智能變頻蒸汽機(jī)控制系統(tǒng)

車亞進(jìn)

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040）

0 引 言

我國現(xiàn)有的蒸汽設(shè)備主要分為燃煤鍋爐、燃?xì)庹羝仩t、智能蒸汽能機(jī)三類。傳統(tǒng)的燃煤鍋爐一般體積龐大、熱效率低，由于屬于壓力容器，還需相關(guān)生產(chǎn)許可證，鍋爐工需要持證上崗，增加了企業(yè)的運(yùn)營成本。燃煤鍋爐熱能耗高、污染嚴(yán)重，現(xiàn)國家正在對(duì)此進(jìn)行整改，要求將50 噸以下的燃煤蒸汽鍋爐全部淘汰[1-2]。燃?xì)庹羝仩t采用天然氣作為熱源，容積也較為龐大，屬于特種設(shè)備范疇，需相關(guān)生產(chǎn)許可證，鍋爐工需要持證上崗，每年應(yīng)接受年審，熱效率一般在85%左右，使用成本比燃?xì)庹舭l(fā)器相對(duì)高一些，也是目前替代燃煤鍋爐的主要蒸汽設(shè)備。智能蒸汽能機(jī)的優(yōu)勢(shì)為：（1）蒸汽產(chǎn)生速度快：傳統(tǒng)鍋爐設(shè)備產(chǎn)生蒸汽需要經(jīng)過“鍋爐進(jìn)水、加熱、水沸騰”過程，水在壓力容器中沸騰，產(chǎn)生蒸汽壓力；而智能蒸汽能機(jī)是在水從底部進(jìn)入爐體的同時(shí)加熱，當(dāng)水到達(dá)爐體的頂部時(shí)，就已經(jīng)汽化，直接變成蒸汽，一般產(chǎn)生蒸汽只需數(shù)秒左右。（2）環(huán)保節(jié)能：智能蒸汽能機(jī)的一氧化碳排放是國家標(biāo)準(zhǔn)的1/68 左右，小于0.003%；智能蒸汽能機(jī)采用自然式抽風(fēng)系統(tǒng)，比傳統(tǒng)鍋爐的鼓風(fēng)式噪音低60%以上，是國家標(biāo)準(zhǔn)的1/26。（3）安全可靠：智能蒸汽能機(jī)工作原理類似家用燃?xì)鉄崴?，它可以快速產(chǎn)生蒸汽，屬于非壓力容器，全自動(dòng)控制、一鍵式操作、一般不需專人值守。由于它屬于一種非壓力容器，所以無需年檢，為企業(yè)節(jié)約了人力成本。智能蒸汽能機(jī)設(shè)置有斷水自動(dòng)停機(jī)保護(hù)、斷氣自動(dòng)停機(jī)保護(hù)、斷電自動(dòng)停機(jī)保護(hù)、過熱自動(dòng)停機(jī)保護(hù)、意外熄火自動(dòng)停機(jī)保護(hù)等多項(xiàng)安全保護(hù)功能，穩(wěn)定性高，安全可靠性強(qiáng)[2]。（4）高效節(jié)能：智能蒸汽能機(jī)無需預(yù)熱，而傳統(tǒng)鍋爐一般需要半個(gè)小時(shí)以上的預(yù)熱時(shí)間；另外智能蒸汽能機(jī)采用的是燃?xì)馀c空氣預(yù)先混合的方式，使燃燒更加充分，節(jié)能環(huán)保；普通傳統(tǒng)鍋爐尾氣一般直接排出，智能蒸汽能機(jī)通過尾氣熱回收裝置將尾氣溫度降低到40 ℃，可以節(jié)約資源，提高熱效率，降低運(yùn)行成本。

