陳 良，許 煜

(上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

一種新型分布式智能燒嘴控制器設(shè)計(jì)

陳 良，許 煜

(上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

介紹了一種新型分布式智能燒嘴控制器。針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和工況環(huán)境的不同 要求，MCU主控制器可以不斷升級(jí)，以適應(yīng)事務(wù)控制的擴(kuò)充和處理速度的提高。對(duì)火焰大小的檢測(cè)提出了使用離子定向移動(dòng)來(lái)判斷，并且創(chuàng)新地提出了用μA電流的大小來(lái)數(shù)字化火焰的大小，通過(guò)三角形斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)正?；鹧娣秶慕缍?。采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開(kāi)啟簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)火信號(hào)的特殊占空比要求。引入Profibus-DP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能燒嘴控制器的從站化，使得遠(yuǎn)端控制室能夠方便地掌握當(dāng)前燒嘴的工作狀況。在軟件程序設(shè)計(jì)上注重冗余設(shè)計(jì)和故障緊急處理機(jī)制。這種新型的分布式燒嘴控制器具有廣闊的使用前景。

燒嘴控制器；火焰；阻容移相；Profibus-DP

0 引言

以天然氣等可燃性氣體為燃料的工業(yè)爐窯在熱處理領(lǐng)域運(yùn)用越來(lái)越廣，但是天然氣本身易燃易爆，使用的安全可靠性特別重要[1]，因此針對(duì)工業(yè)爐窯的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和加熱對(duì)象，研發(fā)智能燒嘴控制器具有十分重要的作用。工業(yè)爐窯熱處理的工藝過(guò)程復(fù)雜，流程長(zhǎng)，所以多個(gè)燒嘴控制器分布式測(cè)量能有效提高溫度控制精度、降低故障率，保證工業(yè)爐窯的工況連續(xù)穩(wěn)定，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的[2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 智能燒嘴控制器結(jié)構(gòu)示意框圖

智能燒嘴控制器的設(shè)計(jì)注重功能的模塊化，以主控模塊為核心，配合兩級(jí)電源切換模塊、火焰檢測(cè)模塊、點(diǎn)火模塊、狀態(tài)指示模塊和DP通信模塊，如圖1所示。這樣的設(shè)計(jì)使其既可以作為一個(gè)完整的個(gè)體控制單個(gè)燒嘴，也可以與PLC或者DCS控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工藝流程的控制。采用可編程模式MCU作為主控制器，控制邏輯通過(guò)軟件固化在Flash中，可以通過(guò)預(yù)留的JTAG口來(lái)調(diào)整燒嘴控制器的運(yùn)行參數(shù)。采用兩級(jí)電源電池切換模式，在主電源失效的模式下，還有電池方案可以保證燒嘴控制器的正常運(yùn)行。此外，燒嘴控制器做Profibus-DP智能從站化設(shè)計(jì)，利用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的PLC組態(tài)優(yōu)勢(shì)，可以直接通過(guò)Profibus-DP通信接口控制燒嘴控制器的運(yùn)行和收集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度等環(huán)境參數(shù)，并記錄在存儲(chǔ)模塊中方便維修時(shí)有據(jù)可查?？刂菩盘?hào)部分與執(zhí)行器部分分兩塊PCB板設(shè)計(jì)，以減少電磁干擾。將完成設(shè)計(jì)的控制信號(hào)部分用一個(gè)鐵盒密封后再與執(zhí)行器板連接，防塵防電磁干擾?；鹧鏅z測(cè)模塊主要利用燒嘴燃燒時(shí)燃燒介質(zhì)發(fā)生電離，離子的定向移動(dòng)產(chǎn)生μA級(jí)電流，對(duì)這種電流進(jìn)行定量檢測(cè)。點(diǎn)火模塊采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開(kāi)啟，簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火信號(hào)的特殊占空比要求。狀態(tài)指示模塊采用八段數(shù)碼管顯示數(shù)字，根據(jù)數(shù)據(jù)字典對(duì)應(yīng)點(diǎn)火過(guò)程中各個(gè)階段的狀態(tài)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

