王志鈺

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

在煉鐵、煉鋼、煉焦及火力發(fā)電等行業(yè)中，正確檢測(cè)鍋爐內(nèi)部火焰的狀態(tài)并且對(duì)火焰狀態(tài)進(jìn)行分析和做出相應(yīng)的控制，是保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵[1]?；鹧鏅z測(cè)是其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，要保證火焰檢測(cè)的正確性，必須有一性能比較可靠的火焰檢測(cè)儀器[1]。

在現(xiàn)在的市場(chǎng)上，有紫外線、熱電偶等多種火焰檢測(cè)器，但這些火焰檢測(cè)器性能都不是很完善，需要進(jìn)行改進(jìn)。例如，紫外線火焰檢測(cè)器對(duì)光線太敏感，如果在應(yīng)用場(chǎng)合不能很好地避免太陽(yáng)光等的照射，就容易使控制系統(tǒng)造成誤動(dòng)作，而且其成本也比較高[3]。而現(xiàn)在市場(chǎng)上有的熱電偶火焰檢測(cè)器，其反應(yīng)速度太慢，不能消除環(huán)境溫度的干擾，并不能滿(mǎn)足火焰檢測(cè)快速性的要求。為了滿(mǎn)足火焰檢測(cè)快速、準(zhǔn)確的要求，我們提出了一種火焰檢測(cè)器的設(shè)計(jì)方法。

1 硬件部分設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的火焰檢測(cè)器，由溫度檢測(cè)部分、人機(jī)對(duì)話接口部分、顯示接口部分、串行通訊接口等部分組成。整個(gè)儀器原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

用Philips公司生產(chǎn)的單片機(jī)作為微處理器，負(fù)責(zé)將各溫度傳感器傳送回來(lái)的溫度信號(hào)進(jìn)行分析處理，判別出火焰的狀態(tài)，將爐膛內(nèi)部的溫度值顯示以及完成與上位機(jī)(即系統(tǒng)中的主控制器)的通訊，協(xié)調(diào)各部分的工作。該單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)集成了8 k的EPROM，256字節(jié)的RAM，8通道的10位AD轉(zhuǎn)換器，所以不需要進(jìn)行ROM，RAM及AD轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)展[4]。

檢測(cè)鍋爐爐膛內(nèi)部溫度的傳感器可以選擇K分度的熱電偶，溫度變送器選用SBWZ/R2000，其量程可調(diào)。將變送器輸出的4～20 mA電流信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路后轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)。

環(huán)境溫度檢測(cè)元件選用總線式智能型溫度傳感器，測(cè)量范圍為-55 ℃～125 ℃，可以在內(nèi)部將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在單片機(jī)需要的時(shí)候，通過(guò)串行數(shù)據(jù)傳送方式將溫度值傳送給單片機(jī)。單總線串行數(shù)據(jù)傳送的方法可以節(jié)省單片機(jī)的引腳，但是需要大量的軟件進(jìn)行輔助，并且必須保證對(duì)其進(jìn)行操作的時(shí)序。這里用P2.2管腳作為數(shù)據(jù)傳送總線。

因?yàn)橐话隳苡玫交鹧鏅z測(cè)器的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，與主控制器的距離都比較遠(yuǎn)，可能達(dá)到上千米。RS-232通訊標(biāo)準(zhǔn)不能滿(mǎn)足要求，所以這里選用RS-485串行通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行本火焰檢測(cè)器與主控制器之間的通訊。RS-485串行通訊標(biāo)準(zhǔn)的通訊距離可以達(dá)到12 000 m，這能夠滿(mǎn)足大部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求，對(duì)于少數(shù)不能滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合，可以加中繼器將通訊距離加長(zhǎng)。RS-485的電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAX-485。MAX485只能進(jìn)行半雙工通訊，這里用P0.0口控制MAX-485是工作于接收狀態(tài)還是發(fā)送狀態(tài)[5]。

