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(jì)以STC12C5A60S2作為控制核心，以MH912為檢測(cè)模塊，以MODBUS 協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了光伏硅片燒結(jié)爐加熱燈保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏硅片燒結(jié)爐加熱燈電流的實(shí)時(shí)顯示，報(bào)警預(yù)設(shè)，聲光報(bào)警。系統(tǒng)能夠?qū)?5 路燈管電流值進(jìn)行測(cè)量，將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后時(shí)時(shí)的顯示在液晶屏上；液晶屏作為人機(jī)交互界面可以對(duì)15路燈管的電流報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)定；在電流過(guò)載時(shí)具有聲光報(bào)警功能。

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

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

由于科技的發(fā)展，需要越來(lái)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(duì)環(huán)境無(wú)污染的綠色能源，諸如風(fēng)能，潮汐能，水力發(fā)電的重力勢(shì)能，太陽(yáng)能等等。電能有使用方便，傳輸方便等特點(diǎn)，可以用水力來(lái)發(fā)電，可以用潮汐能、火力發(fā)電，還可以用太陽(yáng)能發(fā)電。而太陽(yáng)能發(fā)電離不開(kāi)光伏硅片。光伏硅片燒結(jié)爐在加熱過(guò)程中燈光可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)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(guò)程中燒結(jié)爐中加熱燈的電流保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件主要由核心的控制模塊、電流檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和HMI（人機(jī)接口）串口屏。各模塊方案設(shè)計(jì)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(cè)到的燈管電流數(shù)據(jù)。通過(guò)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(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警；核心控制模塊通過(guò)串口與串口觸摸屏和電流檢測(cè)模塊進(jìn)行信息交互。由于單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)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(diǎn)[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(cè)模塊

一臺(tái)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(cè)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(gè)模塊可以準(zhǔn)確測(cè)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(jì)用到的是MH912-15采集的數(shù)據(jù)為15路電流的實(shí)時(shí)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(cè)的電流最大為每一路10A）。正常工作時(shí)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(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換成485的差分信號(hào)。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(dòng)轉(zhuǎn)換。

1.4 HMI串口屏

上位機(jī)需要夠?qū)?bào)警的閾值進(jìn)行設(shè)定，能夠?qū)﹄娏鲌?bào)警的燈進(jìn)行高亮顯示。因此選用HMI串口屏（人機(jī)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(duì)HMI界面進(jìn)行編輯，可以對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯判斷，能夠通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的交互，具有4096色，帶字庫(kù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，其相關(guān)電路主要包括單片機(jī)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(kuò)展接口、以及供單片機(jī)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(cè)模塊MH912電路分別是MH912與RSM485的接線和RSM485與單片機(jī)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(guò)RSM-485總線與單片機(jī)12C5A60S2相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控程序設(shè)計(jì)

主控程序軟件分為五個(gè)部分來(lái)編寫。第一部分是對(duì)用到的串口1和串口2初始化，用來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)不同的通信波特率；串口一用來(lái)與上位機(jī)屏幕通信，串口二用來(lái)與電流檢測(cè)模塊進(jìn)行通信的；并對(duì)此編寫了串口通信函數(shù)組。第二部分是與電流檢測(cè)模塊的modbus通信部分，Modbus網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過(guò)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(guò)程監(jiān)控。Modbus網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)主機(jī)，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個(gè)之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個(gè)系統(tǒng)，各PC可以和中心主機(jī)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(duì)接收數(shù)據(jù)校驗(yàn)及解析；MODBUS的通信協(xié)議是一個(gè)包含了請(qǐng)求信息和應(yīng)答信息于一體的通信協(xié)議，首先通過(guò)crc校驗(yàn)保證獲取正確的modbus數(shù)據(jù)，設(shè)定如果無(wú)法獲取正確的數(shù)據(jù)就再次發(fā)送查詢信號(hào)，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(cè)、電流超值報(bào)警和恢復(fù)消除報(bào)警三個(gè)子模塊；對(duì)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(duì)比確定當(dāng)前電流狀態(tài)，當(dāng)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警，并會(huì)在檢測(cè)到正常時(shí)自動(dòng)取消聲光報(bào)警。第四部分是與上位機(jī)HMI串口屏的交互函數(shù)，包括解析處理數(shù)據(jù)及接收來(lái)自上位機(jī)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(shí)器中斷和串口中斷處理函數(shù)，在定時(shí)器中斷中設(shè)定每隔10ms計(jì)數(shù)標(biāo)志加一，以此來(lái)計(jì)算時(shí)間；串口中斷則用來(lái)處理與上位機(jī)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(shí)候會(huì)自動(dòng)進(jìn)入串口中斷來(lái)接收數(shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)放入到一個(gè)全局?jǐn)?shù)組中，通過(guò)全局?jǐn)?shù)組實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在整個(gè)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(jì)

通過(guò)USART HMI軟件對(duì)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(kāi)USART HMI軟件點(diǎn)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(hào)TJC848T070 _011，點(diǎn)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(gè)文件夾下。然后添加字庫(kù)，點(diǎn)擊工具-字庫(kù)制作-字高16-編碼gb2312所有字符生成字庫(kù)。添加剛才生成字庫(kù)，步驟跟添加圖片一樣。HMI程序設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)刷新，對(duì)于報(bào)警和斷路的燈管能夠高亮顯示；另一部分是對(duì)過(guò)載電流的報(bào)警設(shè)置，要求在設(shè)置界面能夠?qū)γ恳宦冯娏鞯倪^(guò)載值進(jìn)行設(shè)定，以保證檢測(cè)設(shè)備的擴(kuò)展性。

4 系統(tǒng)測(cè)試方案及結(jié)果

4.1 采樣標(biāo)準(zhǔn)的確定

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在檢測(cè)電流斷路時(shí)如果超過(guò)20次檢測(cè)的數(shù)據(jù)都是0時(shí)，則可以判定這時(shí)燒結(jié)爐燈管發(fā)生了斷路情況，低于20的情況則可能時(shí)發(fā)生了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(cè)，并可以通過(guò)左上角的Set Time來(lái)設(shè)置燒結(jié)爐的電流閾值；跳轉(zhuǎn)后可以通過(guò)彈出的界面進(jìn)行設(shè)置，請(qǐng)輸入最大額定電流來(lái)設(shè)定每每一路電流的最大閾值。

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)際測(cè)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(cè)出燈管的斷路、警報(bào)電流并能夠進(jìn)行聲光報(bào)警。本由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，系統(tǒng)性能達(dá)到了所設(shè)計(jì)的指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以STC12C5A60S2為控制核心，以MH912為電流檢測(cè)模塊，能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)光伏硅片燒結(jié)爐燈管的電流狀況，以Modbus通信為紐帶，實(shí)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(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了時(shí)時(shí)清晰準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)顯示，并能通過(guò)設(shè)定電流閾值實(shí)現(xiàn)可靠高效的人機(jī)交互。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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