淺談新型控制系統在加熱裝置中的應用

鄭州職業技術學院 董鵬娜 李愛琴

1.前言

當前，油田系統內的加熱裝置的自動控制系統普遍使用組態結構，即控制系統本身是由PLC、模塊、中間繼電器、人機界面、傳感器、執行器等部件組成，并通過組態軟件設定硬件模塊的控制及顯示參數，控制系統的核心部件通常安裝在遠離控制現場的監控室，執行器、傳感器則安裝在現場。控制系統的這種構建形式存在著結構復雜、冗余，成本偏高、穩定性差的問題。近年來，隨著微電子技術和總線技術的迅猛發展，設計制造專用于固定設備的嵌入式控制系統成為可能，一些基于單片機、嵌入式控制器、現場總線的加熱裝置專用控制系統相繼出現。這種控制系統基于單片機技術，將控制、監測、顯示或則輔助加熱裝置運行的所有部件及程序全部集成在單片板上，更加面向操作者、面向硬件、面向現場實際應用，系統中所固化的中心控制程器-嵌入式處理器內核微小，編程功能強大，大大縮小了控制系統的體積和制造難度，也使其結構的復雜程度和制造成本大大降低。目前，由于嵌入式控制系統具有系統內核小、專用性強、系統精簡及高實時性等諸多優勢，國內一些大型加熱裝置上已經開始廣泛應用這種新型的控制系統，同時，隨著微電子技術和總線技術門檻的降低，基于嵌入式控制系統的加熱裝置必將普及。

2.新型控制系統的構建原理及性能指標

2.1 控制原理

利用嵌入式控制器構建加熱裝置的新型自動控制系統，可以實現加熱裝置進口溫度、出口溫度、殼體溫度、殼體壓力、殼體液位和可燃氣體濃度的監測，實現對燃燒器啟停、調節大小火、火焰監測、故障監測的功能，同時根據出口溫度、殼體溫度或殼體壓力實現對燃燒器輸出功率的負反饋調節，系統還可以根據出口溫度、殼體溫度、殼體壓力、鍋體液位和可燃氣體濃度實現對燃燒器的啟停控制，保障加熱裝置的安全可靠的運行。根據嵌入式加熱裝置控制器提供的通信規則，編寫美觀實用的人機界面（觸摸屏）程序，實現觸摸屏與嵌入式控制器的互聯。新型加熱裝置自動控制系統的原理圖如下：

圖中：

1—傳感器、2—執行器、3—嵌入式加熱爐控制器、4—通信轉換器、5—人機界面、6—急停開關、7—聲光報警器、8—監控室控制柜、9—現場控制柜、10—加熱裝置、11—燃燒裝置。

該加熱裝置的自動控制系統主要包括：(1)傳感器、(2)執行器、(3)嵌入式加熱爐控制器、(4)通信轉換器、(5)人機界面、(6)急停開關、(7)聲光報警器七部分，人機界面、急停開關、聲光報警器安裝在監控室，嵌入式加熱裝置控制器安裝在設備就近的控制箱內，傳感器、執行器安裝在加熱裝置上，各部分間用信號線連接。較現有的其他控制系統，該加熱爐自動控制系統不涉及傳感器、執行器信號的遠傳，不涉及PLC、模塊、中間繼電器等部件及其連接，因而，整體結構更加簡潔，生產加工更加簡單，維修過程更加方便。

2.2 性能指標

(1)熱工參數的采集和顯示，加熱裝置的進口溫度、出口溫度、殼體溫度、殼體壓力、殼體液位和可燃氣體濃度，這些熱工參數的采集和顯示是加熱裝置控制系統一項重要的性能指標。根據相關標準的規定：通常情況下，加熱裝置的進出口溫度偏差應保證≤±2.5℃；殼體溫度偏差應保證≤±5℃；殼體內水位測量偏差應保證≤±50mm；燃燒裝置附近的可燃氣體測量濃度應＜1.3%V/V。

(2)針對目標參數的自動調節，根據出口溫度、殼體溫度或殼體壓力調節燃燒裝置的工作，最終實現對控制參數的穩定保持是加熱裝置控制系統一項關鍵的性能指標。

(3)自動保護和無人值守，實時監測出口溫度、鍋殼溫度、鍋殼壓力、鍋殼液位和可燃氣體濃度，一旦監測數值超過預設數值則停止系統運行，并報警告知。

3.系統構建的主要影響因素及問題分析

基于單片機技術的嵌入式系統在其平臺的搭設及構建過程中的主要影響因素可分為：硬件因素、軟件因素及硬件接口因素。

3.1 硬件因素分析

影響嵌入式系統構建的硬件因素主要是串擾，硬件的串擾主要源自相鄰電子元件導體之間形成的互感和互容，嚴重的硬件串擾會直接影響到控制系統的時序，降低控制系統數據的采集及顯示精度，干擾系統的執行機構。

