基于單片機的自潔式空氣過濾器反吹控制系統設計

石 蕾，王景存，吳曉鵬

（1.武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081；2.武漢鋼鐵工程技術集團有限責任公司智能儀表分公司，武漢 430000）

在現代工業生產中，壓縮空氣已成為不可缺少的動力和資源。然而空氣中含有灰塵等雜質，如果空氣直接吸入壓縮機，就可能會損壞空氣壓縮機葉片氣缸，也會造成設備閥門管線的阻塞[1]。因此經常需要將空氣經過前置空氣過濾器過濾后再使用。前置空氣過濾器從結構形式上分類有干帶式過濾器、袋式過濾器、自潔式空氣過濾器。目前在制氧機設備上普遍采用自潔式空氣過濾器。

現有的自潔式空氣過濾器通常通過反吹控制系統來完成過濾器自身的清潔。目前的反吹控制系統存在以下不足：（1）系統可擴展性、可維護性差，人機界面單一、操作復雜；（2）缺少反吹系統自身的故障檢測，無法自動檢測出某個反吹電磁閥發生故障；（3）缺少網絡監控，不能實現遠程控制。本系統針對以上問題，結合工業需要，設計了一套結構簡單、穩定可靠、可擴展性強的自潔式空氣過濾器反吹系統。由于篇幅有限本文只詳細介紹系統總體設計、壓差信號調理電路、故障檢測電路及軟件基本思路。

1 總體設計

1.1 系統設計需求

本系統需完成4項工作：（1）控制反吹電磁閥陣列（8×5，每套系統有5個插板式控制板，每個板上可控制8個反吹電磁閥）以設定的周期和開閉時間輪流開啟；（2）通過差壓傳感器獲取壓差信號（0～1000 Pa），若壓差高于門限設定值，需增加反吹電磁閥的開啟時間，加大反吹力度，若壓差高于報警設定值，需報警提示人工干預；（3）定期進行系統自動自檢，監測并顯示所有電磁閥工作是否正常；（4）實現多套控制系統與上位機（PC機）的以太網通信，完成PC機對多套反吹控制系統的檢測和控制。

1.2 系統總體設計

系統總體設計框圖如圖1所示，每套系統由1塊主控板和若干塊驅動與檢測板組成。驅動與檢測板為插板式結構便于維護和擴展。系統采用5個串并轉換芯片74LS595AN級聯，前級的串行輸出作為后級串行輸入，每一級的并行輸出直接輸入到反吹電磁閥。這樣，單片機只需要幾個I/O口，經過40個時鐘周期，就可以完成對8×5反吹電磁閥陣列的一次配置。同理，電磁閥故障檢測時采用5個并串轉換芯片SN74LS165級聯，單片機通過幾個I/O口經過40個時鐘周期，就可讀取所有反吹電磁閥工作狀態。單片機每隔10 ms對40個反吹電磁閥開關進行一次寫操作。寫操作完成后，再連續執行數次讀操作，以檢測電磁閥工作狀態。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure diagram of system

反吹時間和間隔時間的時序如圖2所示，各時間均可以由參數設定。

圖2 反吹系統時序圖Fig.2 Sequence diagram of reverse blowing system

2 主要硬件設計

系統的主要硬件模塊包括壓差信號調理電路、電磁閥驅動及故障檢測電路以及以太網接口電路。

2.1 壓差信號調理電路

采用型號為HSTL-FY01的壓力傳感器，它將0～1000 Pa的壓差值轉換為4～20 mA的電流值。信號調理的目的就是把4～20 mA的電流轉換為可供AD采樣的0～5 V的電壓。

為盡量避免電源波動、運放失調、漂移對轉換精度的影響，本系統采用改進的調理電路，如圖3所示，對運放的供電采用TL431組成的高精度穩壓電路[2]。運算放大器選擇使用高精度低失調的OP07，其參數及調零電路保證輸入電壓為0時，輸出電壓為0。濾波電容器C0和2只1N4148二極管對輸入信號可能出現的危險電壓進行保護。

