光伏硅片燒結(jié)爐加熱燈保護(hù)系統(tǒng)

呂晗　潘翻　覃子明

摘要：本設(shè)計以STC12C5A60S2作為控制核心，以MH912為檢測模塊，以MODBUS 協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了光伏硅片燒結(jié)爐加熱燈保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計。實現(xiàn)了對光伏硅片燒結(jié)爐加熱燈電流的實時顯示，報警預(yù)設(shè)，聲光報警。系統(tǒng)能夠?qū)?5 路燈管電流值進(jìn)行測量，將檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后時時的顯示在液晶屏上；液晶屏作為人機交互界面可以對15路燈管的電流報警閾值進(jìn)行設(shè)定；在電流過載時具有聲光報警功能。

關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2；MODBUS；光伏硅片燒結(jié)爐

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0179-02

由于科技的發(fā)展，需要越來越多的能源。然而石油能源是越用越少的，并且污染還大。所以現(xiàn)階段急需要發(fā)展可再生的，對環(huán)境無污染的綠色能源，諸如風(fēng)能，潮汐能，水力發(fā)電的重力勢能，太陽能等等。電能有使用方便，傳輸方便等特點，可以用水力來發(fā)電，可以用潮汐能、火力發(fā)電，還可以用太陽能發(fā)電。而太陽能發(fā)電離不開光伏硅片。光伏硅片燒結(jié)爐在加熱過程中燈光可能會出現(xiàn)過流，或者斷路現(xiàn)象。這些將影響著加工光伏硅片的成功率。所以我要介紹的是在制作光伏硅片的過程中燒結(jié)爐中加熱燈的電流保護(hù)裝置的設(shè)計。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本文所設(shè)計的系統(tǒng)硬件主要由核心的控制模塊、電流檢測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和HMI（人機接口）串口屏。各模塊方案設(shè)計如下：

1.1 核心控制模塊

核心控制模塊主要的工作是解析檢測到的燈管電流數(shù)據(jù)。通過解析的15組燈管電流數(shù)據(jù)，判斷燈管是否工作在正常狀態(tài)；非正常狀態(tài)下會進(jìn)行聲光報警；核心控制模塊通過串口與串口觸摸屏和電流檢測模塊進(jìn)行信息交互。由于單片機運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點[3]；根據(jù)控制要求所用控制器必須有雙串口，有一定的數(shù)據(jù)處理能力，因此采用STC12C5A 60S2作為系統(tǒng)控制器。

1.2 電流檢測模塊

一臺光伏硅片燒結(jié)爐具有10根左右的加熱燈管，燈管的額定電流是2A。因此電流檢測模塊必須滿足10路以上的輸入，額定電流必須大于2A。綜合考慮最終選用MH912智能型單相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊，MH912系列是一款智能型單相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊，這個模塊可以準(zhǔn)確測出每一路的電流，有功功率，視在功率功率因數(shù)等參數(shù)。本設(shè)計用到的是MH912-15采集的數(shù)據(jù)為15路電流的實時電流值，支持的最高電壓是3x220V和支持的最高電流值為15x10A（即檢測的電流最大為每一路10A）。正常工作時的電壓為直流5V到24V之間。輸出數(shù)據(jù)為RS-485總線接口的數(shù)字信號，并且能使用MODBUS協(xié)議。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

STC12C5A60S2不支持485通信，因此需要將串口的TTL信號轉(zhuǎn)換成485的差分信號。RSM485HT系列隔離高低電壓收發(fā)器的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，集成電源隔離電路、電氣隔離電路、RS-485是集成了電路和總線保護(hù)器的芯片模塊模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)UART-485收發(fā)的自動轉(zhuǎn)換。

1.4 HMI串口屏

上位機需要夠?qū)缶拈撝颠M(jìn)行設(shè)定，能夠?qū)﹄娏鲌缶臒暨M(jìn)行高亮顯示。因此選用HMI串口屏（人機接口）屏，其主要是一塊7寸的分辨率為480x800的觸摸屏，通編程軟件可以對HMI界面進(jìn)行編輯，可以對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的邏輯判斷，能夠通過串口通信實現(xiàn)與其他設(shè)備的交互，具有4096色，帶字庫。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

以單片機作為控制系統(tǒng)的核心，其相關(guān)電路主要包括單片機主控制電路、晶振震蕩電路、上電和按鍵復(fù)位電路、輸出、輸入的擴展接口、以及供單片機及負(fù)載所用電能的電路，系統(tǒng)硬件圖如圖1所示。電流檢測模塊MH912電路分別是MH912與RSM485的接線和RSM485與單片機的接線。TJC8048T070_011作為系統(tǒng)的輸入以及顯示部分，MH912作為電流采集部分，MH912以MODBUS為協(xié)議通過RSM-485總線與單片機12C5A60S2相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主控程序設(shè)計