燒嘴控制器的動(dòng)作主要通過(guò)PLC和主控模塊之間的信號(hào)傳遞，然后配合外圍的點(diǎn)火變壓器、燒嘴點(diǎn)火電極和檢測(cè)電極來(lái)完成火焰的燃燒控制。下面，著重介紹燒嘴控制器的主要硬件結(jié)構(gòu)。

2.1 火焰檢測(cè)電路

燒嘴燃燒介質(zhì)電離時(shí)，離子的定向移動(dòng)產(chǎn)生μA級(jí)電流，對(duì)這種電流進(jìn)行定量檢測(cè)就能準(zhǔn)確地判斷火焰的燃燒狀態(tài)。這樣的檢測(cè)方式不受光、熱、磁的干擾，反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速。圖2所示為火焰μA電流檢測(cè)電路的原理圖。

圖2 μA電流檢測(cè)電路原理圖

μA電流檢測(cè)原理:由IO口(uCB-A7)發(fā)出頻率1 kHz的方波，通過(guò)RC電路在比較器的正極(U4B芯片的第5腳)輸出穩(wěn)定的三角波，比較器的負(fù)極則是采樣電阻R58的電壓值，則比較器的輸出高電平時(shí)間即是三角波波峰切割U4-6電壓值的時(shí)間寬度。當(dāng)μA電流值較小時(shí),μA電流主要從1號(hào)箭頭方向流過(guò)。如圖3(a)所示，當(dāng)μA電流為5 μA時(shí)，U4-6的電壓大約為2.23 V；當(dāng)μA電流增大時(shí)，則2號(hào)箭頭也會(huì)有電流流過(guò)，甚至成為主要流動(dòng)方向，此時(shí)電壓對(duì)電流的變化比之前緩慢得多;如圖3(b)所示，當(dāng)μA電流為38 μA時(shí)，U4-6的電壓大約為0.7 V。當(dāng)電流超過(guò)40 μA 或者電流方向反向，則報(bào)錯(cuò)。這樣的設(shè)計(jì)好處在于，能夠有效區(qū)分μA電流不存在和外接電源斷路的情況,并且門(mén)檻電流的大小由主控制器設(shè)定，方便根據(jù)工況在線下載更新。

2.2 點(diǎn)火電路

燒嘴點(diǎn)火時(shí)需要7 500 V的高壓，通常是由燒嘴控制器來(lái)控制點(diǎn)火高壓包的控制端。當(dāng)給予點(diǎn)火高壓包占空比15%的交流電壓時(shí)，其輸出端會(huì)產(chǎn)生7 500 V的高壓瞬間劈開(kāi)燒嘴電極與地之間的空氣，點(diǎn)燃燒嘴。圖4是本文設(shè)計(jì)的這種特殊點(diǎn)火電路的簡(jiǎn)化仿真圖。

R50、C20構(gòu)成阻容移相電路，R52上端電壓抬升至Vgt(1.3 V)時(shí)，且維持電流大于50 mA，則雙向晶閘管導(dǎo)通。一旦雙向晶閘管導(dǎo)通，R50、R51、R52、C20被旁路，當(dāng)交流電源電壓降低到一定程度(過(guò)零前后，雙向晶閘管自行關(guān)斷)，接著C20又被電源反向充電，重復(fù)上述過(guò)程。觸發(fā)電路是工作在交流電路中的，交流電壓的正、負(fù)半周分別會(huì)發(fā)送正、負(fù)觸發(fā)脈沖送到雙向晶閘管的控制極，使管子在正、負(fù)半周內(nèi)對(duì)稱(chēng)地導(dǎo)通一次。R51、R52是分壓電阻，BCR的門(mén)限電壓Vgt是1.3 V，只要在R52上的分壓大于Vgt，則BCR導(dǎo)通。光耦的通斷由主控模塊控制，當(dāng)光耦不通時(shí)，點(diǎn)火電路不輸出；當(dāng)光耦導(dǎo)通時(shí)，雙向晶閘管延遲一個(gè)角度打開(kāi)，點(diǎn)火電路輸出火線信號(hào)。R53、C21 支路并聯(lián)在電源線上，將高頻干擾電流旁路。如圖5所示，上側(cè)是模擬燃?xì)忾y特性的Rvalve兩端電壓信號(hào)，下側(cè)是雙向晶閘管BTB12的控制極電壓信號(hào)。