人機(jī)對(duì)話接口部分電路主要是設(shè)計(jì)一個(gè)鍵盤(pán)陣列，用戶(hù)可以通過(guò)該鍵盤(pán)設(shè)定一些參數(shù)，如溫度值、本機(jī)地址等數(shù)據(jù)。該鍵盤(pán)陣列有數(shù)字鍵和功能鍵，該鍵盤(pán)采用中斷請(qǐng)求掃描方式，當(dāng)有鍵按下時(shí)，發(fā)出中斷請(qǐng)求，單片機(jī)應(yīng)答該請(qǐng)求信號(hào)后對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描。鍵盤(pán)接口部分電路還需要完成對(duì)鍵盤(pán)抖動(dòng)的消除、多鍵同時(shí)按下時(shí)的處理等。在本設(shè)計(jì)中，鍵盤(pán)抖動(dòng)的消除是通過(guò)硬件來(lái)完成的，用RC濾波的方式將抖動(dòng)消除；這里還設(shè)計(jì)了一個(gè)邏輯電路，該電路的功能是只有一個(gè)鍵按下時(shí)才向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。中斷采用電平觸發(fā)方式，中斷請(qǐng)求的接口電路如圖2所示。

圖2 中斷請(qǐng)求的接口電路

2 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分主要是完成數(shù)據(jù)采集和分析等功能。因?yàn)樵诩訜徇^(guò)程中，爐膛溫度變化比較快，所以這里設(shè)定它的采樣間隔時(shí)間為10 s，而環(huán)境溫度在短時(shí)間內(nèi)變化不會(huì)很明顯，所以這里設(shè)定它的采樣間隔時(shí)間為10.84 min。

在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，控制器、智能儀表等控制系統(tǒng)中的組成部件都需要與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令等的交換，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不會(huì)只有主控制器和火焰監(jiān)測(cè)器，所以火焰監(jiān)測(cè)器與主控制器之間的通訊，應(yīng)該用多機(jī)通訊模式，現(xiàn)在規(guī)定其通訊協(xié)議如下：

1) 通訊采用主從方式，應(yīng)用到本火焰檢測(cè)器的系統(tǒng)的主控制器為主機(jī)，本火焰監(jiān)測(cè)器為從機(jī)。

2) 火焰監(jiān)測(cè)器開(kāi)始處于只接收地址的狀態(tài)，接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的地址幀后，與本機(jī)地址相比較，如果與本地址相同，則進(jìn)入通訊程序，否則就退出。

3) 主機(jī)發(fā)送的控制命令代碼：

01H 要求從機(jī)發(fā)送火焰狀態(tài)給主機(jī)。

02H 要求從機(jī)發(fā)送爐膛內(nèi)部的實(shí)時(shí)溫度給主機(jī)。

03H 要求從機(jī)接收主機(jī)傳來(lái)的溫度設(shè)定值，代替原來(lái)的設(shè)定值。

4)從機(jī)狀態(tài)格式(如表1所示)。

表1 從機(jī)狀態(tài)字格式

其中ERR=1表示從機(jī)接收到非法命令；若TRDY=1表示發(fā)送準(zhǔn)備就緒，下一次從機(jī)發(fā)送給主機(jī)的就是主機(jī)要求從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；若RRDY=1表示從機(jī)已經(jīng)做好了接收主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，主機(jī)可以向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，隨后主機(jī)就向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

5) 若從機(jī)接收到非法命令，則需要重新聯(lián)絡(luò)。

6) 一次通訊完成后，從機(jī)又回到SM2=1的狀態(tài)下，只接收主機(jī)發(fā)送的地址幀。

7) 本火焰檢測(cè)器的串行通訊采用中斷激活方式。主程序的流程圖如圖3所示。串行通訊中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 通訊中斷服務(wù)程序流程圖

3 總結(jié)

本文介紹了一種新的火焰監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)方法，提出了一種新的判別火焰狀態(tài)的方法，該方法的應(yīng)用提高了火焰檢測(cè)器的反應(yīng)速度，解決了現(xiàn)有火焰檢測(cè)器的一些弊端，提高了火焰檢測(cè)的準(zhǔn)確性。