嵌入式高溫沸騰爐控制系統(tǒng)設(shè)計

1、嵌入式高溫沸騰爐控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：基于單片機(jī)的高溫沸騰爐控制系統(tǒng)已經(jīng)成型?，F(xiàn)利用SPCE3200嵌入式系統(tǒng)促其升級，加強(qiáng)系統(tǒng)集成度，傳感器數(shù)據(jù)可以無線傳入。采用液晶顯示器顯示工藝曲線，并允許通過觸摸屏手工修改曲線，增加了多媒體、通信等功能，系統(tǒng)更加安全可靠，具有高適應(yīng)性、易擴(kuò)展性，有助于生產(chǎn)質(zhì)量的提高。關(guān)鍵詞：嵌入式；自動控制；模糊控制；高溫沸騰爐0引言單片機(jī)是工業(yè)控制中大量使用的前端控制器，應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)升級。高溫沸騰爐以煤粉為燃料，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場所需高溫，通過加煤使?fàn)t膛溫度上升，通過加風(fēng)使?fàn)t膛溫度下降，通過二者結(jié)合控制溫度變化以滿足工藝需要。我們曾開發(fā)基于單片機(jī)的高溫沸騰爐控制系統(tǒng)，

2、存在如下問題：很難使用數(shù)學(xué)模型來精確地描述整個燃燒過程，采用模糊控制技術(shù)，要求采集較大數(shù)量的參數(shù)且有較高精度，使用單片機(jī)有局限性vsup1v/sup;某些場合需要采用無線數(shù)據(jù)傳送方式，現(xiàn)有系統(tǒng)不能滿足要求；參數(shù)調(diào)整只能采用鍵盤方式，不能用可視化調(diào)整方式，曲線不夠光滑。采用嵌入式系統(tǒng)可解決上述問題。硬件設(shè)計系統(tǒng)輸入信號包括：爐膛溫度、尾氣溫度、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)門位置（鼓風(fēng)開度信號）、混合室溫度、給煤機(jī)轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)風(fēng)壓、爐膛負(fù)壓、引風(fēng)風(fēng)門開度及引風(fēng)機(jī)開度信號；輸出信號包括給煤變頻器的模擬信號和變頻器轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)開度、鼓風(fēng)機(jī)電流、引風(fēng)機(jī)電流、鼓風(fēng)壓力與爐膛負(fù)壓控制等信號，及與上位機(jī)通信信號。新系統(tǒng)選擇凌陽SPC

3、E3200系統(tǒng)為主控模塊，擴(kuò)展TFT液晶接口模塊（包括LCD觸摸液晶屏）、無線傳輸模組、ZigBee、GPRS模組、音頻輸出模塊、USB模塊、看門狗電路、并行口擴(kuò)展模塊等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。SPCE3200板有9路12位的ADC（A/DConverter）,各路傳感器采樣信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大后直接接各輸入端；有雙通道16位高速DAC，分別用于控制信號與語音信號的輸出；內(nèi)置SDDRAM最大容量可達(dá)16M字節(jié)，能滿足本設(shè)計對數(shù)據(jù)的存儲需要；內(nèi)置UART接口及RS232電平轉(zhuǎn)換電路，能直接實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信4。TFTLCD（薄膜晶體管液晶顯示器）用于顯示主要參數(shù)與控制量變化曲線，還可以觸摸方式修正曲

4、線走向，可視化實(shí)現(xiàn)參數(shù)的平滑調(diào)節(jié)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有低功耗、易組網(wǎng)的特點(diǎn)。利用ZigBee模組采用SPI方式與主控制器通信，可以實(shí)現(xiàn)與無線傳感器無線互聯(lián)。GPRS模組采用SIM300通訊芯片，利用無線移動網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語音傳輸和點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸；其內(nèi)具備TCP/IP協(xié)議棧，可以直接利用它實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)。模組使用標(biāo)準(zhǔn)的UART串行通信接口可以與任何帶有通用UART串行通信接口的控制器進(jìn)行連接。它與音頻輸出模塊協(xié)同工作可以實(shí)現(xiàn)與手機(jī)通信。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)重大異常時可發(fā)送手機(jī)短信。USB模塊提供與U盤接口，可保存控制過程中輸入與輸出的數(shù)據(jù)，用于控制過程分析及控制參數(shù)的修正。對上位機(jī)的接口可以方便地連接打印