2.3 DP通信接口電路

Profibus-DP是一種高速低成本的通信方式，目前在冶金行業(yè)獲得了廣泛使用，特別適用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式IO通信。智能燒嘴控制器的工況參數(shù)都需要通過(guò)DP通信與工廠控制室交互信息[3]。

基于Profibus-DP總線的高速接口通信模塊以VPC3+C這款能夠支持多種DP版本協(xié)議的低功耗寬電壓芯片為主體設(shè)計(jì)，底層采用485接口方式，PLC端數(shù)據(jù)通過(guò)高速磁隔離總線收發(fā)芯片ADM2486和VPC3+C之間形成數(shù)據(jù)的雙向交換，DP協(xié)議芯片的固件程序放置在主控制器LPC2294中，利用LPC2294的三級(jí)流水線機(jī)制，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作，這樣就破解了普通51接口DP芯片的數(shù)據(jù)緩存瓶頸，真正實(shí)現(xiàn)DP的高速性能。LPC2294對(duì)VPC3+C的主要控制信號(hào)包括讀信號(hào)OE、寫(xiě)信號(hào)BLS、片選信號(hào)CS、重啟信號(hào)DP_RST和中斷信號(hào)EINT。因?yàn)閂PC3+C只有8位數(shù)據(jù)地址，根據(jù)LPC2294外接存儲(chǔ)器規(guī)則，寫(xiě)信號(hào)匹配采用BLS[0]。又因?yàn)閂PC3+C作為片外存儲(chǔ)器的地址范圍在0x82000000～0x82FFFFFF之間，所以對(duì)應(yīng)的片選信號(hào)為CS2。利用VPC3+C的XDATAEXCH腳外接被電源上拉的二極管信號(hào)燈可作為數(shù)據(jù)交換時(shí)的信號(hào)指示器。LPC2294主控制器與VPC3+C協(xié)議芯片之間采用數(shù)據(jù)總線和地址總線分離的異步方式，這樣通信速度比同步方式快且異步的程序斷點(diǎn)調(diào)試更為方便[4]。

圖3 火焰燃燒產(chǎn)生的檢測(cè)波形

圖4 點(diǎn)火電路仿真圖

圖5 仿真輸出波形

3 軟件程序設(shè)計(jì)

