梅　鏢，王景存，張　梁

（武漢科技大學(xué)　信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢　430081）

蓄熱式加熱爐點(diǎn)火控制系統(tǒng)

梅鏢，王景存，張梁

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430081）

針對(duì)硅鋼退火工序中傳統(tǒng)加熱工藝的能源利用率低、污染程度高、組網(wǎng)復(fù)雜、監(jiān)測(cè)靈活性差等問題，在充分研究蓄熱式加熱爐及配套的點(diǎn)火控制器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理的點(diǎn)火控制系統(tǒng)；利用PT100溫度傳感器采集煙道溫度數(shù)據(jù)，單片機(jī)C8051F060作為數(shù)據(jù)處理核心，將多臺(tái)點(diǎn)火控制器與上位機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)通信，通過數(shù)碼管和按鍵進(jìn)行人機(jī)交互，配合溫度檢測(cè)和煤氣閥門控制電路，實(shí)現(xiàn)控制燒嘴合理運(yùn)行；結(jié)果表明，各個(gè)點(diǎn)火控制器能夠?qū)崟r(shí)與上位機(jī)通訊，吹掃、交替點(diǎn)火、正常燃燒等步驟能夠正常進(jìn)行，減少了報(bào)警狀態(tài)下的人工干預(yù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；本系統(tǒng)成本較低，可拓展性強(qiáng)，易于安裝和維護(hù)，已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)中，并取得良好的效果。

蓄熱式加熱爐；溫度傳感器；單片機(jī)；組網(wǎng)通信

0　引言

隨著煤炭等不可再生能源的減少，加之霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，人們都意識(shí)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境已刻不容緩，而鋼鐵作為耗能巨大的行業(yè)之一，能否做到節(jié)能減排將對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響。蓄熱式加熱爐利用余熱回收裝置，交替切換空氣與煙氣，使之流經(jīng)蓄熱體，充分的利用高溫?zé)煔獾奈锢頍幔岣吡苏麄€(gè)設(shè)備的熱量利用率、節(jié)約了能源（一般為20%～80%），同時(shí)減少了CO2和NOX的排放。本控制系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)硅鋼軋制過程溫度的監(jiān)控，通過軟件對(duì)每臺(tái)點(diǎn)火控制器的狀態(tài)、排煙溫度，交替點(diǎn)火時(shí)間的調(diào)節(jié)，使操作人員能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)修改相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)燃料的充分利用。

1　系統(tǒng)組成及原理

對(duì)于單臺(tái)點(diǎn)火控制器而言，其控制系統(tǒng)由溫度檢測(cè)電路，控制電路，通信電路組成，他們?cè)谖锢砩舷嗷オ?dú)立，在控制邏輯上相互關(guān)聯(lián)［1］。整個(gè)點(diǎn)火控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

溫度傳感器PT100對(duì)排煙道的溫度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過調(diào)理電路把輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)通過對(duì)溫度信號(hào)的分析，合理的控制煤氣閥、點(diǎn)火閥、換向閥的動(dòng)作，有條不紊的執(zhí)行加熱工藝流程的各個(gè)步驟。如此同時(shí)PT100把采集到的溫度實(shí)時(shí)地顯示在顯示面板上，通過按鍵對(duì)點(diǎn)火控制器進(jìn)行復(fù)位、烘爐、修改參數(shù)等操作。若點(diǎn)火控制器掛在RS485總線上通信，則能與遠(yuǎn)程PC機(jī)通信。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1溫度檢測(cè)模塊

在本系統(tǒng)中，點(diǎn)火控制器的溫度數(shù)據(jù)由傳感器PT100采集調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后由串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端節(jié)點(diǎn)［2］。為了減小整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)環(huán)境中導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差，本設(shè)計(jì)采用三線制接法，即在熱電阻元件的一端接兩根引線，另一端接一根引線，具體電路圖如圖2所示。

圖2　三線制接法橋式測(cè)溫電路

其中，R33、R35、R22、PT100組成電橋，R33=R35 =R22=R?？紤]到PT100傳感器的電流過大使其發(fā)熱引起非線性失真，電橋電壓不宜太高，設(shè)計(jì)采用的電橋電壓Vbrg= 3.3 V。電橋輸出壓差為：

令ΔR=RPT100-R，則有：

由于ΔR是PT100的阻值變化量，當(dāng)度較低時(shí)，ΔR相對(duì)于R較小，故電橋輸出電壓近似為：

可以看到，VD正比于PT100傳感器的阻值變化量ΔR，說明溫度較低時(shí)，PT100傳感器的線性度良好，滿足現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)的要求。