3.1.1 互容

當兩個信號回路相互接近時，一個信號回路產生的電場會影響到第二個信號回路，這種相互影響的系數稱為互容。互容串擾電壓與互容系數成正比，與階躍振幅和上升時間的比值成正比，與電路的接地阻抗成正比。因此，祛除互容串擾因素的方法有：

a、通過增大信號回路的布線間距來減小互容系數。

b、在保證信號傳輸時序的前提下，盡可能選擇低速信號的器件以減小階躍振幅和上升時間的比值。

c、通過減小受互容影響回路末端的接地電阻，減小接地阻抗，為受擾動電路祛除耦電容。

3.1.2 互感

相互臨近的兩個信號回路，當一個回路中電流所產生的磁場與相鄰的回路相互疊加環鏈，其中任一回路電流發生變化時，則會再與其疊加環鏈的另一回路中產生感應電動勢，這一現象稱為互感。互感串擾電壓與互感成正比，與階躍幅度和上升時間的比值成正比，與電路的源端阻抗成反比。因此，祛除互感串擾因素的方法有：

a、減小互感系數。

b、在保證信號傳輸時序的前提下，盡可能選擇低速信號的器件以減小階躍振幅和上升時間的比值。

c、通過在回路源端接入電阻，削弱環路中電流變化的速率，同時，為了避免回路信號的反射，應要使傳輸線路中允許的阻抗值與串入的電阻相匹配。

3.2 軟件因素分析

影響嵌入式系統構建的軟件因素主要是系統響應的實時性，其與軟件系統的調度程序和中斷響應處理方式有關。所謂的實時性，也就是從事件發生到系統響應的時間，或者更廣泛一點，也就是從用戶輸入一條指令到系統處理完返回給用戶的反應時間，這個時間可以劃分為幾個階段：

3.2.1 中斷響應時間

一般情況下所有的外部指令都是通過中斷方式來觸發的。外部硬件給處理器的指令系統一個中斷，通知處理器外部有一個事件需要處理。通常情況下，處理器對一般外部中斷的處理分為快速中斷和正常中斷，一般支持中斷的嵌套。中斷的優先權是由處理器來決定的，當然也可以由系統來設置，但不管哪種中斷，時間都會是足夠短的。

3.2.2 進程調度響應時間

中斷響應了以后，一般中斷函數都是非常簡短的，只需要進行變量的設置，記錄下外部事件的相關信息。真正的工作一般是在進程中進行的。進程在調度時，如果到該進程運行并且該進程發現中斷對變量的改變，則該進程開始進行相應的處理動作。但進程調度本身，是由多種經典算法的，可以參考OS的理論部分。有些算法實時性稍高，但整體性稍差，有些則相反。正常情況下，不管哪種算法，系統的進程數越少，肯定響應越快；當時處理器的負擔越小，響應越快。進程中屏蔽中斷的地方越少，則平均響應越快。

3.2.3 應用程序響應時間

進程執行到該項任務時，余下的指令由于應用層執行，應用程序執行后將最終結果返回至用戶。

3.3 硬件接口因素分析

由于在嵌入式系統設計過程中，硬件部分與應用軟件的開發通常由兩組設計人員分別負責，而且在項目進行過程中兩個小組相互間基本沒有相互交叉、覆蓋的任務，軟件工程師很少涉及和參與系統硬件的設計和開發，采用這種方式進行嵌入式系統的開發經常會出現硬件與軟件接口性能故障，特別是硬件設計與軟件開發的環境之間差異較大時，這種現象會更為突出。當然解決這種軟硬件接口問題的最佳解決方案是軟件開發人員同時參與系統硬件的設計，深入的了解應用軟件的開發平臺和硬件性能。但在系統的實際構建過程中，這種方案由于受到資金及人員的限制往往無法得以實施，另外一種折中的方案是創建一套軟硬件接口標準，使硬件的設計依照接口標準進行，最優的接口設計標準和方案能有效地防止軟件開發過程中出現不必要的硬件沖突故障。優化的硬件接口設計方案應至少應包含以下幾個關鍵的因素：

a、標準總線式訪問模式

從軟件開發者角度來說，最優的硬件設計方案應確保帶有標準讀寫指令的處理器能夠不用考慮硬件載體的內容及時序，順暢、透明的讀取硬件資源。這樣就要求硬件接口的設計應盡可能使用標準總線式訪問模式，避免采用特殊總線。

b、接口設計應面向處理器

系統的硬件設計者應優先考慮處理器對硬件資源的訪問方式，開發面向處理器的資源接口。

c、寄存器設計

硬件工程師應從寄存器的結構與訪問方式、寄存器復位內容、寄存器域的設計等多方面、多角度、多層次進行寄存器的設計，以滿足不同級別的處理器對于寄存器的訪問需求。

d、統一設計習慣

難度較低的嵌入式系統的硬件設計可由單一的設計人員負責，但對于高難度，較為復雜的系統，硬件設計任務通常由多人合作完成。這種情況下，就會出現因設計者設計習慣的不同，采用不同標準的總線訪問模式和寄存器設計方案，導致系統軟件在運行過程中出現訪問受限的故障。解決這一問題的最佳方案就是在硬件接口設計之初，確保每個部件的設計著眼于整體，與整體保持一致，統一總線訪問模式和寄存器設計方案。

4.結論

a、將嵌入式控制系統應用于加熱裝置的自控系統，較現有的組態式自動控制系統或其他形式的加熱裝置的自控系統具有架構簡潔，材料成本和制造成本低廉的特點。

b、基與單片機技術的嵌入式控制系統的組建和架設難度、維修難度較現有的自動控制系統更小、更簡單，系統一旦出現問題可實現快速修復。

c、將新型的嵌入式控制系統廣泛推廣至加熱裝置產品后，將大幅度地降低加熱裝置自控系統的制造成本，使產品具有更強的市場競爭力。

[1]毛德操,胡希明.嵌入式系統[M].杭州:浙江大學出版社,2003.

[2]賈立新.數字電路[M].浙江:電子工業出版社,2011.

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