5、機(jī)或與企業(yè)管理系統(tǒng)相聯(lián)系。系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件基于Linux系統(tǒng)，應(yīng)用C+開發(fā)。系統(tǒng)軟件模塊構(gòu)成系統(tǒng)包括輸入數(shù)據(jù)處理、輸出控制計算、輸出數(shù)據(jù)處理、顯示與觸摸數(shù)據(jù)處理、輔助程序等單元，詳細(xì)模塊構(gòu)成如圖2所示?？刂屏鞒虒τ诓杉盘栂然诰€性平均進(jìn)行濾波；進(jìn)而采用線性插值算法實(shí)現(xiàn)波形還原；對于不同的異常工作狀態(tài)，采用不同的處理方式，如圖3所示。控制算法高溫沸騰爐系統(tǒng)對安全性與燃燒過程的穩(wěn)定性要求很高：溫度過低、燃燒效率低，一旦熄火，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量；爐溫過高，燃燒煤粉會因結(jié)焦成塊而影響生產(chǎn)的安全性。傳統(tǒng)的控制算法是直接數(shù)字控制系統(tǒng)算法（DDC）,可以實(shí)現(xiàn)多路調(diào)節(jié)，監(jiān)控軟件包括實(shí)時調(diào)度管理程序和中斷

6、管理程序，對于主要參數(shù)的自動調(diào)節(jié)采用多路調(diào)節(jié)和簡單自動控制技術(shù)sup3v/sup。這樣的算法動態(tài)響應(yīng)慢，對于慣性大、滯后時間長、存在高時變性的本類系統(tǒng)，無法保證動態(tài)品質(zhì)模糊控制不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，是通過歸納操作人員和該領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)而建立的，算法簡單、性能優(yōu)良，有較強(qiáng)的魯棒性2。程序流程包括：對采集的信號量剔除干擾值、預(yù)處理、平滑處理等得到判斷依據(jù)；再做以下3項(xiàng)處理：判斷這些值是否已經(jīng)超過臨界值，做相應(yīng)的異常處理；將數(shù)值顯示在顯示屏上供用戶參考；計算輸出量，并從對應(yīng)的線路上輸出。其中，計算輸出量是核心問題。許多數(shù)據(jù)表明，沸騰爐在爐膛溫度從850C左右上升到930C左右區(qū)間內(nèi)如果給

7、煤與送風(fēng)過程比較穩(wěn)定，爐膛溫度模型可以認(rèn)為是一個線性模型。但850C930C這個區(qū)間并非固定，穩(wěn)定的條件也很難保證，因而實(shí)際系統(tǒng)一般是非線性的。本系統(tǒng)初始使用仿人點(diǎn)動模型（趨勢預(yù)測模型），認(rèn)為溫度變化是按照某一條曲線進(jìn)行的，可以按照某一精度將曲線用若干條線段進(jìn)行模擬。在人工控制狀態(tài)下，操作人員在溫度偏低時，選擇多加煤或者多減風(fēng)操作；當(dāng)溫度上升到達(dá)一定的值時，加煤量開始減少（或者開始逐步地加風(fēng)）；例如：溫度在850C時，可能通過儀表輸出15mA的加煤輸出量，溫度迅速上升；當(dāng)溫度上升到了900C910C左右時，控制輸出量可能就開始逐步從15mA減少到14mA、12mA、10mA。這樣，當(dāng)溫度繼續(xù)上

8、升時，在980C1000C左右就不再上升了。模擬這一過程，在求解預(yù)期溫度時，在數(shù)學(xué)模型上表現(xiàn)為針對不同的動作（加/減煤，加/減風(fēng)）求解在某一時刻所屬區(qū)間的線段斜率。爐內(nèi)溫度系統(tǒng)是多變量、多耦合系統(tǒng)，根據(jù)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的觀察與分析，沸騰爐控制變量耦合關(guān)系如表1所示。結(jié)語本系統(tǒng)能滿足高溫沸騰爐的控制需求，具有以下特性：系統(tǒng)有較高獨(dú)立性，可以單獨(dú)控制、可以遠(yuǎn)程控制，易維護(hù)、易擴(kuò)展；通過大屏幕液晶顯示屏可以顯示當(dāng)前與歷史各分類曲線，可以人工修改曲線，利用自學(xué)習(xí)功能改變參數(shù)使能根據(jù)工藝需要實(shí)現(xiàn)更精確的控制，提高控溫質(zhì)量；傳感信息可以有線也可以無線接入，可以適應(yīng)不同環(huán)境需求；提供了多媒體功能，系統(tǒng)可用性較高。參考文獻(xiàn)：馬明建，周長城.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)M.西安：