其中PT100測(cè)得的微小電壓信號(hào)經(jīng)過AD623儀表放大器和MC33202運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)調(diào)理放大后，可以實(shí)現(xiàn)0～400℃的溫度信號(hào)到～4.5V的電壓信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換，輸出給C8051F060單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。

2.2控制模塊

可控硅在220 V的交流回路中，當(dāng)它導(dǎo)通時(shí)，回路接通，進(jìn)而進(jìn)行點(diǎn)火或電磁閥動(dòng)作。雙向可控硅（IAC）控制電路主要由光耦MOC3023、雙向可控硅組成，如圖3所示

圖3　雙向可控硅（IAC）控制電路

MOC3023為6引腳光隔離可控硅驅(qū)動(dòng)芯片，其原理是利用低壓控制高壓。2腳接單片機(jī)的普通I/O口，當(dāng)2腳為低電平時(shí)，1、2腳之間有正向24 V電壓，4、6腳之間就能通過220 V交流電壓，從而使雙向可控硅的導(dǎo)通，接通220 V交流回路［3］。但是這種電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，還需考慮到交流電的過零電壓對(duì)可控硅的影響，需通過計(jì)算精確地選擇電阻、電容的值，以調(diào)整好雙向可控硅的過零觸發(fā)電路。

2.3通信模塊

通信電路必須有相應(yīng)的對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的有序控制［4］。這里，我們選用差分總線收發(fā)芯片SN65ALS176完成上述控制功能，它是連接單片機(jī)異步串行口和RS485總線的橋梁，通過控制數(shù)據(jù)的流向，保證整個(gè)網(wǎng)路中通訊的有序進(jìn)行。

圖4　通信電路

如圖4所示，本電路中，把來自單片機(jī)異步串行口發(fā)送端TXD的信號(hào)連接到D引腳，把來自R端的信號(hào)輸出到單片機(jī)異步串行口接收端RXD。DE為發(fā)送驅(qū)動(dòng)使能端，高電平使能，能將D引腳上的信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)由A、B兩個(gè)引腳輸出到RS485總線上；RE為接收使能端，低電平使能，能將來自A、B引腳上的差分信號(hào)處理后經(jīng)R引腳輸出。RTS是單片機(jī)的普通I/O口，將其同時(shí)與DE和RE使能端連接。這樣，程序上就能通過對(duì)RTS的高低電平變化合理地控制SN65ALS176的收發(fā)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信功能了。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1加熱工藝流程的控制

如圖5所示，本控制系統(tǒng)加熱工藝流程分為吹掃、交替點(diǎn)火、正常燃燒3個(gè)步驟。通過對(duì)A、B點(diǎn)火閥的控制，保證燒嘴的合理運(yùn)行。上電后，程序會(huì)循環(huán)執(zhí)行吹掃步驟。收到烘爐指令后，跳到交替點(diǎn)火步驟。

圖5　加熱各步驟之間的關(guān)系

點(diǎn)火在A、B兩個(gè)通道內(nèi)交替進(jìn)行，每次執(zhí)行完一個(gè)通道的點(diǎn)火過程后，都要做以下3個(gè)判斷：首先判斷交替點(diǎn)火的總時(shí)長(zhǎng)是否超過了設(shè)定的循環(huán)點(diǎn)火時(shí)間

若超時(shí)，則顯示超時(shí)報(bào)警，并回到吹掃步驟中，否則進(jìn)入第二個(gè)判斷。其次判斷實(shí)時(shí)排煙溫度是否超過設(shè)定的最大溫度值。若超溫，則顯示超溫報(bào)警，并返回到吹掃步驟中，否則進(jìn)行第3個(gè)判斷。最后判斷實(shí)時(shí)排煙溫度是否大于設(shè)定溫度值，若大于，則進(jìn)入正常燃燒步驟，否則回到交替點(diǎn)火步驟中繼續(xù)執(zhí)行。程序執(zhí)行正常燃燒步驟時(shí)與上述過程類似，需要進(jìn)行超溫判斷并將實(shí)時(shí)排煙溫度與設(shè)定溫度值比較［5］。不同的是，如果實(shí)時(shí)排煙溫度大于設(shè)定溫度值，則繼續(xù)執(zhí)行正常燃燒步驟；如果實(shí)時(shí)排煙溫度小于設(shè)定溫度值，則執(zhí)行交替點(diǎn)火步驟。程序流程圖如圖6所示。

圖6　加熱工藝程序流程圖

3.2通信電路的設(shè)計(jì)

將多臺(tái)點(diǎn)火控制器掛在一條總線上，通過時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行通信。上位機(jī)每隔1秒鐘向總線上發(fā)送一包數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包的格式如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)包格式一

