基于遠程監(jiān)視技術(shù)的電鍋爐溫控系統(tǒng)

周建新　趙南生　于瑋

摘 要：針對我國鍋爐使用中的現(xiàn)實問題，介紹了一種基于遠程監(jiān)視技術(shù)的電鍋爐溫控系統(tǒng)。在分析熱電阻PT100測溫原理的基礎(chǔ)上，設計了恒流源測量電路，并結(jié)合分段線性化、均值濾波等方法，有效提高了測量精度。將RS485總線技術(shù)應用于本系統(tǒng)，既提高了鍋爐監(jiān)管的質(zhì)量，也節(jié)約了監(jiān)管成本。

關(guān)鍵詞：遠程監(jiān)視；電鍋爐；熱電阻；溫度控制；RS485

中圖分類號：TP273.5

電鍋爐作為一種環(huán)保型鍋爐，具有體積小、熱效率高、使用方便等優(yōu)點，在生產(chǎn)、生活的多個領(lǐng)域均有著廣泛應用。隨著科學技術(shù)的更新?lián)Q代以及管理理念的不斷提升，企業(yè)對鍋爐的性能要求越來越高。鍋爐溫度控制是生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的技術(shù)難題，由于被控對象具有非線性的特征，一直以來都是行業(yè)研究的熱點[1]。對于蒸汽鍋爐來說，有效控制其內(nèi)膽的溫度是提升鍋爐安全性與經(jīng)濟性的主要途徑。本文介紹了一種基于遠程監(jiān)視技術(shù)的電鍋爐溫控系統(tǒng)。在精確測量鍋爐溫度的同時，將數(shù)據(jù)通過RS485總線上傳到遠端，以便于集中監(jiān)管，進一步提高工業(yè)控制的自動化程度。

1 熱電阻PT100測溫原理

熱電阻PT100作為一種穩(wěn)定性、抗沖擊性均較好的溫度傳感器，被廣泛應用于溫度測量領(lǐng)域。在-200℃至600℃之間，PT100的阻值Rt與環(huán)境溫度t之間的關(guān)系可由下式表述：

其中，R0為PT100在0℃下的標準阻值100Ω，A=3.9×10-3℃-1，B=-5.8×10-7℃-2，溫度t采用攝氏溫標[2]。由于本系統(tǒng)的實驗溫度設定在0-100℃，因此在上述分段函數(shù)中，選取t大于0℃的部分。但溫度與阻值并非線性關(guān)系，考慮到B值較小，故將上式進一步簡化為：

其中，溫度t從0℃開始，每隔20℃，方程進行一次端到端的線性擬合，即分段線性化處理。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

鍋爐溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由以下5個部分組成：測溫電路、溫控電路、RS485接口電路、液晶顯示電路、聲光報警電路。所有外圍電路均通過STC12C5620AD微控制器統(tǒng)一管理，由于芯片內(nèi)部集成了10位的ADC模塊，所以無需外接A/D轉(zhuǎn)換器便可對前端采集的溫度信號實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)工作過程可描述為：傳感器將檢測到的爐內(nèi)溫度實時傳輸至微控制器進行運算，CPU根據(jù)初始設定的上下限溫度判斷當前是否需要啟用溫控電路，當溫度低于下限值時，溫控電路啟動加熱，當溫度高于上限值時，加熱器停止加熱，并伴有聲光提示，從而保證溫度在上下限之間波動。當前溫度值在由液晶顯示的同時還通過RS485總線傳輸至遠端的監(jiān)控中心，實現(xiàn)快捷的信息匯集。

2.2 測溫電路設計

根據(jù)公式2中溫度與材料阻值的對應關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)測溫電路的核心工作就是測量PT100的電阻值。與電橋法相比，恒流源法更便于將電阻值轉(zhuǎn)化為電壓值，有利于電阻的測量。本系統(tǒng)采用LM134三端可調(diào)電流源芯片產(chǎn)生恒定電流，該芯片可適應大范圍的動態(tài)輸入電壓，輸出電流的調(diào)節(jié)區(qū)間在1μA到10mA，具有較強的噪聲抑制能力和較快的動態(tài)響應特性。測溫電路原理圖如圖2所示，LM134周邊的電流關(guān)系可表述為：