電路中，TL431分別輸出正負的穩定電壓。ICD作電壓跟隨器。PNP管增強跟隨器的驅動能力。ICD與PNP組成穩壓模塊，保證V2電壓與V1相等。V1電壓為R8、R6對TL431輸出的分壓。選擇合適的阻值，U2可穩壓在一定的負值，保證輸入電流為4 mA時，輸出為0 V。ICC做運算放大器，放大倍數由R13、R14決定，ICC由TL431輸出的雙電源供電，可使輸出達到5 V。由于傳感器的誤差，可能導致輸入電流邊界值不準，可微調R6對零點進行校正，微調R13對滿度進行校正。對于重要電阻 R1、R6、R8、R13、R14，應采用精度為0.1‰的精密電阻。

信號調理電路輸出的0～5 V電壓需經AD采樣轉換為數字信號，可用ATMEGA128自帶的10位AD。0～1000 Pa的壓差與0～5 V電壓并非線性關系，需對它們的轉換進行分段線性化。本系統對壓差與電壓曲線分10段進行了線性化，以提高映射的精度。

2.2 電磁閥驅動與檢測

來自74LS595的對反吹電磁閥的控制信號采用光電隔離，經過零觸發后由可控硅輸出控制，電路圖如圖4所示。若此次需打開某反吹電磁閥，74LS595輸出的低電位信號通過光耦控制可控硅導通，將有220 V的交流信號通過互感線圈的原邊，即圖中所示的F1的1、2腳，驅動反吹電磁閥。

圖4 輸出與故障檢測電路Fig.4 Output and fault detection circuit

555定時器與三極管組成單穩態觸發器。當可控硅導通后，若電磁閥沒有故障，即有電流通過互感線圈F1，線圈3、4腳將有感應電流的脈沖，三極管導通，555定時器的觸發引腳被拉低一個窄脈沖，在555的輸出端產生一個寬的固定周期的方波，便于單片機讀取，以提高故障檢測的正確率。脈沖寬度約為Tw。單穩態觸發器波形圖如圖5所示，Tw≈1.1×C5×R25。

圖5 單穩態觸發器工作波形Fig.5 Monostable flip-flop signal waveform

單片機在Tw時間內執行10次讀操作。若有超過7次為低電平，則判斷該反吹電磁閥出現故障。這種機制有效提高了故障診斷的正確率。

2.3 以太網接口電路

一般多個控制器 （節點）與PC機組網采用RS485總線互聯，由于它是總線型拓撲結構，一個節點發生故障，整個網絡就無法通信，另外，當節點和PC機的距離超過1200 m，網絡傳輸的誤碼率也將顯著增加[3]，基于以上考慮，本系統采用基于以太網的方式進行組網，這種方式傳輸速率高、傳輸距離遠，可靠性高，且不用考慮沖突問題。

每個節點的以太網接口電路采用網絡模塊USR_TCP232_S實現，它集成了10/100 M自適應以太網接口，內部主要由MAX232、網卡芯片、微處理器及網絡變壓器組成。串口通信最高波特率高達230.4 kb/s。其硬件連接圖如圖6所示。

圖6 以太網接口電路Fig.6 Ethernet interface circuit

數據發送：單片機將需要發送到PC機的數據按照傳輸模式的格式打包，通過串口發送給USR_TCP232_S，USR_TCP232_S以以太網數據幀的格式通過交換機發送給PC機。

接收過程：USR_TCP232_S對PC機發送的以太網數據幀進行解析，將解析后的數據包通過串口發送給單片機。

在使用網絡模塊之前，須對模塊的本地IP地址、網關、傳輸模式等進行初始化配置[4]。

3 主要軟件設計

整個系統的軟件分為上位機軟件和下位機軟件2部分組成。

3.1 下位機軟件設計

下位機以設定的周期輪流開啟反吹電磁閥，并設定反吹電磁閥的導通時間，同時檢測壓差值和電磁閥的工作狀態。控制器選用單片機AVR ATMEGA128，在ICC AVR集成開發環境中采用C語言編寫程序。程序流程圖如圖7所示。

