糠殼爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬林森 胡佳

摘要：糠殼爐主要用于米廠烘干系統(tǒng)，為烘干機(jī)提供穩(wěn)定的熱源。介紹了糠殼爐控制系統(tǒng)的總體框架、各個(gè)模塊和工作流程。上位機(jī)采用C#基于VS2008開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，下位機(jī)基于MD88模塊進(jìn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并采用熱電偶和溫度傳感器對(duì)爐溫和水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)?？刂品绞桨ㄊ謩?dòng)控制和自動(dòng)控制兩種，自動(dòng)控制下能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：糠殼爐；上位機(jī)；自動(dòng)控制；無(wú)人值守

中圖分類號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2018）12-0106-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.12.028

Abstract： Bran shell furnace is mainly used in drying system of rice factory. It provides stable heat source for the drying system. This paper has introduced the overall frame，module and workflow of the control system of bran shell furnace. The upper computer software is designed based on the VS2008 development environment. The lower computer is based on the MD88 module for control and state monitoring，and the thermocouple and temperature sensor are used for real-time detection of the furnace temperature and water temperature. Control methods include manual control and automatic control. Automatic control can achieve unattended. This system is stable and reliable.

Key words： bran shell furnace； upper computer； automatic control； unattended

爐子作為米廠烘干系統(tǒng)的熱源供給系統(tǒng)，在烘干過(guò)程中承擔(dān)著非常重要的角色。傳統(tǒng)的爐子自動(dòng)化程度不高，大多靠手動(dòng)去控制，并根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)去判斷燃燒情況。這樣就會(huì)造成人工成本增加，并且人工判斷有時(shí)會(huì)出現(xiàn)失誤，造成不必要的損失。傳統(tǒng)爐子大多采用煤作為燃料供給，而米廠在稻谷處理的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的稻殼，這些稻殼正好可以用來(lái)作為燃料，能夠節(jié)省原料成本?？窔t為米廠烘干系統(tǒng)提供熱源，并采用智能化的控制方法，為米廠節(jié)省了大量的人工和燃料成本。

該系統(tǒng)采用MD88模塊作為控制單元下位機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議。檢測(cè)爐溫和水溫采用熱電偶和溫度傳感器?？刂埔L(fēng)機(jī)和下料口振動(dòng)電機(jī)采用變頻器，能夠很好地調(diào)節(jié)風(fēng)量及下料頻率。上位機(jī)采用C#開發(fā)，開發(fā)環(huán)境基于VS2008，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用SQLserver2008。上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)讀取和保存、設(shè)備控制、故障報(bào)警等功能，集過(guò)程控制和科學(xué)管理于一體，具有可靠性高、控制性能優(yōu)越等特點(diǎn)，得到操作人員的認(rèn)可。

1 總體設(shè)計(jì)及功能概要

糠殼爐控制系統(tǒng)包括上位機(jī)控制軟件、MD88模塊、傳感器感知模塊、變頻控制模塊。通過(guò)各個(gè)模塊的分工和配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

1.1 上位機(jī)控制軟件

上位機(jī)控制軟件采用C#開發(fā)，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易操作。在界面上能夠?qū)Ω鱾€(gè)設(shè)備進(jìn)行單個(gè)控制和監(jiān)測(cè)，這些設(shè)備包括水泵、關(guān)風(fēng)器、引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火器和振動(dòng)電機(jī)。控制軟件能夠?qū)Ω鱾€(gè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)包括進(jìn)水口溫度、出水口溫度和煙道溫度。在進(jìn)行自動(dòng)控制前，要先對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)包括點(diǎn)火器關(guān)閉溫度、點(diǎn)火器重新開啟溫度、振動(dòng)電機(jī)開啟溫度、開始減料溫度、振動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)頻率、最大進(jìn)料頻率、引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)頻率、引風(fēng)機(jī)過(guò)渡頻率、引風(fēng)機(jī)穩(wěn)定頻率。軟件還具有一鍵點(diǎn)火和一鍵關(guān)火功能，一鍵點(diǎn)火后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制程序，無(wú)需人工干預(yù)。軟件還具備報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或出現(xiàn)其他異常時(shí)，軟件會(huì)報(bào)警并自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)。