其中，Iset為輸出電流，Ibias為偏置電流，I1和I2分別為流過兩個設置電阻Rb1和Rb2的電流。由于LM134的溫度系數(shù)為+227μV/℃，而二極管的溫度系數(shù)為-2.5mV/℃，在室溫25℃條件下，當Rb2/Rb1=10/1時，公式3可以進一步簡化為[3]：

Iset≈0.134V/Rb1 （4）

此時，恒流源整體表現(xiàn)出來的溫度系數(shù)為零，即構(gòu)成零溫漂的恒流源。

為了消除引線電阻對測量結(jié)果的影響，采用三線制接法將PT100接入電路。如圖2所示，當連接熱電阻兩端引線的材料、長度及直徑一致時，有RLine1=RLine2=RLine3=RL。另一方面，由于與PT100級聯(lián)的前置放大器采用了具有高輸入阻抗、高共模抑制比的儀表放大器OP07，即可以認為運放輸入端近似于“虛斷”，因此得出下式：

解得： ，即消除了引線阻值對測量結(jié)果的影響。

由于V1近似于OP07的正相輸入電壓，V2近似于其反相輸入電壓，適當調(diào)整反饋電阻與平衡電阻的阻值，便能通過硬件實現(xiàn)2V2-V1，不但提高了運算效率，也簡化了軟件編程。

2.3 RS485接口電路設計

RS485是一種通信距離遠、成本低、易維護的串行總線，一般只需要二根線便可傳輸數(shù)據(jù)，由于采用了平衡驅(qū)動與差分接收相結(jié)合的方式[4]，因而具有良好的抗干擾性能。RS485接口電路原理圖如圖3所示，選用MAX485實現(xiàn)微控制器的TTL電平與RS485電平之間的轉(zhuǎn)換。為避免引入噪聲，引腳連接均通過光耦隔離，信號傳輸方向由控制器的P2.1引腳電平?jīng)Q定。RS485的兩個差分端口分別作上/下拉處理，以確保總線空閑時的電平狀態(tài)，同時跨接120Ω電阻進行阻抗匹配，減少信號反射。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)初始化后，啟動片內(nèi)ADC采集5次電壓信號，將均值濾波后的平均值作為測量值。測得的電壓除以恒流源設定電流即為PT100的電阻值，進而查詢分度表獲得對應的溫度值。加熱器根據(jù)當前溫度，判斷是否需要開啟。所有動作完成后，本地顯示溫度值，并通過串行總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)通過中斷實現(xiàn)，當中斷發(fā)生時，首先從RS485串行總線上接收地址幀，若地址幀有效，則接收命令幀，完成信息校驗，否則丟棄該地址且中斷返回；只有當校驗結(jié)果正確時才發(fā)送數(shù)據(jù)，否則返回主程序。

4 結(jié)束語

自動化控制系統(tǒng)與工業(yè)總線的有機結(jié)合是近年來智能儀表的發(fā)展趨勢，本文的研究內(nèi)容是將兩者應用于電鍋爐的溫控領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的人工操控相比，效率更高、成本更低。RS485總線的引入不但有利于信息上傳，也為后續(xù)組建監(jiān)控網(wǎng)絡提供了硬件平臺，真正實現(xiàn)規(guī)?；亩帱c監(jiān)控。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，通信距離約800m，滿足一般監(jiān)控領(lǐng)域的需求。

參考文獻：

[1]韓文虹，趙廣復.一種基于模糊PID的工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化，2014（04）：134-136.

[2]劉兵，努爾買買提·阿布都拉.基于pt100的溫度測控實驗裝置的開發(fā)與應用[J].新疆大學學報（自然科學版），2009（03）：376-378.

[3]李銀祥，胡軍，姚向東.三端可調(diào)恒流源LM334及其應用[J].現(xiàn)代儀器，2002（01）：23-25.

[4]郭慶亮.利用RS-485實現(xiàn)多路溫度測量[J].電子產(chǎn)品世界，2010（03）：42-44.

作者簡介：周建新（1968-），男，后勤集團主管，研究方向：鍋爐控制、機械工程及自動化；趙南生（1967-），男，技師，本科，研究方向：機電一體化；通訊作者：于瑋（1986-），男，助理實驗師，碩士，研究方向：計算機測控技術(shù)。

作者單位：南通大學 后勤集團，江蘇南通 226019；南通大學 工程訓練中心，江蘇南通 226019

基金項目：2014年南通大學自然科學基金項目（項目編號：14Z006）。