圖7 下位機軟件流程圖Fig.7 Program flow chart of computer software

程序初始化后，檢查壓差值是否高于報警值（初始值為900 Pa，可調），若高于報警值，報警并將反吹時間設為T2。若低于報警值，則檢查壓差值是否高于門限值（初始值為650 Pa，可調）。若高于門限值，反吹時間設為T2（初始值為0.6 s，可調），若低于門限值，反吹時間設為T1（初始值為0.3 s，可調）。反吹間隔時間到后，進行一次寫操作，將5字節的控制字串行輸出，隨后進行多次讀操作，判斷電磁閥工作狀態。經過間隔時間（初始值為600 s，可調）后，判斷是否驅動了最后一個電磁閥，如是，則重新開始驅動第一個電磁閥；不是，則驅動下一個電磁閥。

3.2 上位機軟件設計

本系統采用VC++進行上位機軟件設計，其本身提供了基于傳輸層TCP和UDP協議的網絡通信接口，方便設計。

傳輸層主要有TCP和UDP 2種工作模式。TCP模式是一種面向連接的傳送方式，在數據傳送前，雙方都必須建立連接，在收到對方的響應信號后啟動數據的傳輸，適用于點對點傳輸。UDP模式相對簡單，可以直接廣播數據，適合于和多點通信。本系統最終要實現多個反吹控制系統與PC機組網，屬于一對多通信，并且所有節點都在一個局域網內，數據吞吐量不大，很少發生丟包現象。因此本系統選擇UDP模式。

上位機向下位機通信數據主要包括：（1）控制參數數據包（報警壓差、門限壓差、電磁閥間隔時間、門限下反吹時間及門限上反吹時間等控制參數信息）；（2）系統參數數據包（電磁閥配置路數及系統時間配置信息）；（3）控制命令數據包（復位、啟動、停止、清除報警等命令信息）。

下位機向上位機通信數據主要包括：當前壓差值、當前系統工作狀態（工作、停止、報警）及當前電磁閥狀態（是否故障）。

4 結果及分析

4.1 系統控制效果

本系統在某制氧廠實施新的控制系統后，反吹氣量適中，實施后每2周檢查一次，持續3個月。系統自動檢查確認2次電磁閥故障并及時報警。滿足了工藝要求，使壓縮空氣得到了凈化，并延長了過濾器其他部件的更換周期。反吹系統運行穩定。

4.2 壓差數據檢測分析

經過多次實驗，部分壓差檢測數據如表1所示。

表1 壓力測量測試數據Tab.1 Test data of pressure measurement

由表1可以看出，本系統實現了對氣壓值的較高精度測量。基本誤差在±2.5%以內，完全滿足工藝要求。

5 結語

本系統采用新型智能電路設計，利用并串轉換芯片級聯的方式控制反吹電磁閥陣列，有效地提高了系統的擴展性；部分關鍵電路的設計方法保證了系統的穩定性；創新性地增加了系統的自檢功能，提高了系統的整體性能；以太網的接入也使得PC機可對多個控制器進行監視和控制。目前本系統已成功運用于工業過程控制中。

[1]王成玉.自潔式空氣過濾器無線控制系統[J].電腦知識與技術，2008，2（17）：76-77.

[2]賀桂芳.精密電壓調節器TIA31三種應用電路設計[J].山東科學，2006，19（1）：50-51.

[3]李紹文，韓元杰.8位低檔單片機與以太網的互聯[J].計算機工程與應用，2003，39（6）：157-160.

[4]于春華，石云波，趙贅.基于以太網的20路采編傳輸系統的設計[J].自動化與儀表，2014，29（12）：63-65.