1.2 MD88模塊

MD88模塊上面與上位機(jī)連接，接收上位機(jī)的命令，下面與各個(gè)設(shè)備連接，對(duì)各個(gè)設(shè)備發(fā)送命令并接收反饋信息。MD88模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議，能夠接受上位機(jī)的指令，輸出口外接繼電器，然后再和設(shè)備連接。MD88模塊連接的設(shè)備包括水泵、關(guān)風(fēng)器、鼓風(fēng)機(jī)和點(diǎn)火器。

1.3 傳感器感知模塊

傳感器感知模塊包括進(jìn)水口溫度傳感器、出水口溫度傳感器、煙道溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊。出水口溫度和煙道溫度是糠殼爐控制系統(tǒng)中最重要的兩個(gè)參考數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的出水口溫度和煙道溫度，改變輸出的引風(fēng)機(jī)頻率和振動(dòng)電機(jī)頻率。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并與上位機(jī)保持通信。

1.4 變頻器控制模塊

變頻器控制模塊包括引風(fēng)機(jī)、振動(dòng)電機(jī)和兩臺(tái)變頻器，變頻器直接和上位機(jī)進(jìn)行通信。通過(guò)變頻器能夠?qū)σL(fēng)機(jī)和振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行無(wú)間隔連續(xù)性地調(diào)節(jié)。引風(fēng)機(jī)一方面通過(guò)往爐體吹入大量空氣助燃，另一方面將爐體內(nèi)的稻殼吹散使稻殼更充分地燃燒，風(fēng)量過(guò)大稻殼燃燒充分，但是爐體大量熱量也會(huì)被帶走，風(fēng)量過(guò)小就會(huì)導(dǎo)致稻殼燃燒不充分。振動(dòng)電機(jī)控制著稻殼的下料速度，在自動(dòng)控制過(guò)程中，不同階段會(huì)設(shè)定不同的振動(dòng)頻率。

2 系統(tǒng)自動(dòng)控制流程

在系統(tǒng)開啟過(guò)程中，首先打開關(guān)風(fēng)器、鼓風(fēng)機(jī)和點(diǎn)火器，約10 s后，打開引風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)變頻器頻率設(shè)定為起始頻率，當(dāng)爐溫達(dá)到振動(dòng)電機(jī)開啟溫度，振動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)設(shè)定振動(dòng)電機(jī)頻率為啟動(dòng)頻率，并設(shè)定引風(fēng)機(jī)變頻器頻率為過(guò)渡頻率。當(dāng)爐溫達(dá)到260 ℃，關(guān)閉點(diǎn)火器，當(dāng)爐溫上升到300 ℃，開啟水泵。當(dāng)爐溫達(dá)到400 ℃，設(shè)定引風(fēng)機(jī)變頻器頻率為穩(wěn)定頻率。

隨著爐溫上升，出水口溫度也在上升，系統(tǒng)不斷地檢測(cè)并判斷爐溫和出水口溫度。當(dāng)出水口溫度大于88 ℃并且煙道溫度小于800 ℃，振動(dòng)電機(jī)變頻器頻率減1，若出水口溫度繼續(xù)上升至92 ℃，振動(dòng)電機(jī)變頻器頻率再減1，若出水口溫度達(dá)到94 ℃，關(guān)閉振動(dòng)電機(jī)和引風(fēng)機(jī)。當(dāng)爐溫達(dá)到800 ℃并且出水口溫度大于88 ℃，振動(dòng)電機(jī)變頻器頻率減2，爐溫若繼續(xù)上升至850 ℃，關(guān)閉振動(dòng)電機(jī)和引風(fēng)機(jī)。

在燃燒過(guò)程中，若是爐溫和水溫同時(shí)降低，當(dāng)爐溫在重新點(diǎn)火溫度和800 ℃間，并且出水口溫度在88 ℃以下，振動(dòng)電機(jī)變頻器頻率會(huì)被恢復(fù)為起始頻率，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)振動(dòng)電機(jī)和引風(fēng)機(jī)是否被關(guān)閉，若被關(guān)閉再重新啟動(dòng)。若是爐溫繼續(xù)下降，當(dāng)溫度降到點(diǎn)火器重新開啟溫度（默認(rèn)為200 ℃），振動(dòng)電機(jī)變頻器頻率加1。

在系統(tǒng)關(guān)閉過(guò)程中，首先關(guān)閉點(diǎn)火器和振動(dòng)電機(jī)，然后設(shè)定引風(fēng)機(jī)變頻器頻率為50 Hz，當(dāng)爐溫低于120 ℃時(shí)，關(guān)閉引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、關(guān)風(fēng)器和水泵。

