高温沸腾炉控制系统设计成果

2023-12-04 理论教育版权反馈

【摘要】：采用嵌入式系统将提高系统性能。炉内温度系统是多变量、多耦合系统，根据对现场数据的观察与分析，沸腾炉控制变量耦合关系如表1所示。表1沸腾炉控制变量耦合关系简表图4是实测的一条控制曲线。

嵌入式高温沸腾炉控制系统设计

武汉东湖学院计算机科学学院　程学先

在原单片机高温沸腾炉控制系统基础上设计了采用SPCE3200精简开发板的嵌入式控制系统，从而加强了系统集成度，系统存储容量增加，传感器数据可以无线传入，同时采用液晶显示器显示工艺曲线，并允许通过触摸屏手工修改曲线，还增加了多媒体、通信等功能，使系统更加安全可靠，具有高适应性、易扩展性，有助于生产质量的提高。

一、引言

高温沸腾炉以煤粉为主要燃料实现工业现场所需高温。温度控制以煤和风两种手段为主，通过加煤使炉膛温度上升，通过加风使炉膛温度下降，二者结合控制温度变化以满足工艺需要。我们曾开发基于单片机的高温沸腾炉控制系统，对于提高生产效率与生产质量具有明显效益，但也存在问题：（1）很难使用数学模型来精确地描述整个燃烧过程，用经典PID控制无法满足工艺需要，采用模糊控制技术，又要求采集较大数量的参数且有较高精度，使用单片机有很大局限性；（2）某些场合需要采用无线数据传送方式，现有系统不能满足要求；（3）参数调整只能采用键盘加减方式，希望有可视化调整方式。采用嵌入式系统将提高系统性能。

二、硬件设计

系统输入信号包括炉膛温度、尾气温度、鼓风机风门位置（鼓风开度信号）、混合室温度、给煤机转速、鼓风风压、炉膛负压、引风风门开度及引风机开度信号；输出信号包括给煤变频器的模拟信号和变频器转速、鼓风开度、鼓风机电流、引风机电流、鼓风压力与炉膛负压控制等信号，及与上位机的通信信号。

实验系统选择凌阳SPCE3200精简开发板为系统控制模块，另外扩展TFT液晶接口模块（接TFT LCD触摸液晶屏）、无线传输模组、ZigBee、GPRS模组、音频输出模块、USB模块、看门狗电路、并行口扩展模块等，其结构如图1所示。

图1　高温沸腾炉控制系统硬件结构图

SPCE3200精简开发板有9路12位的ADC（A/D Converter），各路传感器采样信号经运算放大器放大后直接接各输入端；有双通道16位高速DAC，分别用于控制信号与语音信号的输出；内置SDDRAM最大容量可达16M字节，能满足本设计对数据的存储需要；内置UART接口及RS232电平转换电路，能直接实现与上位机的通信。

TFT LCD，即薄膜晶体管液晶显示器，设计用于显示主要参数与控制量变化曲线，还可以以触摸方式修正曲线走向，实现可视化参数调节。

ZigBee是一种无线网络协议，具有低功耗、易组网的特点。ZigBee模组可以采用SPI方式与主控制器通信，也可以实现与无线传感器的无线互联。

GPRS模组采用SIM300通讯芯片，利用无线移动网络实现语音传输和点对点数据传输；其内具备TCP/IP协议栈，可以直接利用它实现无线上网。模组使用标准的UART串行通信接口，可以与任何带有通用UART串行通信接口的控制器进行连接。它与音频输出模块协同工作可以实现与手机通信，当系统出现重大异常或有其他通信要求时可发送手机短信。

USB模块提供与U盘接口，可保存控制过程中输入与输出数据，用于控制过程分析及控制参数的修正。

由于采用嵌入式结构，可以自成系统，独立性较强，也可以比较容易地整合到ERP系统或CIMS系统中。予设的对上位机的接口，可以方便地连接打印机或与企业管理系统相联系。

三、系统软件设计

系统软件基于Linux系统，应用C++开发。

（一）系统软件模块构成

系统包括输入数据处理、输出控制计算、输出数据处理、显示与触摸数据处理、辅助程序等单元，详细模块构成如图2所示。

图2　系统软件模块结构

（二）控制流程

对于采集信号，先基于线性平均进行滤波；进而采用线性插值算法实现波形还原；对于不同的异常工作状态，采用不同的处理方式如图3所示。

图3　控制流程

（三）控制算法

高温沸腾炉系统对安全性与燃烧过程的稳定性要求很高，温度过低、燃烧效率低，一旦熄火，将严重影响产品质量；炉温过高，燃烧煤粉会因结焦成块而影响生产的安全性。传统的控制算法是直接数字控制系统算法（DDC），可以实现多路调节，监控软件包括实时调度管理程序和中断管理程序，对于主要参数的自动调节采用多路调节和简单自动控制技术。这样的算法动态响应慢，对于惯性大、滞后时间长、存在高时变性的本类系统，无法保证动态品质。

