一種智能溫室中甲醇鍋爐供熱控制器的設(shè)計(jì)

劉澤楠 韓雁明

摘 要：本文設(shè)計(jì)研發(fā)一種甲醇鍋爐智能控制器，用于農(nóng)業(yè)智能溫室中自動(dòng)供熱的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)燃料物位、鍋爐回水溫度、鍋爐出水溫度、鍋爐爐膛溫度等實(shí)時(shí)檢測(cè)，確保鍋爐安全穩(wěn)定的運(yùn)行，并配以報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水溫的安全監(jiān)測(cè)。并設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，操作人員可實(shí)現(xiàn)溫度、液位控制和檢測(cè)。同時(shí)通過WIFI模塊將爐內(nèi)溫度和液位數(shù)據(jù)上傳至中移動(dòng)OneNET云平臺(tái)，方便工作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和后期處理。

關(guān)鍵詞：甲醇鍋爐;自動(dòng)控制;監(jiān)測(cè);云平臺(tái)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.107

甲醇鍋爐是一種新型綠色環(huán)保燃料鍋爐是廣大企業(yè)、工廠、居民社區(qū)采暖和洗浴的理想產(chǎn)品。采用可靠的甲醇燃料作為鍋爐燃料，不僅大大降低硫和氮氧化物的排放。甲醇鍋爐空間占用少，運(yùn)輸方便，基建投資少，安裝簡(jiǎn)單方便，在農(nóng)業(yè)溫室中使用，該種類鍋爐真正的做到了燃燒清潔、排放無污染、出力充足[1-4]。研究一種基于甲醇鍋爐的智能控制器，實(shí)現(xiàn)甲醇鍋爐的智能監(jiān)測(cè)控制對(duì)于甲醇鍋爐的廣泛推廣具有重要意義，可以對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益有顯著的影響。

1 智能控制器的方案設(shè)計(jì)

在各種工作環(huán)境下安全可靠運(yùn)行和全視角直觀顯示鍋爐系統(tǒng)工作狀態(tài)是保證鍋爐系統(tǒng)安全的必要條件之一。甲醇鍋爐的智能控制器應(yīng)該具有對(duì)燃料位、水位、溫度等要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)具有針對(duì)異常狀況的報(bào)警和緊急處理功能以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)，同時(shí)具備良好的人機(jī)交互，方便操作者進(jìn)行控制。

本設(shè)計(jì)在中外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，調(diào)查當(dāng)前鍋爐使用和控制現(xiàn)狀，并對(duì)甲醇鍋爐進(jìn)行探討，對(duì)以下幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：對(duì)輸入端和輸出端進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)與控制，再配以報(bào)警系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)，使整套控制器更完善，方便工作人員實(shí)時(shí)操作[5-6]。甲醇鍋爐控制器如圖1所示：

本設(shè)計(jì)主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行控制：

1.1 燃料剩余檢測(cè)

在主頁面點(diǎn)擊燃料之后，會(huì)進(jìn)入燃料檢測(cè)界面，通過外部設(shè)施傳感器來獲取準(zhǔn)確的燃料剩余信息，并且在顯示屏幕中實(shí)時(shí)顯示出來。

1.2 爐內(nèi)溫度控制

在溫度回差控制頁面，控制四個(gè)時(shí)間段的溫度回差，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)溫度，若爐內(nèi)溫度沒到停爐溫度設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)燃燒器;到停爐溫度時(shí)關(guān)閉燃燒器;溫度小于點(diǎn)火溫度時(shí)，大火輸出;溫度升到轉(zhuǎn)火溫度時(shí)，小火輸出。當(dāng)爐內(nèi)溫度到停爐溫度設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉加熱系統(tǒng)。顯示屏依據(jù)停爐流程顯示響應(yīng)的工況提示。

1.3 報(bào)警系統(tǒng)

（1）超溫報(bào)警：當(dāng)爐水溫度超過停爐溫度設(shè)定值時(shí)，控制器進(jìn)入超溫報(bào)警保護(hù)，蜂鳴器聲報(bào)警，顯示“超溫”;同時(shí)關(guān)閉循環(huán)泵、燃燒器。

（2）缺水報(bào)警：當(dāng)水位低于水位電極時(shí)，控制器進(jìn)入缺水報(bào)警保護(hù)，蜂鳴器聲報(bào)警，顯示“缺水”;同時(shí)關(guān)閉循環(huán)泵、燃燒系統(tǒng)。

