嵌入式高温沸腾炉控制系统设计

嵌入式高温沸腾炉控制系统设计

摘要：基于单片机的高温沸腾炉控制系统已经成型。现利用SPCE3200嵌入式系统促其升级，加强系统集成度，传感器数据可以无线传入。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，增加了多媒体、通信等功能，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。

关键词：嵌入式；自动控制；模糊控制；高温沸腾炉

0引言

单片机是工业控制中大量使用的前端控制器，应用嵌入式系统常可实现升级。高温沸腾炉以煤粉为燃料，实现工业现场所需高温，通过加煤使炉膛温度上升，通过加风使炉膛温度下降，通过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，存在如下问题：①很难使用数学模型来精确地描述整个燃烧过程，采用模糊控制技术，要求采集较大数量的参数且有较高精度，使用单片机有局限性^[1]；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方式，不能用可视化调整方式，曲线不够光滑。采用嵌入式系统可解决上述问题。

1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，及与上位机通信信号。

新系统选择凌阳SPCE3200系统为主控模块，扩展TFT液晶接口模块（包括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。

SPCE3200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^[4]。

TFT LCD（薄膜晶体管液晶显示器）用于显示主要参数与控制量变化曲线，还可以触摸方式修正曲线走向，可视化实现参数的平滑调节。

ZigBee无线网络协议具有低功耗、易组网的特点。利用ZigBee 模组采用SPI方式与主控制器通信，可以实现与无线传感器无线互联。

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的数据，用于控制过程分析及控制参数的修正。

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。

2系统软件设计

系统软件基于Linux系统，应用C++开发。

2.1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。

2.2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。

2.3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^[3]。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^[2]。

程序流程包括：对采集的信号量剔除干扰值、预处理、平滑处理等得到判断依据；再做以下3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℃左右区间内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（或者开始逐步地加风）；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，当温度继续上升时，在980℃～1 000℃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。

3结语

本系统能满足高温沸腾炉的控制需求，具有以下特性：①系统有较高独立性，可以单独控制、可以远程控制，易维护、易扩展；②通过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，系统可用性较高。

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（8）.