一種基于單片機的低溫蒸汽發電機控制器的研究

肖艷軍　宋海平　張　賀　劉　蕊　劉玉香

(河北工業大學機械工程學院，天津　300001)

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一種基于單片機的低溫蒸汽發電機控制器的研究

肖艷軍宋海平張賀劉蕊劉玉香

(河北工業大學機械工程學院，天津300001)

針對目前低溫余熱蒸汽回收難度大的問題，開發了一種羅茨式蒸汽動力機，并以此為基礎設計了一套可移植、通用性強的模塊化嵌入式控制系統。模塊化設計的軟、硬件系統，既便于系統功能的擴展和裁剪，又便于系統的管理和維護。從總體結構方案、硬件設計以及軟件設計三個方面對其進行了具體闡述，通過相應的試驗研究，驗證了控制系統的可行性，也為下一步的樣機及其他類型發電機組的應用奠定了基礎。

低溫蒸汽發電羅茨蒸汽動力機嵌入式控制系統模塊化設計監控智能化串口通信CAN總線人機交互

0　引言

現有低溫余熱發電系統的動力機結構復雜，單位發電功率造價高，導致我國低溫能源回收效率偏低[1]。因此需要一種結構簡單、加工制造成本低、維護方便的發電設備來使用這些熱源或蒸汽品質極差的余熱資源。目前，主要研究熱點集中在以螺桿膨脹動力機為原型的發電設備上，通過對其進行優化設計或改造，使之適應這種低品質能源[2-3]。本課題利用羅茨式動力機驅動發電機產生電能，研發了一種可監控發電機工作狀況并進行智能調控的嵌入式控制器。該控制器采用模塊化設計，具有操作方便、控制簡單、易于推廣使用、可移植性強、通用性好、便于管理和維護等優點[4-5]。

1　總體設計

1.1被控裝置結構組成

該嵌入式控制系統用于對蒸汽動力機、增速機構和發電機進行調控，包括微處理器、電源模塊、編碼器、流量調節閥、監測儀、溫度傳感器、濕度傳感器、油泵、電機、控制面板、風扇、散熱管和油箱。所述增速機構安裝在蒸汽動力機與發電機之間。

1.2控制系統分析

由以上被控裝置組成的羅茨式蒸汽發電系統，其控制對象繁多、工藝過程復雜。運行過程中，需要實時采集壓力、溫度、流量等模擬量信號，并將模擬信號轉換成數字信號輸出。該控制裝置涉及多路模數轉換，要求系統具有較高的處理速度，以便實時監控機組工作狀態并進行快速反饋調節，從而保證輸出電壓的穩定性和設備的安全性。

本文在羅茨式蒸汽發電系統的基礎上，設計了一套可移植且通用性強的模塊化嵌入式控制系統。以使用簡單、擴展方便、可滿足發電機系統的各項功能需求和性能要求為原則，選取一款完全集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機C8051F040。C8051F040系統具有豐富的系統資源，其64個I/O引腳可按設計需要靈活編程配置。在分析發電系統的控制需求后，對C8051F040的系統資源進行了如圖1的規劃配置，以便進行系統硬件電路的設計。

軟、硬件系統采用模塊化設計，便于系統功能的擴展、裁剪，也便于系統的管理和維護。這種設計方法可將功能電路組成通用的功能模塊，使其具有可移植性。將系統設計變成功能模塊的選取和組裝，即將原有系統中集成設計的各個功能模塊拆解成一個個獨立的子功能模塊。各子功能模塊至少包含一種核心元器件或者電路，對內具有完整的功能，對外提供電源和信號連接的電氣接口。設計后的功能模塊經測試后，可快速應用到有相同要求并提供相同接口的嵌入式系統中。當電路出現故障時，其插接式、模塊化的設計方法，便于快速檢修并更換故障模塊，大大降低了對正常生產的影響。

圖1　處理器資源使用規劃框圖Fig.1　Block diagram of usage plan about processor resources

按照模塊化的設計思想，該嵌入式系統的硬件被分為以下幾個部分：核心處理器的選擇，基本電路設計，前向通道接口電路設計，后向通道接口電路設計，數據通道接口電路設計及通信接口電路設計。其中，前向通道接口電路是系統的信號輸入接口電路，負責變換不同種類和規格的傳感器信號，并將其轉換成能夠被MCU識別的電平或者模擬量信號。后向通道接口電路是系統輸出指令與執行機構之間的信號轉換電路，通常將電平信號及數字信號轉換為外部機構需要的電壓、電流或模擬量信號。系統需采集多個模擬量，由于蒸汽源的壓力和流量不穩定，因此，控制系統的模數轉換模塊及通信模塊成為系統設計的重點和難點。

