基于CAN總線的生物質(zhì)燃料鍋爐溫度集中控制研究

秦國(guó)棟++沈建明

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了將CAN總線應(yīng)用于生物質(zhì)燃料鍋爐溫度采集中的相關(guān)情況，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。因?yàn)镃AN總線可以方便組網(wǎng)，利用其主從機(jī)的工作方式，采集分散的鍋爐溫度，集中監(jiān)測(cè)和控制，方便管理，節(jié)省人工，并且成本比較低，有利于推廣。

關(guān)鍵詞：CAN總線；生物質(zhì)燃料；鍋爐；溫度

中圖分類號(hào)：TK223.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.091

生物質(zhì)燃料的來源比較廣泛，例如農(nóng)作物秸稈、鋸木屑、果樹枝和甘蔗渣均可生產(chǎn)為生物質(zhì)能源，所以，生產(chǎn)成本比較低。生物質(zhì)能源的碳來自于循環(huán)碳，可以認(rèn)為燃燒過程產(chǎn)生的二氧化碳排放為零排放，因此，它是一種綠色清潔能源，也是可再生能源。利用生物質(zhì)存在成本、技術(shù)等多方面的問題。目前，在適合我國(guó)大規(guī)模高效潔凈利用生物質(zhì)的技術(shù)中，最成熟的是直接燃燒技術(shù)，即將生物質(zhì)能源燃燒產(chǎn)生的能量用于集中供熱或者發(fā)電。由于生物質(zhì)鍋爐燃燒過程具有大慣性、純時(shí)滯、變參數(shù)的多輸入、多輸出等特點(diǎn)的復(fù)雜燃燒過程，這就要求控制器設(shè)計(jì)要非常精準(zhǔn)。控制器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是溫度的感知和控制。

在使用鍋爐的工廠里，溫度控制直接關(guān)系著產(chǎn)品的品質(zhì)，如果控制鍋爐溫度的設(shè)備過于簡(jiǎn)單，控制技術(shù)比較落后，就會(huì)浪費(fèi)燃料，有的可能會(huì)污染空氣。機(jī)械式儀表測(cè)量和人工定時(shí)記錄是比較傳統(tǒng)的設(shè)備檢測(cè)方式，這種方法不能實(shí)時(shí)采集溫度。因此，高效、實(shí)時(shí)地測(cè)量和監(jiān)控溫度成為鍋爐控制中的重要問題之一。

針對(duì)有效、實(shí)時(shí)監(jiān)控鍋爐爐膛內(nèi)膛溫度的問題，這里設(shè)計(jì)了一種基于CAN（Controller Area Network）總線的分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有超高溫采集、多點(diǎn)分式采集能力，且具備遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)和控制等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

鍋爐的溫度檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)采用CAN總線多點(diǎn)式主從機(jī)分布形式實(shí)現(xiàn)多路溫度采集，該系統(tǒng)是由主機(jī)模塊、CAN總線模塊、從機(jī)模塊、液晶顯示模塊、熱電偶采集模塊和報(bào)警模塊等部分組成的。鍋爐爐膛內(nèi)溫度由K型熱電偶采集模塊采集，溫度經(jīng)過從機(jī)AD轉(zhuǎn)換處理后通過液晶實(shí)時(shí)顯示爐膛當(dāng)前溫度。當(dāng)溫度超過設(shè)定的溫度上限或者下限時(shí)，報(bào)警模塊將報(bào)警，其中溫度的上限或下限可以通過從機(jī)的按鍵調(diào)節(jié)。從機(jī)將當(dāng)前溫度通過CAN總線發(fā)給主機(jī)，主機(jī)通過液晶顯示出所有爐膛的當(dāng)前溫度、平均溫度和溫差。當(dāng)任何一個(gè)爐膛溫度超過溫度閾值，系統(tǒng)的報(bào)警器將報(bào)警。CAN總線集中采集溫度，可以保證實(shí)時(shí)性，節(jié)省人力。

CAN總線可采用多主工作方式，但是，根據(jù)實(shí)際鍋爐溫度檢測(cè)的應(yīng)用要求，主機(jī)只負(fù)責(zé)收集各個(gè)從機(jī)的溫度信息，并且下達(dá)命令，從機(jī)不會(huì)控制其他從機(jī)，所以，工作人員選擇了單主機(jī)的工作方式。在實(shí)際應(yīng)用中，將主機(jī)放置在工廠的控制中心，從機(jī)距離主機(jī)1.3 km，設(shè)定的通信速度為50 kB/s，系統(tǒng)有3個(gè)從機(jī)，采用雙絞線作為通信網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)。每個(gè)從機(jī)都是個(gè)電鍋爐溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、熱電偶溫度傳感器、繼電器和液晶等，主要用來采集溫度信號(hào)，并根據(jù)主機(jī)命令控制它。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CAN總線收發(fā)器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的生物質(zhì)鍋爐從機(jī)的CAN控制器全部采用菲利普公司生產(chǎn)的SJA1000 CAN控制器，CAN收發(fā)器采用PCA82C250的，并在CAN控制器與收發(fā)器之間使用6N137進(jìn)行光電隔離，避免電磁干擾，增強(qiáng)其抗干擾能力。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

