首先应将工业锅炉控制系统与电源接通，各部分准备工作均完毕后，对工业锅炉控制系统进行初始化操作；其次，完成控制、数据采集、键盘扫描等任务的创建，按照不同模块的优先级完成任务分配；最后对工业锅炉控制系统进行自检，直至自检无误后，方可启动系统的任务调度。系统内全部操作均应按照优先级顺序执行，有利于保证各模块功能的稳定性[2]。

2.2 工业锅炉控制系统点火模块

工业锅炉控制系统在运行过程中，若出现点火功能的失误，可使工业锅炉出现爆炸事故，严重危及到工作人员的生命安全。为此本研究对点火模块进行设计时，为保证工业锅炉在燃烧过程中的安全性与可靠性，将该模块的优先级别设置为较高状态。点火模块的燃气点火可分为小火和主火，其中小火指的是锅炉在启动时的点火过程，在系统启动之前，首先应选择小火，若直接启用主火，可引发系统的扰动问题。在保证小火的引燃状态处于正常的情况下，即可引燃主火[3]。

2.3 工业锅炉控制系统温度模块

该模块的控制对象为燃气比例阀，通过对工业锅炉的燃气比例阀进行实时调节，有利于控制炉膛内部的燃气量。为实现对工业锅炉出水温度的实时采集，可利用模糊自适应PID控制算法，将工业锅炉当前时刻与前一时刻的温度差值作为误差信号e，利用微分处理操作将误差信号转换为误差变化率ec，将e与ec一同输入至PID控制算法内，通过相关计算即可得到精确的模拟量，将该模拟量输入至执行机构内部，以此实现对燃气比例阀开度的精准调节，最终有效控制工业锅炉的出水温度。

2.4 工业锅炉控制系统报警模块

该模块为工业锅炉控制系统的核心模块，通过对报警模块进行设计，有利于保证工业锅炉控制系统的安全性。报警模块的信号包括预警和报警，其中预警信号指的是：通过工业锅炉控制系统实现数据的采集，将采集结果与系统设定值相比，采集结果的数值处于偏高状态，但未超过系统设定值。报警信号指的是系统采集的数据数值超过系统设定值。本研究对该模块进行设计时，将绿色的LED灯用作预警信号的显示，红色的LED灯用作报警信号的显示。当系统绿色LED灯亮起时，司炉人员应加强对工业锅炉的观察。当系统红色LED灯亮起时，需要司炉人员及时采取相应的措施对锅炉进行操作，防止工业锅炉出现爆炸现象，将安全事故的发生概率降至最低[4]。

2.5 工业锅炉控制系统任务调度模块

该模块为工业锅炉控制系统的核心模块，通过该模块可实现系统数据采集、键盘管理、数据显示、处理、任务输出等功能的调度，并且各模块的优先级均由任务调度模块进行处理，任务调度结束后，即可结束该模块的调度程序，若未顺利完成该模块的调度程序，应立即返回初始阶段，重新对该模块进行任务调度。该系统在执行任务时，主要采用并行的方式，有利于保证系统的稳定性。

3 基于单片机的工业锅炉控制系统硬件设计

3.1 工业锅炉控制系统主控制模块

本研究设计主控制模块时，将STM32单片机作为工业锅炉控制系统的核心。STM32F407芯片属于一种增强型的微控制器，其内核为Cortex-M4架构，内部集成了DSP和FPU指令，最高频率可达168 MHz，有利于提升控制算法的执行速度和代码效率。该单片机具有高性能、低成本、低消耗的优势，将该单片机应用于控制系统中，可提升系统的可靠性。STM32F407芯片内含有FLASH、SRAM、17个定时器等丰富的资源，在单片机的通信接口上有3个12C和SPI以及114个I/O端口等。其工作电压可达到1.8～3.6 V，输出的稳压电路电压为3.3 V[5]。