未來，隨著我國對(duì)于環(huán)境問題的日益重視，環(huán)保相關(guān)產(chǎn)品的需求將不斷增長(zhǎng)，智能變頻蒸汽能機(jī)的需求逐漸增加，預(yù)計(jì)到2027 年我國智能變頻蒸汽能機(jī)的產(chǎn)量將達(dá)到13 萬臺(tái)左右。

本文研究一種結(jié)合嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變頻蒸汽能機(jī)控制系統(tǒng)。通過單片機(jī)監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)控制蒸汽能機(jī)的工作狀態(tài)；將狀態(tài)信息利用NB-IoT 模塊，發(fā)送到控制云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)蒸汽能機(jī)的實(shí)時(shí)、高效、智能控制管理。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為感知層、傳輸層、云平臺(tái)和應(yīng)用層。各層級(jí)分工明確，系統(tǒng)實(shí)時(shí)通過單片機(jī)采集蒸汽能機(jī)的傳感器燃?xì)鈮毫?、水位、火焰溫度、蒸汽溫度及壓力等信息，利用NB-IoT 模塊將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)。云平臺(tái)將收到的數(shù)據(jù)傳遞到用戶APP 上，用戶通過APP 可以隨時(shí)了解蒸汽能機(jī)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

感知層：主要包括電源模塊、傳感器模塊（水位傳感器、火焰溫度傳感器等）、觸摸屏模塊和微控制器單元（MCU）[3]。傳感器模塊將水位、火焰溫度等參數(shù)傳遞給微控制器單元，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的期望值與實(shí)際值之間的差異，通過PID 法，實(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié)燃燒器的進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)氣量，保證輸出滿足負(fù)荷要求的蒸汽壓力。

傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，主要包括NB-IoT 模塊、通信基站及核心網(wǎng)絡(luò)。單片機(jī)NB-IoT 模塊接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過NB-IoT 模塊發(fā)送到云平臺(tái)[4]。

平臺(tái)層：在用戶接入云平臺(tái)后，將收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的分類處理。

應(yīng)用層：在該平臺(tái)部署了蒸汽能機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理和存儲(chǔ)[5]。用戶可以通過PC 機(jī)或者APP 來監(jiān)視平臺(tái)上的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如果有異常情況出現(xiàn)，可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和處理。

2 感知層硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的感知層包含：電源模塊、傳感器模塊（水位傳感器、火焰溫度傳感器等）、觸摸屏模塊、主控模塊、NB-IoT模塊。其中，NB-IoT 通信模塊設(shè)計(jì)、主控模塊設(shè)計(jì)是感知層系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。主控模塊主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)及控制量的輸出；NB-IoT 通信模塊負(fù)責(zé)與基站數(shù)據(jù)交互。

2.1 主控模塊

主控模塊框圖如圖2 所示。蒸汽能機(jī)的水位通過水位傳感器獲得，火焰溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)當(dāng)前火焰的溫度，蒸汽壓力及溫度傳感器主要監(jiān)測(cè)當(dāng)前蒸汽壓力及溫度，燃?xì)鈧鞲衅鞅O(jiān)測(cè)當(dāng)前的燃?xì)鈮毫Α?/p>

圖2 主控設(shè)計(jì)框圖

主控板的核心是STM32F412，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、分析、處理及通信模塊之間的通信連接等功能。選擇STM32F412 為主控芯片，在高達(dá)180 MHz 的工作頻率下通過閃存執(zhí)行時(shí)其處理性能達(dá)到225 DMIPS/608 CoreMark[6]，STM32F412 達(dá)到了迄今所有基于Cortex-M 內(nèi)核的微控制器產(chǎn)品的最高基準(zhǔn)測(cè)試分?jǐn)?shù)。STM32F4 系列因其內(nèi)核采用超低功耗ARM 的Cortex-m4 架構(gòu)，可以最大程度地減少功耗，它還內(nèi)置計(jì)時(shí)器、直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）、通用異步接收器/發(fā)送器（UART）、快速存儲(chǔ)技術(shù)（RST）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、通用輸入/輸出（GPIO）等其他模塊，可以滿足NB-IoT 硬件功能運(yùn)行要求[7]，它是MCU 實(shí)時(shí)控制功能與數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）信號(hào)處理功能的完美結(jié)合體。