2　系統硬件結構及各功能模塊的實現

基于模塊化設計方法，基板是各功能模塊連接的載體，其電氣接口應與各功能模塊相一致。為使整個系統的電氣接口相吻合，確保其一致性，采用先模塊后映射接口的設計方式。基板的主要作用是提供功能塊的固定位置和電氣接口底座。由于基板面積大，故可將電源線設計安排在基板上。根據電磁兼容性的設計原則，進行排布線。功能塊與基板間通過排針連接，基板與基板間通過排線進行連接，除應有的電氣連接外，還要通過螺栓柱將各個部分緊固地連接。按照類似的設計方法，制作完成整個嵌入式控制系統。根據羅茨蒸汽發電系統的控制功能要求，本文重點介紹了通信接口設計和模擬量接口設計這兩個主要模塊。

2.1通信接口設計

通信總線模塊是微處理器與外部進行數據交換的通道，包含三種通信接口，分別為RS-232、RS-485和CAN總線接口。各通信接口電路如圖2所示。

圖2　各通信接口電路Fig.2　Circuits of each communications interface

其中，RS-232接口與控制面板的觸控屏進行連接，RS-485接口通過總線與監測儀連接，CAN總線與工廠現場CAN總線連接。

2.1.1RS-232接口電路

RS-232接口電路在系統中主要用于與觸控屏通信，進行人機交互。MAX232CES是主要的電平轉換芯片。C8051F040單片機引腳輸出3.3 V高電平，因此需要考慮其邏輯電平的兼容性。根據MAXIM公司選型手冊可知，MAX232A為一款兼容型邏輯器件，輸入低電平為0.8 V，高電平為2.4 V，滿足兼容性要求。其RS-232接口電路如圖2(a)所示。

2.1.2RS-485接口電路

RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲問題，且無法抑制共模干擾，因此一般用于20 m以內的數據通信，而安裝位置等干擾因素使得RS-232不適用于現場儀表的通信。RS-485采用差分信號負邏輯，接口簡單、組網方便、傳輸距離遠，因此該嵌入式系統采用RS-485進行現場儀表及儀器的連接。RS-485接口電路如圖2(b)所示。電路采用兼容3.3 V邏輯電平的MAX485(ESA)芯片，電路設計參考MAX485使用數據手冊。

2.1.3CAN總線接口電路

CAN總線是一種有效支持分布式控制系統的串行通信網絡，具有很高的實時性能和應用范圍，從位速率最高為1 Mbit/s的高速網絡到低成本多線路的50 Kbit/s網絡都可以任意搭配[6]。為使羅茨式蒸汽發電機系統能獨立工作，且可與工廠網絡(CAN總線)連接成為分布式設備，根據系統資源，為其配備了CAN總線接口，CAN總線接口電路如圖2(c)所示。

2.2模擬量接口設計

C8051F040內置兩個12位的DAC通道，可通過軟件寫定時器的溢出信號更新DAC輸出；同時內置12位ADC、9通道輸入多路選擇開關以及可編程增益放大器。該ADC工作在100 Kbit/s的最大采樣速率時，可提供12位精度。

模擬量接口電路分為模擬量采集輸入的A/D轉換和數字量轉換輸出的D/A轉換,如圖3所示。圖3(a)為輸入接口，圖3(b)為輸出接口。由于模擬量輸入參考電壓使用內部2.4 V帶隙基準電壓，因此系統中的模擬量輸入采集電壓信號在0～2.4 V之間[6]。

根據公式Vout=Iin×R103來計算電阻R202與R201的阻值。電阻采用0.1%的高精度電阻，可以滿足工業現場應用。另外，在模擬量輸入端連接一個0.1 μF的濾波電容，可保護輸入通道不因極性反接而損毀，在入口處和濾波電容的旁路加裝二極管作為保護。