主控程序軟件分為五個部分來編寫。第一部分是對用到的串口1和串口2初始化，用來產(chǎn)生兩個不同的通信波特率；串口一用來與上位機屏幕通信，串口二用來與電流檢測模塊進(jìn)行通信的；并對此編寫了串口通信函數(shù)組。第二部分是與電流檢測模塊的modbus通信部分，Modbus網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。Modbus網(wǎng)絡(luò)只有一個主機，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實際所支持的從機數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個系統(tǒng)，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務(wù)。包括發(fā)送數(shù)據(jù)格式化和對接收數(shù)據(jù)校驗及解析；MODBUS的通信協(xié)議是一個包含了請求信息和應(yīng)答信息于一體的通信協(xié)議，首先通過crc校驗保證獲取正確的modbus數(shù)據(jù)，設(shè)定如果無法獲取正確的數(shù)據(jù)就再次發(fā)送查詢信號，直至接收到正確的數(shù)據(jù)。

第三部是數(shù)據(jù)處理部分，包括斷路檢測、電流超值報警和恢復(fù)消除報警三個子模塊；對于這部分?jǐn)?shù)據(jù)的判斷采用多次數(shù)據(jù)采樣與標(biāo)定值對比確定當(dāng)前電流狀態(tài)，當(dāng)處于報警狀態(tài)時會觸發(fā)聲光報警，并會在檢測到正常時自動取消聲光報警。第四部分是與上位機HMI串口屏的交互函數(shù)，包括解析處理數(shù)據(jù)及接收來自上位機的數(shù)據(jù)，格式化并發(fā)送數(shù)據(jù)處理得到的電流數(shù)據(jù)。第五部分是部分中斷處理函數(shù)，主要是定時器中斷和串口中斷處理函數(shù)，在定時器中斷中設(shè)定每隔10ms計數(shù)標(biāo)志加一，以此來計算時間；串口中斷則用來處理與上位機屏幕和modbus通信的基本數(shù)據(jù)，每當(dāng)有數(shù)據(jù)傳入的時候會自動進(jìn)入串口中斷來接收數(shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)放入到一個全局?jǐn)?shù)組中，通過全局?jǐn)?shù)組實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在整個程序中的數(shù)據(jù)傳遞，具體流程圖如圖2。

3.2 HMI界面設(shè)計

通過USART HMI軟件對串口HMI界面進(jìn)行編輯，先準(zhǔn)備好背景照片兩張，一張燒結(jié)爐燈管電流檢控界面圖，一張普通的圖片，這里注意圖片的大小為800X480。打開USART HMI軟件點擊新建然后保存到自己新建的文件夾里，選擇串口屏的型號TJC848T070 _011，點擊圖片按鈕，然后按添加選擇存放圖片的文件夾。圖片最好放在工程同一個文件夾下。然后添加字庫，點擊工具-字庫制作-字高16-編碼gb2312所有字符生成字庫。添加剛才生成字庫，步驟跟添加圖片一樣。HMI程序設(shè)計包涵兩部分，一部分是工作狀態(tài)下HMI的顯示界面，這里需要能夠顯示15路以上的燈管電流情況，并且能夠進(jìn)行實時刷新，對于報警和斷路的燈管能夠高亮顯示；另一部分是對過載電流的報警設(shè)置，要求在設(shè)置界面能夠?qū)γ恳宦冯娏鞯倪^載值進(jìn)行設(shè)定，以保證檢測設(shè)備的擴展性。

4 系統(tǒng)測試方案及結(jié)果

4.1 采樣標(biāo)準(zhǔn)的確定

通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，在檢測電流斷路時如果超過20次檢測的數(shù)據(jù)都是0時，則可以判定這時燒結(jié)爐燈管發(fā)生了斷路情況，低于20的情況則可能時發(fā)生了數(shù)據(jù)監(jiān)測的失誤，予以忽略。

4.2 HMI交互界面

在圖3中可以看到總共可以進(jìn)行24路電流檢測，并可以通過左上角的Set Time來設(shè)置燒結(jié)爐的電流閾值；跳轉(zhuǎn)后可以通過彈出的界面進(jìn)行設(shè)置，請輸入最大額定電流來設(shè)定每每一路電流的最大閾值。

4.3 測試結(jié)果分析

通過實際測試，光伏硅片燒結(jié)爐加熱燈保護(hù)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的檢測出燈管的斷路、警報電流并能夠進(jìn)行聲光報警。本由測試結(jié)果可見，系統(tǒng)性能達(dá)到了所設(shè)計的指標(biāo)。

5 結(jié)語

本文以STC12C5A60S2為控制核心，以MH912為電流檢測模塊，能夠準(zhǔn)確的檢測光伏硅片燒結(jié)爐燈管的電流狀況，以Modbus通信為紐帶，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確傳輸；結(jié)合有效的數(shù)據(jù)處理方式，能夠精確的判定燈管的工作狀態(tài)；并且繪制了上位機界面，實現(xiàn)了時時清晰準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)顯示，并能通過設(shè)定電流閾值實現(xiàn)可靠高效的人機交互。通過理論分析和實驗驗證，光伏硅片燒結(jié)爐加熱燈保護(hù)系統(tǒng)能夠獲得良好的保護(hù)效果，在實際工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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