STM32 芯片根據(jù)收集到的水位、蒸汽壓力及溫度、火焰溫度等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)與設(shè)定期望值比較差異，實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)燃燒器的進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)氣量及水位，通過PID 算法可以快速達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)工作過程中遇到異常情況發(fā)生時(shí)，可以及時(shí)報(bào)警，如果達(dá)到連鎖保護(hù)值時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)的連鎖保護(hù)停止設(shè)備運(yùn)行；未在連鎖保護(hù)范圍內(nèi)的異常情況時(shí)，操作人員視其情節(jié)嚴(yán)重，可作相應(yīng)的處理，以保證鍋爐安全生產(chǎn)。

2.2 通信模塊

STM32 芯片將收集到的水位、蒸汽壓力及溫度、火焰溫度等數(shù)據(jù)，利用AT 指令通過串口對(duì)NB-IoT 模塊進(jìn)行控制，由NB-IoT 模塊負(fù)責(zé)接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

NB-IoT 模塊采用的是BC95-B5 無線通信模塊。該模塊的特點(diǎn)是低功耗，最小電流可達(dá)5 μA，尺寸小、節(jié)省面積[8-10]。通信模塊如圖3 所示，通信模塊為BC95-B5，與電信的NB-IoT 卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，射頻天線將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)。

圖3 通信模塊原理

2.3 觸摸屏模塊

本系統(tǒng)使用的是臺(tái)達(dá)DOP-107BV 觸摸屏，操作者機(jī)臺(tái)可以通過液晶屏幕監(jiān)控設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，還可以通過觸碰式面板直接對(duì)水位、蒸汽溫度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。DOP-107BV觸摸屏利用基于RS 485 的ModBus 協(xié)議連接單片機(jī)，并且使用的是ModBus 的RTU 模式。通信格式為：波特率115 200、奇偶校驗(yàn)無、數(shù)據(jù)位8、停止位1。

在主界面上點(diǎn)擊“開機(jī)”按鈕就能控制機(jī)器進(jìn)入到開機(jī)狀態(tài)，界面中機(jī)器對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息如圖4 所示。

圖4 主界面

3 感知層軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)感知層設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)對(duì)蒸汽壓力、蒸汽溫度和燃?xì)鈮毫Φ葦?shù)據(jù)的分析，通過軟件優(yōu)化，去改變風(fēng)機(jī)變頻器的運(yùn)行頻率，使燃燒燃?xì)饬亢托栾L(fēng)量的配比重新調(diào)整成最合理比例（動(dòng)態(tài)平衡），從而完成整個(gè)蒸汽壓力-燃燒控制。工作流程如圖5 所示。

圖5 主流程

4 APP 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過NB-IoT 上傳到云平臺(tái)，用戶可以通過APP 遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控，如圖6 所示；還可以通過查看了解當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行詳細(xì)參數(shù)，如圖7 所示。

圖6 正常工作界面

圖7 設(shè)備參數(shù)設(shè)置界面

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的智能變頻蒸汽能機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了蒸汽機(jī)的燃燒控制，以鍋爐出口蒸汽壓力為主調(diào)信號(hào)，蒸汽流量為輔調(diào)信號(hào)來控制燃燒器燃燒，從而提高鍋爐對(duì)于輸出負(fù)荷的反應(yīng)速度和控制的穩(wěn)定性；并在運(yùn)行過程中引入煙道含氧量信號(hào)反饋來實(shí)現(xiàn)燃燒器風(fēng)量的微調(diào)，使燃燒器運(yùn)行效率一直保持在高水平，也使鍋爐運(yùn)行更加安全、環(huán)保。