3 糠殼爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用，良好的硬件設(shè)計(jì)將為整個(gè)系統(tǒng)的順利開發(fā)和后續(xù)控制功能的拓展奠定基礎(chǔ)?？窔t控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括設(shè)備控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、變頻器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、傳感器采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電路保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，糠殼爐控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。主要用到的硬件設(shè)備包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、MD88模塊、繼電器、數(shù)據(jù)采集模塊、熱電偶、溫度傳感器、變頻器、水泵、點(diǎn)火器、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、關(guān)風(fēng)器、振動(dòng)電機(jī)等。

3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊及傳感器系統(tǒng)

該系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集模塊為JTA108RM型號(hào)的8通道數(shù)據(jù)采集模塊，輸入信號(hào)為4～20 mA，通信方式采用485通信，采用Modbus通信協(xié)議。進(jìn)水口和出水口傳感器選用同樣的型號(hào)KEENYODA傳感器，能夠測(cè)量的水溫范圍是0～200 ℃，將測(cè)量的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)。采用的熱電偶為鎧裝熱電偶，測(cè)量范圍時(shí)-200～1 300 ℃，用于測(cè)量爐體內(nèi)的溫度。

3.2 MD88模塊控制系統(tǒng)

MD88模塊采用12 V供電，8通道開關(guān)量輸出，并且有輸入寄存器，可以將設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)反饋回來(lái)。MD88控制系統(tǒng)還配合繼電器進(jìn)行控制，每一路輸出都連接一個(gè)繼電器，然后再連接設(shè)備。通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，寫寄存器請(qǐng)求和讀寄存器請(qǐng)求協(xié)議格式分別如表1和表2所示。

3.3 變頻器

該系統(tǒng)變頻器選用JF1000G系列高性能矢量型變頻器，該款變頻器輸出頻率在0～600 Hz范圍內(nèi)，控制方式采用無(wú)PG矢量控制、V/F控制，速度控制精度在正負(fù)0.5%。頻率設(shè)定方式有4種：數(shù)字設(shè)定、模擬量設(shè)定、串行通信設(shè)定和PID設(shè)定。變頻器和上位機(jī)采用485通信，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議。

4 糠殼爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，所有的控制算法和操作都在上位機(jī)軟件完成。軟件控制方式有兩種：手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制可以對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)操作，自動(dòng)控制是一鍵點(diǎn)火后，所有操作都由軟件自己完成。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)分為參數(shù)設(shè)置、串口設(shè)計(jì)、設(shè)備控制設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制設(shè)計(jì)和故障報(bào)警設(shè)計(jì)，如圖2所示。

4.1 串口設(shè)計(jì)

該軟件是在Visual Studio 2008環(huán)境下開發(fā)設(shè)計(jì)的，該開發(fā)環(huán)境有自帶的串口控件SerialPort，該軟件是基于SerialPort控件與下位機(jī)進(jìn)行通信的。串口所要配置的參數(shù)包括串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位。

該軟件總共用4個(gè)串口與設(shè)備進(jìn)行通信，其中水泵、關(guān)風(fēng)器等設(shè)備采用串口一，熱電偶、溫度傳感器等采用串口二，引風(fēng)機(jī)采用串口三，振動(dòng)電機(jī)采用串口四。

串口自檢功能是為了方便操作人員識(shí)別串口設(shè)計(jì)的，當(dāng)點(diǎn)擊串口自檢按鈕，進(jìn)入串口檢測(cè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的串口號(hào)檢測(cè)出來(lái)，操作人員再手動(dòng)設(shè)置。

4.2 故障報(bào)警設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，如果出現(xiàn)設(shè)備故障或傳感器數(shù)據(jù)異常，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并進(jìn)入關(guān)火流程，煙道溫度或水溫過(guò)高，也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并進(jìn)入關(guān)火流程。在運(yùn)行過(guò)程中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并進(jìn)入關(guān)火流程。報(bào)警信息如表3所示。

5 小結(jié)

糠殼爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了米廠的實(shí)際需求，不僅能夠?qū)Ω鱾€(gè)設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理，還能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)爐溫，大大降低了人工成本。該系統(tǒng)還具備故障報(bào)警功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。上位機(jī)界面簡(jiǎn)單易操作，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

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