（3）報(bào)警處理：控制器一旦進(jìn)入報(bào)警保護(hù)，所有已發(fā)生的故障都被記憶，在故障未排除之前，循環(huán)泵、燃燒機(jī)鍵不被響應(yīng)。故障排除后每按一次幫助鍵清除一個(gè)故障記憶，直至所有記憶被清除，控制器回到待機(jī)狀態(tài)，如記憶不能清除表示故障還存在故障排除后確認(rèn)爐溫、水位等符合運(yùn)行條件方可重新啟動(dòng)運(yùn)行。（備注：超溫報(bào)警以后，為防止水系空轉(zhuǎn)，水系也需停止。）

1.4 24h全自動(dòng)控制

無需人工，設(shè)定好合適的溫度和工作時(shí)間后即可實(shí)現(xiàn)鍋爐的自動(dòng)運(yùn)行和停止。并且可以根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段控制。

1.5 通信系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)添加WIFI模塊，定時(shí)將當(dāng)前爐內(nèi)溫度和液位數(shù)據(jù)上傳至中移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺(tái)上，方便工作人員的實(shí)時(shí)獲取和監(jiān)測(cè)。

2 智能控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選擇的核心芯片是 STM32F103RBT6 ，其擁有多個(gè)SPI、串口、眾多定時(shí)器以及很過可用 IO 腳，由于本設(shè)計(jì)中外圍設(shè)備比較多，設(shè)備應(yīng)用的通信方式也不一相同：A/D轉(zhuǎn)換芯片就需要15個(gè)I/O口和一個(gè)PWM進(jìn)行提供時(shí)鐘;射頻卡模塊應(yīng)用的是SPI模式需要一個(gè)SPI;顯示屏也應(yīng)用的SPI模式，不過在程序中是應(yīng)用4個(gè)I/O口進(jìn)行模擬SPI模式;通道選擇器需要用到2個(gè)引腳進(jìn)行2個(gè)通道的選擇;燒寫程序用的是SW的燒寫模式，此模式應(yīng)用引腳較少;串口調(diào)試需要PA9與PA10兩個(gè)引腳進(jìn)行串口調(diào)試及通信;SD卡需要6個(gè)I/O口引腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由此，STM32F103RBT6的資源符合要求，所以選擇了它作為設(shè)計(jì)的主芯片。STM32的最小系統(tǒng)原理圖如圖2：

2.2 溫度采集模塊

DS18B20是Dallas公司繼DS1820后推出的一種改進(jìn)型數(shù)字溫度傳感器[4]。DS18B20 溫度傳感器高耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫以及控制領(lǐng)域。溫度傳感器的分辨率最大可達(dá)0.0625 ℃，測(cè)溫范圍是-55℃～125℃，可以直接讀出被測(cè)溫度值。此外，采用3 線制與單片機(jī)相連，簡(jiǎn)化了外部硬件電路，易使用，成本低。工作原理是DS18B20先初始化，然后采集環(huán)境溫度，接著將處理過后的數(shù)據(jù)傳輸至顯示屏。

2.3 超聲波液位采集模塊電路

超聲波測(cè)距是利用聲波具有反射特性，且其在空氣中的傳播速度已知，通過計(jì)算出從發(fā)射-接收的回波時(shí)間（T）就可計(jì)算出測(cè)試點(diǎn)到障礙物的距離。微控制器控制脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生40kHz信號(hào)后經(jīng)功率幅值放大電路和超聲波探頭連接，超聲波探頭發(fā)出回波信號(hào)經(jīng)放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路后將數(shù)據(jù)送回微控制器，如圖3-2所示。由于傳播速度與溫度有關(guān)，為了精確測(cè)距，系統(tǒng)加入了溫度測(cè)量模塊，采用單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20測(cè)量實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過液面到頂部距離S=VT/2，其中V為超聲波在空氣中的傳播速度，T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差。設(shè)計(jì)中利用超聲波測(cè)距模塊測(cè)量出S，然后用水塔高度L減去S，即可得到液位高度H。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

為了得到A/D轉(zhuǎn)換能夠測(cè)量出很高的精度，本次的A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)采用4位動(dòng)態(tài)時(shí)分的芯片，芯片測(cè)量范圍為正負(fù)2V，并以BCD碼的輸出模式將轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù)輸出，其擁有很高的精度。本設(shè)計(jì)中，為了讓ICL7135的工作既可靠又高轉(zhuǎn)速的處理數(shù)據(jù)，將時(shí)鐘輸入端的時(shí)鐘頻率設(shè)置為125KHz，那么其相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率為6次/秒，時(shí)鐘頻率的控制在本設(shè)計(jì)應(yīng)用STM32的PWM模式進(jìn)行分頻得到相應(yīng)的頻率。