3.2 工业锅炉控制系统RS485电路

本研究对RS485电路进行设计时，由于工业锅炉的工作环境较为复杂，可使控制系统内电气设备因电磁的不断干扰，最终造成控制系统信号传输的失误。为解决信号传输错误率较高的问题，向该电路中引入RS485总线，RS485总线可采用平衡驱动及差分接收实现信号的传输。RS485总线具有较强的抗共模干扰能力，其通信距离最大可达到1.2 km，传输速率高达115.2 kbps，可同时与128个从站之间建立通信联系。当系统进行长距离的通信时(通信距离超过300 m)，为保证系统不受外界因素的干扰，在RS485总线内接入一个120 Ω的电阻。将组态软件作为系统的上位机，上位机与单片机之间可通过物理方式建立连接，物理方式为USB转RS485电路，在按照MODBUS RTU协议即可实现数据的有效通信。采用RSM485PHT作为该电路的隔离收发器，利用收发器将电源单独隔离，可适用于工业领域，工业锅炉控制系统RS485接口电路如图2所示[6]。

图2 工业锅炉控制系统RS485接口电路

3.3 工业锅炉控制系统模拟量输出电路

为实现煤量的精准控制，可对系统内煤炉排的转速进行控制，以此实现对锅炉出口蒸汽压力的控制。采用变频器对炉排电机的转速进行调解，若变频器端子接收的电压信号为0～10 V，可将其协调为0～50 Hz的频率。选用DAC数模转换芯片作为该电路的核心部分，由于该芯片的电压无法满足设计要求，为此本研究在该芯片的基础上，设计出电压调理电路，通过该电路将信号放大四倍，即可满足系统的设计要求。模拟量输出电路为同相比例运算的方法电路，其运放的同相输入端可与DAC之间建立连接。

4 工业锅炉出口蒸汽压力模糊化控制

为实现对工业锅炉控制系统的模糊化控制，本研究向工业锅炉控制系统内引入模糊PID控制器，该控制器实际上是一个二输入三输出的控制器，可将原本为多输出的控制器分解为单输出的控制器，该过程可产生与PID有关的三个参数值。模糊PID控制器的工作环节主要包括模糊化、模糊推理以及解模糊，其实现工业锅炉控制系统模糊化的过程为：首先将工业锅炉控制系统成功采集的蒸汽压力误差和压力误差变化率的数值作为控制器的观测量，输入至控制器内部后，对二者进行模糊化；其次，根据模糊化的实际结果获取模糊控制规则表，不同输出均含有模糊论域，将各个论域分别乘以量化因子，即可得到三个参数的实际输出结果；最后利用PID调节器对工业锅炉控制系统的炉排变频器进行频率的调节，以此达到蒸汽压力的控制效果，工业锅炉出口蒸汽压力模糊化控制逻辑如图3所示[7]。

图3 工业锅炉出口蒸汽压力模糊化控制逻辑

5 基于单片机的工业锅炉控制系统仿真与结果

为验证模糊PID在工业锅炉控制系统中的作用效果，利用Matlab对工业锅炉控制系统进行仿真。采用对比分析的方法，将传统PID与模糊自整定PID的控制效果进行对比。在不考虑工业锅炉控制系统内部蒸汽流量波动以及外界干扰因素的情况下，可将工业锅炉控制系统内压力设为常量12 MPa，工业锅炉控制系统蒸汽压力控制仿真如图4所示。

图4 工业锅炉控制系统蒸汽压力控制仿真

蒸汽压力控制仿真结果对比如表1所示。

表1 蒸汽压力控制仿真结果对比

本研究主要对两种控制系统的超调量、上升时间及调整时间进行综合考量。通过对工业锅炉控制系统的仿真结果进行分析可知，传统PID控制系统考量结果依次为32.4%、18 s、62 s，模糊PID控制系统考量结果依次为8.7%、16 s、32 s。由此可表明，模糊PID控制系统可在最快的速度内达到系统设定值，该系统具有一定的稳定性及可靠性[8]。

6 结 语

本研究为提高工业锅炉的安全性，提出一种基于单片机的工业锅炉控制系统，由于工业锅炉控制系统的体积过于庞大，在实际设计过程中将锅炉的出口主蒸汽压力作为主要研究对象。通过单片机及相应的传感器对工业锅炉控制系统的整体协调，可使工业锅炉控制系统向着自动化、智能化发展。为保证工业锅炉控制系统的稳定运行，对工业锅炉的出口蒸汽压力进行实时监测，并不断调控锅炉的排转速设备。为验证该系统的控制效果，利用Matlab对系统进行仿真，仿真结果表明，在模糊PID的支持下，可使工业锅炉控制系统具有较高的稳定性和可靠性，可满足系统的设计要求。