將SJA1000芯片的MODE引腳接高電平，這樣SJA1000將工作在INTEL模式，即外部中斷模式。SJA1000的復(fù)位引腳與專用復(fù)位芯片MAX706T的RESET引腳相連，實(shí)現(xiàn)全局復(fù)位。SJA1000芯片的RX1引腳與PCA-82C250的VREF引腳相連，這樣輸入比較器旁路功能就會(huì)被打開。該功能可縮短內(nèi)部延時(shí)，延長(zhǎng)通信距離。

2.2 SJA1000邏輯控制

SJA1000的控制命令由51單片機(jī)控制。這里單片機(jī)選擇STC89C51，采用地址線和數(shù)據(jù)總線復(fù)用的方式與SJA1000連接。SJA1000與單片機(jī)的連接如圖3圖所示。P0口作為數(shù)據(jù)和地址端口與SJA1000的AD連接，P2.0連接SJA1000的CS引腳，作為地址選擇。單片機(jī)的WR和RD作為讀寫信號(hào)與SJA1000讀寫引腳連接，ALE相連，作為地址和數(shù)據(jù)的區(qū)分信號(hào)，外部中斷連接，提供中斷服務(wù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的程序包括主機(jī)程序部分和從機(jī)程序部分。每個(gè)從機(jī)程序部分基本相同，只有每個(gè)機(jī)器的ID號(hào)有所區(qū)別，主要是方便主機(jī)識(shí)別從機(jī)，從機(jī)其他部分整體一致。主機(jī)和從機(jī)的軟件編譯是環(huán)境Keilu Vision4。

3.1 主機(jī)軟件部分設(shè)計(jì)

主機(jī)程序的整體流程如圖4A所示。上電后首先進(jìn)行液晶的初始化和CAN的初始化工作，還有外部中斷的初始化工作，CAN總線上的接收中斷即單片機(jī)的外部中斷源。這樣，可以利用CAN是否中斷來判斷從機(jī)有沒有發(fā)送數(shù)據(jù)。從機(jī)有發(fā)送數(shù)據(jù)，CAN總線的接收標(biāo)志將置為1，主程序通過CAN的接收標(biāo)志來判斷。如果接收標(biāo)志置于1，則說明接收到數(shù)據(jù)，然后判斷接收數(shù)據(jù)里面包含的從機(jī)ID號(hào)，判斷出是哪個(gè)從機(jī)的信息，然后再區(qū)分是什么溫度信息——實(shí)時(shí)溫度或平均溫度，最后將這些溫度信息顯示出來。當(dāng)從機(jī)的平均溫度超過事先設(shè)定的閾值時(shí)，蜂鳴器將發(fā)聲，表示警告。

3.2 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)的軟件流程如圖4B所示。從機(jī)上電后，同樣先進(jìn)行液晶的初始化、CAN的初始化和按鍵掃描等工作。從機(jī)設(shè)計(jì)了3個(gè)按鍵，其中，第一個(gè)按鍵功能是解除報(bào)警，同時(shí)當(dāng)作手動(dòng)報(bào)警使用；第二個(gè)按鍵功能是設(shè)置溫度的下限值；第三個(gè)按鍵功能是設(shè)置溫度的上限值。溫度由熱電偶負(fù)責(zé)采集，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)經(jīng)過CAN總線發(fā)送出去，單片機(jī)同時(shí)求出平均溫度和溫度偏差。平均溫度和溫度偏差在顯示器上顯示，同時(shí)，判斷是否超過閾值，超過閾值則報(bào)警。

4 結(jié)束語

本文采用CAN總線分布式監(jiān)控系統(tǒng)，將CAN總線應(yīng)用于鍋爐溫度采集中，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多鍋爐溫度信息的采集和控制，將不同區(qū)域的溫差降到最低，以實(shí)現(xiàn)對(duì)分散的鍋爐爐膛內(nèi)部溫度的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。該采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了超高溫采集、遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)和控制、多點(diǎn)分式采集等多個(gè)工程的實(shí)際問題，可以提高使用鍋爐制造產(chǎn)品的質(zhì)量，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，成本比較低，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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〔編輯：白潔〕