A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135需要進(jìn)行比較的基準(zhǔn)電壓，本設(shè)計(jì)將選擇基準(zhǔn)電壓是1V，因此ICL7135的量程是-2～+2V。在進(jìn)行基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)采用MC1403提供基準(zhǔn)電壓源，其輸出的電壓是2.5V，設(shè)計(jì)為了得到1V的基準(zhǔn)電壓，進(jìn)行電阻分壓的方法來得到。

2.5 顯示模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的顯示模塊應(yīng)用的是OLED顯示屏，此屏應(yīng)用SPI模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用STM32的引腳PB7控制時(shí)鐘、PB5控制數(shù)據(jù)、PB12控制復(fù)位、PB13控制讀寫，其中還存在一個(gè)片選引腳，再次設(shè)計(jì)中直接將其與GND連接，這樣可以省去一些引腳資源，直接進(jìn)行屏幕的控制就行。在屏幕程序中，要進(jìn)行數(shù)字的寫入，字符串的生成和漢字的填入，再此分別寫了三個(gè)小程序進(jìn)行方便控制屏幕的書寫，并且添加了一個(gè)漢字庫。

2.6 電源模塊的設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)中，電源的設(shè)計(jì)應(yīng)該也是很重要的一環(huán)，由于主控電路中用到了12V、5V和3.3V的電壓，AC/DC電源模塊選用高能立方品牌工業(yè)級(jí)220V轉(zhuǎn)12V/2A開關(guān)電源隔離穩(wěn)壓模塊 ，12V用于繼電模塊供電，5V用于電源轉(zhuǎn)換模塊的輸入。用LM1117將5V轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，給STM32芯片提供所需要的電壓。電源轉(zhuǎn)換模塊芯片LM1117，其可進(jìn)行降壓穩(wěn)壓器，它的內(nèi)部存在集成電路進(jìn)行過熱保護(hù)，并且此芯片具有限流電路對(duì)于電路有很好的保護(hù)作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的整體功能設(shè)計(jì)如上圖3所示，整體分為智能控制模塊和手動(dòng)控制模塊。智能控制操作簡(jiǎn)單，功能完整，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定時(shí)間區(qū)段、設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度、設(shè)定回差溫度、溫度自動(dòng)控制、燃料監(jiān)測(cè)報(bào)警、傳感器異常報(bào)警等功能。大幅提升甲醇鍋爐的智能化控制程度，節(jié)省人力。手動(dòng)控制模塊可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制水泵、手動(dòng)控制燃燒機(jī)功能，對(duì)與智能控制起到補(bǔ)充作用，確保系統(tǒng)安全工作。

3.1 人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖4所示。開機(jī)進(jìn)入顯示界面后，在右上角可選擇智能模式和手動(dòng)模式。智能模式中可選擇進(jìn)入溫度控制模塊和燃料控制模塊。溫度控制模塊中首先需要選擇智能工作的時(shí)間區(qū)段?？梢栽O(shè)置四個(gè)時(shí)間區(qū)段，開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間可調(diào)節(jié)。選中時(shí)間區(qū)段后點(diǎn)擊進(jìn)入對(duì)應(yīng)的溫度設(shè)置，首先設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)溫度，然后設(shè)定回差溫度。完成設(shè)置后，點(diǎn)擊開始，設(shè)備進(jìn)入智能控制狀態(tài)。智能控制狀態(tài)下設(shè)備工作流程將在4.3中介紹。手動(dòng)模式中，界面中間顯示有水泵和燃燒機(jī)兩個(gè)按鍵，通過按鍵可以人工控制水泵開啟和燃燒機(jī)開啟。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醇鍋爐的智能控制，經(jīng)測(cè)試，在智能工作狀態(tài)下，系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。手動(dòng)操作模式可對(duì)智能? 模式進(jìn)行外部中斷，保證系統(tǒng)安全。我們同時(shí)對(duì)于設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)也進(jìn)行了一定研究，在云平臺(tái)的數(shù)據(jù)保存與處理方面取得了一些成果，這也是我們下一步需要完善的地方。

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本項(xiàng)目為石家莊鐵道大學(xué)研究生資助項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)為YC2018096。

作者簡(jiǎn)介：劉澤楠（1995-），男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。