模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，是通过归纳操作人员和该领域专家的经验而建立的，算法简单、性能优良，有较强的鲁棒性。(www.chuimin.cn)

程序流程包括对采集的信号量剔除干扰值、预处理、平滑处理等得到，作为判断依据，再对这些值做以下三项处理：（1）判断这些值是否已经超过临界值，做相应的异常处理；（2）将数值显示在显示屏上供用户参考；（3）计算输出量，并从对应的线路上输出。

其中，计算输出量是核心问题。许多数据表明，沸腾炉在炉膛温度从850℃左右上升到930℃左右区间，如果给煤与送风过程比较稳定，炉膛温度模型可以认为是一个线性模型。但850℃—930℃这个区间并非固定，稳定的条件也很难保证，因而实际系统一般是非线性的。

本系统初始使用仿人点动模型（趋势预测模型），认为温度变化是按照某一条曲线进行的，可以按照某一精度将曲线用若干条线段进行模拟。在人工控制状态下，操作人员在温度偏低时，选择多加煤或者多减风操作；当温度上升到达一定的值时，加煤量开始减少（或者开始逐步的加风）。例如，温度在850℃时，可能通过仪表输出15mA的加煤输出量，温度迅速上升；当温度上升到了900℃—910℃左右时，控制输出量可能就开始逐步从15mA减少到14mA、12mA、10mA，这样，在温度继续上升至在980℃—1000℃左右就不再上升了。模拟这一过程，在求解预期温度时，在数学模型上表现为针对不同的动作（加/减煤，加/减风）求解在某一时刻所属区间的线段斜率。炉内温度系统是多变量、多耦合系统，根据对现场数据的观察与分析，沸腾炉控制变量耦合关系如表1所示。

表1　沸腾炉控制变量耦合关系简表

图4是实测的一条控制曲线。

图4　仿人点动模型原理示意

如果我们设定温差（E）的变化范围为[—6，6]，将其上连续变化的温差量分为8个级别：NL： -6附近，实际温度远远低于目标控制温度；NM： —4附近；NS：—2附近；NO：比零稍小，实际温度与目标控制温度稍低；PO ：比零稍大；PS ：2附近；PM：4附近；PL ：6附近，实际温度与目标控制温度高很多。

同样，选定给煤控制信号的变化范围为[—7，7]，将其上连续变化的给煤量（EC）分为7个档次：NL、NM、NS、ZE、PS、PM、PL。

根据实验与经验可以总结出如表2所示控制量（U）规则表。

表2　控制规则表：

根据该表，可以通过实验求得具体控制数据，并针对不同情况绘制相应曲线，形象地表现输入量与输出量之间的关系。系统设计了相应处理程序，允许用户经触摸屏在可视化环境下手工修改曲线，再通过逐渐逼近的方法，满足控制需求。

（四）异常处理程序模块

（1）热电偶的断偶报警。

（2）越限报警。

（3）自动控制失败自动跳出并转人工控制方式。

（4）自动复位。

（5）程序防飞处理。

四、结束语

本系统能满足高温沸腾炉的控制需求，具有如下特性：（1）系统有较高独立性，可以单独实施控制，也可以联网，可以进行系统整合，易维护、易扩展；（2）采用较大屏幕液晶显示屏可以显示当前与历史各分类曲线，可以人工修改曲线，利用自学习功能改变参数使能根据工艺需要实现更精确的控制，提高控温质量；（3）传感信息可以有线也可以无线接入，可以适应不同环境需求；（4）提供了多媒体功能，使系统有更高可用性。本系统可用于实际生产线，也可作学生学习参考。

【参考文献】

[1] 马明建，周长城.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2000.

[2] 李世勇.模糊控制、神经控制和智能控制论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996.

[3] 李少远，王景成.智能控制[M].北京: 机械工业出版社，2004.

[4] 管晓春.基于凌阳SPCE061A的嵌入式应用系统设计[J].电子产品世界，2008，187(2).

高温沸腾炉控制系统设计成果

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