DAC模塊所使用的電壓基準采用外接5 V參考電壓電源，通過VREFD引腳和5 V電源相連，并在VREFD引腳與AGND之間接入0.1 μF和4.7 μF的旁路濾波電容[7]。

圖3　模擬量接口電路Fig.3　The analog interface circuit

3　系統軟件的設計與實現

3.1控制工藝的設計

將低壓蒸汽發電系統按照工作原理劃分成余熱回收、蒸汽發電、并網控制、冷卻潤滑和冷凝循環五個功能單元。實際的發電系統由其中幾個或者全部功能單元組成。為配合硬件系統功能的擴展和裁剪，軟件系統同樣按照功能單元進行設計，最后通過運行策略使之成為整體。五個被控單元中，蒸汽發電部分是重點、也是難點環節。本文以蒸汽發電單元為例，闡述其控制流程。

蒸汽發電原理如圖4所示。

圖4　蒸汽發電原理圖Fig.4　Principle of steam power generation process

在蒸汽發電環節，“廢氣”經過回收，由熱管余熱回收器生成低壓飽和蒸汽后進入蒸汽發電過程。該過程使蒸汽熱能膨脹做功，推動蒸汽動力機旋轉，從而帶動發電機工作。蒸汽發電環節被控對象信息如表1所示。

表1　蒸汽發電環節被控對象信息Tab.1　Controlled object information of steam power generation sector

蒸汽發電過程利用余熱回收工藝中產生的低壓飽和蒸汽膨脹做功發電。將做功后的蒸汽輸送至冷凝回收器，以便循環利用。發電機將產生的電能輸送至并網發電柜，由并網發電柜決定是否并網發電，同時發電機還接收并網發電柜回送的調節參數并進行調節。具體的蒸汽發電流程如圖5所示。

圖5　蒸汽發電流程圖Fig.5　Flowchart of steam power generation process

在調節過程中，首先關閉蒸汽旁路閥門，防止因泄壓造成的動力機入口蒸汽品質下降。在關閉蒸汽旁路閥門的同時，打開蒸汽入口調節閥，開度約為30%，使動力機緩慢啟動至快速運轉。在一段時間內，由于蒸汽做功，動力機出口處蒸汽溫度、壓力和流量的數值與入口處數值相比均會減小且差值保持在一定范圍內。如果差值超出該范圍，則可能導致動力機卡死或堵轉，此時系統會發出警報并進入保護程序；如果差值正常，系統接收并網發電柜發出的目標參數并自動進行電能調節。

電能自動調節定時采樣計算測速編碼器的頻率，得出當前電壓頻率，并讀取電能質量檢測儀的數值進行比較，結合調節目標參數確定目標值，通過PID運算得出控制度，作用于蒸汽入口調節閥，從而達到調節的目的[8]。對于控制工藝而言，不僅需實現其控制功能，更重要的是保證系統的安全，以提高使用性能、增強實用性和可維護性。整個系統的軟硬件均按照模塊化的方法進行設計，由于控制工藝是獨立的功能單元，無法實現完整的控制功能，因此需要通過系統運行策略設計合理的串接工藝，對各功能組統籌管理。

3.2人機交互及狀態監測

本嵌入式系統的人機交互及狀態監測系統使用昆侖通態監視與控制通用系統(montion and control generalted system,MCGS)的TPK1062HI型觸控屏作為交互系統的下位機，嵌入式系統本身作為上位機，兩者之間使用RS-232協議接口進行通信。在此人機交互系統中交換的信息復雜，但信息量較小，所以適合使用ASCII碼通信協議。完成硬件連接后，軟件部分需要從通信“幀”格式設計、“數據體”規劃、下位機腳本驅動程序設計、上位機解析函數設計這四個方面進行設置及程序編寫[9-10]。

系統運行中，需要實時顯示設備的工作狀態，以便進行管理和引導安全生產，人機交互系統是實現狀態顯示和人機對話的窗口。

4　試驗測試

4.1蒸汽和負載動平衡調節試驗

在余熱蒸汽進行發電的過程中，使用的主要是蒸汽流量波動大、壓力變化大的低品質蒸汽源。為了研究該發電系統對波動蒸汽和變化負載的適應能力，同時測試所設計的嵌入式系統的工作性能，設計了如下試驗。