燒嘴控制器上電后，首先進(jìn)行“大流量吹掃，小流量點(diǎn)火”的操作。因?yàn)槟壳肮I(yè)爐窯所用的燃料一般為天燃?xì)?、液化器、工業(yè)煤氣等介質(zhì)，均屬有害、有毒、易燃、易爆氣體，所以準(zhǔn)備階段時(shí)將空氣閥開(kāi)到最高位置，將爐內(nèi)的殘留氣體吹出爐外，避免爆炸，然后再將空氣閥調(diào)低等待點(diǎn)火。燒嘴控制器通過(guò)火焰監(jiān)測(cè)模塊觀察此時(shí)有無(wú)火焰信號(hào)(以電離棒傳回的電流大于等于2 μA等效為有火焰信號(hào)，否則為無(wú)火焰信號(hào))。若監(jiān)測(cè)到有火焰信號(hào)，說(shuō)明燒嘴控制器誤識(shí)別了，程序進(jìn)入火焰模擬階段，給燒嘴控制器點(diǎn)火信號(hào)，延時(shí)10 s后再觀察有無(wú)火焰信號(hào)，則若無(wú)則可以進(jìn)入正常點(diǎn)火程序，若有火焰信號(hào)則直接進(jìn)入燒嘴控制器故障報(bào)警死鎖狀態(tài)。若監(jiān)測(cè)到無(wú)火焰信號(hào)，則給燒嘴控制器點(diǎn)火信號(hào)，延時(shí)1 s，輸出點(diǎn)火變壓器的原邊信號(hào)并打開(kāi)燃?xì)忾y，此時(shí)點(diǎn)火變壓器產(chǎn)生7 500多伏的高壓電對(duì)燃?xì)恻c(diǎn)火。在打開(kāi)燃?xì)忾y后的5 s內(nèi)，若檢測(cè)到有火焰信號(hào)，則點(diǎn)亮黃色LED燈指示燒嘴正常運(yùn)行并傳回工況參數(shù)；若檢測(cè)到無(wú)火焰信號(hào)，則立即關(guān)閉燃?xì)忾y并點(diǎn)亮紅色LED燈指示燒嘴故障同時(shí)燒嘴控制器死鎖，等待復(fù)位。圖6是智能燒嘴控制器主程序流程圖。

在燒嘴正常工作時(shí)燒嘴控制器對(duì)火焰進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果火焰熄滅燒嘴控制器立即執(zhí)行故障鎖定報(bào)警操作。

圖6 智能燒嘴控制器主程序流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型分布式燒嘴控制器，針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和工況環(huán)境的不同 要求，MCU主控制器可以不斷升級(jí)，以適應(yīng)事務(wù)控制的擴(kuò)充和處理速度的提高。對(duì)火焰大小的檢測(cè)提出了使用離子定向移動(dòng)來(lái)判斷，并且創(chuàng)新地提出了用μA電流的大小來(lái)數(shù)字化火焰的大小，通過(guò)三角形斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)正?；鹧娣秶慕缍?。把點(diǎn)火信號(hào)的特殊占空比要求采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開(kāi)啟簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)。引入Profibus-DP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能燒嘴控制器的從站化，使得遠(yuǎn)端控制室能夠方便地掌握當(dāng)前燒嘴的工作狀況。在軟件程序設(shè)計(jì)上注重冗余設(shè)計(jì)和故障緊急處理機(jī)制，所以這種新型的分布式燒嘴控制器有廣闊的使用前景。

[1] 劉和平，趙衛(wèi)東，石云卿,等.IFS258燒嘴控制器在熱處理加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].有色金屬加工，2003，32(4):52-53.

[2] 胡玲艷, 唐鍇，沙秀章,等.應(yīng)用IFW15-T進(jìn)行燒嘴控制器的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2009,24(4)：15-18.

[3] HONG S H, KIM K A. Implementation and performance evaluation of profibus in the automation systems[C].IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 1997：187-192.

[4] 李正軍. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

Design of a new distributed intelligent burner controller

Chen Liang，Xu Yu

(Shanghai Baosight Software Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

A new distributed intelligent burner controller is introduced. With the requirement of data transmission and function module, the MCU controller can be upgraded to improve the expansion and process. The ion directional movement is used to judge the size of the flame, and the μA current size is innovatively proposed to match the size of the flame, addionally, the definition of the normal range of flame is realized by the triangular chopper technology. The special duty ratio of ignition signal is simply implemented by the RC phase shift technique and the Optocoupler’s effective opening.The Profibus-DP technology is introduced to realize the slave station of intelligent burner controller, and the working condition of the burner can be easily mastered by the remote control room . The redundancy design and the fault emergency handling mechanism are concerned in software processing. This new distributed burner controller has a wide application prospect.

burner controller；flame；RC shift；Profibus-DP

TP202

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.012

陳良，許煜.一種新型分布式智能燒嘴控制器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(9)：38-40，44.

2017-02-17)

陳良(1972-)，男，本科，工程師，主要研究方向：機(jī)電一體化。

許煜(1984-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：工業(yè)儀器儀表。