糠殼爐控制系統(tǒng)的設(shè)計

馬林森 胡佳

摘要：糠殼爐主要用于米廠烘干系統(tǒng)，為烘干機提供穩(wěn)定的熱源。介紹了糠殼爐控制系統(tǒng)的總體框架、各個模塊和工作流程。上位機采用C#基于VS2008開發(fā)環(huán)境進行設(shè)計，下位機基于MD88模塊進行控制和狀態(tài)監(jiān)測，并采用熱電偶和溫度傳感器對爐溫和水溫進行實時檢測?？刂品绞桨ㄊ謩涌刂坪妥詣涌刂苾煞N，自動控制下能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：糠殼爐；上位機；自動控制；無人值守

中圖分類號：TP273+.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）12-0106-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.12.028

Abstract： Bran shell furnace is mainly used in drying system of rice factory. It provides stable heat source for the drying system. This paper has introduced the overall frame，module and workflow of the control system of bran shell furnace. The upper computer software is designed based on the VS2008 development environment. The lower computer is based on the MD88 module for control and state monitoring，and the thermocouple and temperature sensor are used for real-time detection of the furnace temperature and water temperature. Control methods include manual control and automatic control. Automatic control can achieve unattended. This system is stable and reliable.

Key words： bran shell furnace； upper computer； automatic control； unattended

爐子作為米廠烘干系統(tǒng)的熱源供給系統(tǒng)，在烘干過程中承擔(dān)著非常重要的角色。傳統(tǒng)的爐子自動化程度不高，大多靠手動去控制，并根據(jù)人工經(jīng)驗去判斷燃燒情況。這樣就會造成人工成本增加，并且人工判斷有時會出現(xiàn)失誤，造成不必要的損失。傳統(tǒng)爐子大多采用煤作為燃料供給，而米廠在稻谷處理的過程中會產(chǎn)生大量的稻殼，這些稻殼正好可以用來作為燃料，能夠節(jié)省原料成本?？窔t為米廠烘干系統(tǒng)提供熱源，并采用智能化的控制方法，為米廠節(jié)省了大量的人工和燃料成本。

該系統(tǒng)采用MD88模塊作為控制單元下位機，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議。檢測爐溫和水溫采用熱電偶和溫度傳感器?？刂埔L(fēng)機和下料口振動電機采用變頻器，能夠很好地調(diào)節(jié)風(fēng)量及下料頻率。上位機采用C#開發(fā)，開發(fā)環(huán)境基于VS2008，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQLserver2008。上位機能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)讀取和保存、設(shè)備控制、故障報警等功能，集過程控制和科學(xué)管理于一體，具有可靠性高、控制性能優(yōu)越等特點，得到操作人員的認(rèn)可。

1 總體設(shè)計及功能概要

糠殼爐控制系統(tǒng)包括上位機控制軟件、MD88模塊、傳感器感知模塊、變頻控制模塊。通過各個模塊的分工和配合，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。

1.1 上位機控制軟件

上位機控制軟件采用C#開發(fā)，軟件設(shè)計簡單、易操作。在界面上能夠?qū)Ω鱾€設(shè)備進行單個控制和監(jiān)測，這些設(shè)備包括水泵、關(guān)風(fēng)器、引風(fēng)機、鼓風(fēng)機、點火器和振動電機?？刂栖浖軌?qū)Ω鱾€傳感器進行實時檢測，檢測數(shù)據(jù)包括進水口溫度、出水口溫度和煙道溫度。在進行自動控制前，要先對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)包括點火器關(guān)閉溫度、點火器重新開啟溫度、振動電機開啟溫度、開始減料溫度、振動電機啟動頻率、最大進料頻率、引風(fēng)機啟動頻率、引風(fēng)機過渡頻率、引風(fēng)機穩(wěn)定頻率。軟件還具有一鍵點火和一鍵關(guān)火功能，一鍵點火后，系統(tǒng)進入自動控制程序，無需人工干預(yù)。軟件還具備報警功能，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或出現(xiàn)其他異常時，軟件會報警并自動關(guān)閉系統(tǒng)。