通過C8051F040的PCA模塊以及高速脈沖信號接口電路，計數旋轉編碼器的反饋信號，定時采集發電機的轉速信號。通過PID控制器的運算，最終經DAC模擬量接口電路將控制值輸出給電動比例調節閥，以此構成閉環調節系統。采用任意調節手動閥門開度(在一定范圍內)的方式，模擬實際生產中的氣源波動。4.1.1波動蒸汽源的調節試驗

連接35 kW負載后，將手動調節閥完全打開，待發電系統穩定后再將閥門開度逐漸調小，調小后再將閥門開度增大，如此反復進行，以施加人工干擾。閥門開度調節效果如圖6所示。反復人工干擾下的PID調節曲線如圖6(a)所示；待發電系統穩定后對手動閥門實施較大幅度的干擾直至完全關閉，此時PID調節也隨之變得劇烈，大幅人工干擾PID調節曲線如圖6(b)所示。

圖6　閥門開度調節效果圖Fig.6　Regulating effects of valve opening

4.1.2變化負載的調節試驗

波動蒸汽源的調節試驗證明,該發電系統對波動的蒸汽源有較明顯的調節效果，那么其是否對變化的負載具有同樣的調節效果呢？計劃當發電機組在35 kW的負載下穩定運行時，將15 kW的負載迅速接入，由于負載突然增大，會對整個系統造成一定的沖擊，此時系統恢復平衡需要一定的時間。這個調節時間越短則說明系統對負載的沖擊響應越快，調節效果好；反之則說明調節效果差。經過試驗測試，已證實上述推斷，其變化負載的調節效果如圖7所示。

圖7　變化負載的調節效果圖Fig.7　Regulating renderings of load changes

負載的突然斷開同樣會對整個系統造成沖擊。由圖7可以看出，系統在突然加載時，所需調節時間約為5 s，而突然卸載的調節時間約為4 s，與蒸汽源波動調節效果相比要稍遜一些。

4.2試驗分析

第一組試驗說明羅茨-蒸汽發電機對壓力大于0.45 MPa、流量大于0.28 t/h的余熱蒸汽，具有一定的適應能力；第二組試驗說明羅茨-蒸汽發電機對50 kW及以下的負載，在一定壓力和流量的范圍內具有一定的適應能力。兩組試驗是對嵌入式系統的功能性測試，且證實了該嵌入式系統能夠完成對電壓質量調節的功能。

5　結束語

本文基于羅茨式蒸汽發電機系統的工作原理，進行了需求分析，并結合目前低壓蒸汽發電裝置的工作原理對需求進行了擴展，提出了低壓蒸汽發電裝置的嵌入式控制系統方案。為滿足不同低壓蒸汽發電系統的功能要求，同時控制開發成本，采用模塊化的設計方法對嵌入式系統的硬件進行開發設計，形成了模塊化、通用化、平臺化的模型；在軟件的設計中，按照模塊化工藝過程的方式，對控制軟件進行了設計開發，通過運行策略將整個控制過程整合起來。最后對該控制器進行了相應的試驗研究，驗證了控制系統的可行性，為下一步樣機及其他類型發電機組的應用奠定了基礎。綜上所述，系統滿足了低壓蒸汽發電裝置的控制需求，具有較高的可靠性、穩定性，在小型低壓蒸汽發電領域具有廣闊的應用前景。

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Study on the MCU-based Controller for Low Temperature Steam Generator

Aiming at the great difficulty in recovery of low temperature waste heat steam,a Roots-type steam power machine is developed,and based on it; a transplantable and versatile modular embedded control system is designed.The software and hardware that are designed modularly is easy to expand or trim the systematic functions,as well as is easy to manage and maintain the system.The overall structural scheme,hardware design and software design are elaborated specifically; furthermore,corresponding tests and research of the controller are done to verify the feasibility of the control system,thus laid foundation for the application of next prototype and other types of generators.

Low temperature steam generationRoots steam power machineEmbedded control systemModular designMonitoring and control IntellectualizationSerial port communicationCAN busHuman-computer interaction

肖艷軍(1976—)，男，2009年畢業于河北工業大學機械設計及自動化專業，獲碩士學位，副教授；主要從事智能檢測與控制技術、嵌入式控制技術方向的研究。

TH7;TP2

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610008

河北省自然科學基金資助項目(編號：E2013202230)。

修改稿收到日期：2015-01-05。