其中：

第一個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)包的開始字節(jié)0xfa。

第二個(gè)字節(jié)為同步信號(hào)0xf5，所有的點(diǎn)火控制器都調(diào)整到同一時(shí)間基準(zhǔn)。

第三字節(jié)為通信地址號(hào)，每臺(tái)點(diǎn)火控制器的通信地址號(hào)均不相同，范圍1～36。

第4個(gè)字節(jié)為指令代碼，0xf1表示復(fù)位，0xf2表示烘爐。

第五和第6個(gè)字節(jié)為循環(huán)點(diǎn)火時(shí)間，范圍為10～9999分鐘，兩個(gè)字節(jié)均為百分制。

第七和第八個(gè)字節(jié)為設(shè)定溫度值，范圍為60～280℃，兩個(gè)字節(jié)均為百分制。

第九個(gè)字節(jié)為通信校驗(yàn)位，旨在驗(yàn)證數(shù)據(jù)包的正確性。

如圖8所示，當(dāng)點(diǎn)火控制器接收到來自上位機(jī)的同步信號(hào)后，立即進(jìn)行時(shí)間基準(zhǔn)調(diào)整，使通信時(shí)間起點(diǎn)統(tǒng)一。當(dāng)?shù)竭_(dá)本機(jī)的時(shí)間片段時(shí)，也就是過了本機(jī)通信地址號(hào)*10 ms后，開始發(fā)送14個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包。發(fā)送完畢即完成此次通信。

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8　發(fā)送程序流程圖

經(jīng)過多次的改進(jìn)與優(yōu)化，本系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，記錄點(diǎn)火控制器的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)溫度和通信性能進(jìn)行測(cè)試，如表1～2所示。

表1　運(yùn)行狀態(tài)下的溫度測(cè)試

表2　通信性能測(cè)試（數(shù)據(jù)包）

5　結(jié)束語(yǔ)

本課題在充分研究蓄熱式加熱爐及配套的點(diǎn)火控制器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了符合硅鋼加熱工藝流程的點(diǎn)火控制器［6］。點(diǎn)火控制器以C8051F060單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理和控制核心，采用PT100溫度傳感器對(duì)排煙溫度進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)根據(jù)排煙溫度控制閥門的動(dòng)作以達(dá)到控制燒嘴合理運(yùn)行的目的。此外，通過數(shù)碼管和按鍵進(jìn)行人機(jī)交互，數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)排煙溫度、報(bào)警狀態(tài)、工作狀態(tài)等信息，按鍵能夠?qū)崟r(shí)修改相關(guān)參數(shù)等設(shè)置。

［1］葛京鵬.蓄熱式煙氣冷凝余熱回收裝置實(shí)驗(yàn)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

［2］楊紅光.蓄熱式鋼包烘烤器的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)問題的研究［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2008.

［3］李宏洲，趙博，武美玉等.蓄熱式加熱爐節(jié)能生產(chǎn)實(shí)踐［J］.河北企業(yè)，2013 （1）：86-87.

［4］盧健兒，左希慶.基于PLC與組態(tài)王的軋鋼蓄熱式加熱爐集散控制系統(tǒng)［J］.電氣時(shí)代，2007 （9）：66-68.

［5］方帥領(lǐng)，王文勝.蓄熱式燃燒節(jié)能技術(shù)在熔鉛鍋上的應(yīng)用［J］.有色冶金節(jié)能，2012 （4）：32-33.

［6］湯燕.主變溫度常見故障分析［J］.科技信息，2010（33）：I0355.

An Ignition Control System of Regenerative Heating Furnace

Mei Biao，Wang Jingcun，Zhang Liang
（College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

For traditional heating process in silicon steel annealing process，such as low of energy efficiency，high of pollution degree，complex of networking，poor of monitoring flexibility.In the full study of regenerative heating furnace and the ignition controller on the basis of the principle of form a complete set，designing a set of remote monitoring and management of fire control system.Using PT100 temperature sensor to gather flue temperature data and microcomputer C8051F060 as the core of data processing，making more than one ignition controller network communication with PC，and interacting human through digital tube and buttons.Cooperate with temperature detection and gas valve control circuit，making control burner operate reasonable.Results show that various ignition controller can communicate with PC real-time.At the same time，proper steps such as purging，turning the ignition and normal combustion can run.Reducing manual intervention and the labor intensity.The system cost is low，expansible and easy to install and maintain，has devoted in the actual production，and achieved good effect.

regenerative heating furnace；temperature sensor；single chip microcomputer；network communication

1671-4598（2016）05-0093-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.027

TM930.9

A

2015-11-05；

2015-12-04。

梅鏢（1989-），男，湖北省孝感市，碩士研究生，從事嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用方向的研究。

王景存（1963-），男，教授，從事嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用和計(jì)算機(jī)控制方向的研究。