1.2 MD88模塊

MD88模塊上面與上位機連接，接收上位機的命令，下面與各個設(shè)備連接，對各個設(shè)備發(fā)送命令并接收反饋信息。MD88模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議，能夠接受上位機的指令，輸出口外接繼電器，然后再和設(shè)備連接。MD88模塊連接的設(shè)備包括水泵、關(guān)風(fēng)器、鼓風(fēng)機和點火器。

1.3 傳感器感知模塊

傳感器感知模塊包括進水口溫度傳感器、出水口溫度傳感器、煙道溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊。出水口溫度和煙道溫度是糠殼爐控制系統(tǒng)中最重要的兩個參考數(shù)據(jù)，上位機軟件會根據(jù)檢測到的出水口溫度和煙道溫度，改變輸出的引風(fēng)機頻率和振動電機頻率。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并與上位機保持通信。

1.4 變頻器控制模塊

變頻器控制模塊包括引風(fēng)機、振動電機和兩臺變頻器，變頻器直接和上位機進行通信。通過變頻器能夠?qū)σL(fēng)機和振動電機進行無間隔連續(xù)性地調(diào)節(jié)。引風(fēng)機一方面通過往爐體吹入大量空氣助燃，另一方面將爐體內(nèi)的稻殼吹散使稻殼更充分地燃燒，風(fēng)量過大稻殼燃燒充分，但是爐體大量熱量也會被帶走，風(fēng)量過小就會導(dǎo)致稻殼燃燒不充分。振動電機控制著稻殼的下料速度，在自動控制過程中，不同階段會設(shè)定不同的振動頻率。

2 系統(tǒng)自動控制流程

在系統(tǒng)開啟過程中，首先打開關(guān)風(fēng)器、鼓風(fēng)機和點火器，約10 s后，打開引風(fēng)機，引風(fēng)機變頻器頻率設(shè)定為起始頻率，當(dāng)爐溫達到振動電機開啟溫度，振動電機啟動，同時設(shè)定振動電機頻率為啟動頻率，并設(shè)定引風(fēng)機變頻器頻率為過渡頻率。當(dāng)爐溫達到260 ℃，關(guān)閉點火器，當(dāng)爐溫上升到300 ℃，開啟水泵。當(dāng)爐溫達到400 ℃，設(shè)定引風(fēng)機變頻器頻率為穩(wěn)定頻率。

隨著爐溫上升，出水口溫度也在上升，系統(tǒng)不斷地檢測并判斷爐溫和出水口溫度。當(dāng)出水口溫度大于88 ℃并且煙道溫度小于800 ℃，振動電機變頻器頻率減1，若出水口溫度繼續(xù)上升至92 ℃，振動電機變頻器頻率再減1，若出水口溫度達到94 ℃，關(guān)閉振動電機和引風(fēng)機。當(dāng)爐溫達到800 ℃并且出水口溫度大于88 ℃，振動電機變頻器頻率減2，爐溫若繼續(xù)上升至850 ℃，關(guān)閉振動電機和引風(fēng)機。

在燃燒過程中，若是爐溫和水溫同時降低，當(dāng)爐溫在重新點火溫度和800 ℃間，并且出水口溫度在88 ℃以下，振動電機變頻器頻率會被恢復(fù)為起始頻率，同時系統(tǒng)會檢測振動電機和引風(fēng)機是否被關(guān)閉，若被關(guān)閉再重新啟動。若是爐溫繼續(xù)下降，當(dāng)溫度降到點火器重新開啟溫度（默認(rèn)為200 ℃），振動電機變頻器頻率加1。

在系統(tǒng)關(guān)閉過程中，首先關(guān)閉點火器和振動電機，然后設(shè)定引風(fēng)機變頻器頻率為50 Hz，當(dāng)爐溫低于120 ℃時，關(guān)閉引風(fēng)機、鼓風(fēng)機、關(guān)風(fēng)器和水泵。

3 糠殼爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用，良好的硬件設(shè)計將為整個系統(tǒng)的順利開發(fā)和后續(xù)控制功能的拓展奠定基礎(chǔ)?？窔t控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括設(shè)備控制及監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、變頻器控制系統(tǒng)的設(shè)計、傳感器采集系統(tǒng)的設(shè)計、電路保護系統(tǒng)的設(shè)計等，糠殼爐控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。主要用到的硬件設(shè)備包括工業(yè)控制計算機、MD88模塊、繼電器、數(shù)據(jù)采集模塊、熱電偶、溫度傳感器、變頻器、水泵、點火器、鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、關(guān)風(fēng)器、振動電機等。

3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊及傳感器系統(tǒng)

該系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集模塊為JTA108RM型號的8通道數(shù)據(jù)采集模塊，輸入信號為4～20 mA，通信方式采用485通信，采用Modbus通信協(xié)議。進水口和出水口傳感器選用同樣的型號KEENYODA傳感器，能夠測量的水溫范圍是0～200 ℃，將測量的溫度信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號。采用的熱電偶為鎧裝熱電偶，測量范圍時-200～1 300 ℃，用于測量爐體內(nèi)的溫度。

3.2 MD88模塊控制系統(tǒng)

MD88模塊采用12 V供電，8通道開關(guān)量輸出，并且有輸入寄存器，可以將設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)反饋回來。MD88控制系統(tǒng)還配合繼電器進行控制，每一路輸出都連接一個繼電器，然后再連接設(shè)備。通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，寫寄存器請求和讀寄存器請求協(xié)議格式分別如表1和表2所示。

3.3 變頻器

該系統(tǒng)變頻器選用JF1000G系列高性能矢量型變頻器，該款變頻器輸出頻率在0～600 Hz范圍內(nèi)，控制方式采用無PG矢量控制、V/F控制，速度控制精度在正負(fù)0.5%。頻率設(shè)定方式有4種：數(shù)字設(shè)定、模擬量設(shè)定、串行通信設(shè)定和PID設(shè)定。變頻器和上位機采用485通信，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議。

4 糠殼爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

上位機軟件設(shè)計是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，所有的控制算法和操作都在上位機軟件完成。軟件控制方式有兩種：手動控制和自動控制。手動控制可以對各個設(shè)備進行單獨操作，自動控制是一鍵點火后，所有操作都由軟件自己完成。上位機軟件設(shè)計分為參數(shù)設(shè)置、串口設(shè)計、設(shè)備控制設(shè)計、數(shù)據(jù)采集設(shè)計、自動控制設(shè)計和故障報警設(shè)計，如圖2所示。

4.1 串口設(shè)計

該軟件是在Visual Studio 2008環(huán)境下開發(fā)設(shè)計的，該開發(fā)環(huán)境有自帶的串口控件SerialPort，該軟件是基于SerialPort控件與下位機進行通信的。串口所要配置的參數(shù)包括串口號、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位。

該軟件總共用4個串口與設(shè)備進行通信，其中水泵、關(guān)風(fēng)器等設(shè)備采用串口一，熱電偶、溫度傳感器等采用串口二，引風(fēng)機采用串口三，振動電機采用串口四。

串口自檢功能是為了方便操作人員識別串口設(shè)計的，當(dāng)點擊串口自檢按鈕，進入串口檢測環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將每個設(shè)備對應(yīng)的串口號檢測出來，操作人員再手動設(shè)置。

4.2 故障報警設(shè)計

系統(tǒng)在運行過程中，如果出現(xiàn)設(shè)備故障或傳感器數(shù)據(jù)異常，會發(fā)出報警信號并進入關(guān)火流程，煙道溫度或水溫過高，也會發(fā)出報警信號并進入關(guān)火流程。在運行過程中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，都會發(fā)出報警信號并進入關(guān)火流程。報警信息如表3所示。

5 小結(jié)

糠殼爐控制系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了米廠的實際需求，不僅能夠?qū)Ω鱾€設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)參數(shù)進行監(jiān)測和處理，還能夠自動調(diào)節(jié)爐溫，大大降低了人工成本。該系統(tǒng)還具備故障報警功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。上位機界面簡單易操作，整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

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