陳長江，李世臣

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基于單片機的船舶鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

陳長江，李世臣

（大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

針對現(xiàn)代船舶鍋爐燃燒自動化控制系統(tǒng)的要求，提出一種基于P89V51RD2單片機的船舶燃油輔鍋爐燃燒的自動控制系統(tǒng)，設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件電路，編寫了軟件程序。使得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，可靠性提高，維護管理更方便，生產(chǎn)成本大大降低，體積更小，對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究具有參考價值。

自動控制 單片機 鍋爐

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，船舶自動化程度越來越高，鍋爐作為船舶重要的一部分，其燃燒系統(tǒng)的自動控制對于提高船舶和鍋爐的自動化具有很大的意義。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中多數(shù)是靠繼電器和接觸器等完成，其工作可靠性不高，維護管理也不方便。此外，PLC控制系統(tǒng)雖然可靠性較高，但價格昂貴，而且一旦出現(xiàn)故障必須返廠維修。以單片機為主控元件的自動控制系統(tǒng)不但能解決傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)可靠性低、維護困難等問題，而且價格更低，體積更小，維修更加方便。

2 船舶鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)概述

如圖1所示，船舶鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)包括鍋爐自動點火、自動停爐、燃燒強度自動控制和點火及燃燒過程中的安全保護[1]。當按下鍋爐啟動按鈕后，控制系統(tǒng)會按照既定的程序完成自動點火，并根據(jù)鍋爐的蒸汽壓力，自動完成對燃燒強度的自動控制。此外，當在各過程中出現(xiàn)任何故障時會自動采取相對應(yīng)的安全保護措施，并發(fā)出聲光報警提示輪機管理人員。

圖1 船舶鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)圖

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件電路板部分采用的是以P89V51RD2單片機為控制系統(tǒng)的主控元件[2]，其電路原理圖如圖2所示。

系統(tǒng)由四部分組成，單片機P0口和P2口通過ULN2803芯片控制各繼電器等開關(guān)量的動作，來控制水泵、油泵、風(fēng)機等電氣設(shè)備的工作。P3.4~P3.7通過AD694芯片控制風(fēng)、油門等模擬量的輸出，來控制供風(fēng)量和供油量的大小。風(fēng)壓、油壓和蒸汽壓力等模擬量通過TLC0838芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號送入單片機P1口。此外單片機通過以太網(wǎng)與上位機進行通信，將鍋爐燃燒過程的各信息送入上位機，以便集控臺的控制。

3.1 自動控制系統(tǒng)輸入部分

風(fēng)壓、油壓、油溫、水位、火焰探測器和蒸汽壓力等傳感器輸出的模擬量，在經(jīng)過信號變送器處理成0~5 V的直流電壓模擬量后與TLC0838芯片輸入接口相連接，TLC0838將這些模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號送入單片機的P1口，從而實現(xiàn)了外部信號的采集。TLC0838是帶有8路的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為32ms，可與單片機直接連接。

3.2 自動控制系統(tǒng)輸出部分

單片機的P0口和P2口用于輸出各種開關(guān)量，通過控制繼電器的動作來控制水泵、油泵、風(fēng)機、點火變壓器、點火電池閥、供油電磁閥、聲光報警燈等電器設(shè)備的工作狀態(tài)。由于單片機的IO口驅(qū)動能力有限，不足以驅(qū)動些電器設(shè)備的繼電器，故采用ULN2803芯片來進行驅(qū)動。ULN2803芯片能夠驅(qū)動8路大電流高電壓的繼電器、蜂鳴器等，其承受的灌電流可達500 mA，并且可與單片機直接連接，非常適用于單片機控制水泵、油泵等電氣設(shè)備的繼電器。

單片機的P3.4P~3.7用于控制供風(fēng)量和供油量的大小，以調(diào)節(jié)燃燒強度。P3.6輸出不同大小的數(shù)字量，該數(shù)字量經(jīng)過TLV5614芯片后比例的轉(zhuǎn)換成0~2 V的直流電壓模擬量輸出，輸出的電壓模擬量經(jīng)過AD694芯片轉(zhuǎn)換后比例輸出4~20 mA的直流信號，從而控制供風(fēng)量和供油量的大小。TLV5614芯片是一個具有四線串行接口的4路12位電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓由公式（1）給出：

其中V是基準電壓，在本系統(tǒng)中采用的V是1 V，data是單片機輸出的0~4095的數(shù)字量[3]。AD694是一種電壓-電流轉(zhuǎn)換器，它能將0~2 V的電壓信號轉(zhuǎn)換成4~20 mA的電流信號[4]。

圖2 硬件電路原理圖

3.3 控制系統(tǒng)與上位機通信部分

單片機可通過以太網(wǎng)與上位機進行通信，將鍋爐的蒸汽壓力、水位和報警等信息傳送到集控臺的上位機中，以便輪機員在集控臺通過上位機對鍋爐的控制。單片機與上位機通信采用的是廣州致遠電子生產(chǎn)的IPORT-1嵌入式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊，該模塊集成10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，具有TCP Server等多種工作模式，使單片機與上位機通信方便準確。

整個燃燒自動控制原理如圖2所示[5]。

3.4 鍋爐燃燒自動控制過程介紹

1) 鍋爐自動點火過程。

當按下點火啟動按鈕后，單片機P0和P2口控制風(fēng)機、油泵、霧化電機、噴油器電機啟動，輕、重油供油電磁閥斷電關(guān)閉，回油電磁閥通電打開，以使得燃油在管路中循環(huán)。P3口輸出信號控制風(fēng)門達到最大，進行預(yù)掃風(fēng)。預(yù)掃風(fēng)結(jié)束后，風(fēng)門關(guān)小，輕油回油電磁閥斷電，輕油供油電磁閥、點火變壓器、點火電磁閥通電，開始點火，并通過火焰探測器檢測點火是否成功，若成功則使重油供油電磁閥通電，重油回油電磁閥和輕油供油電磁閥斷電，并加大供風(fēng)量和供油量，若不成功則進行后掃風(fēng)之后結(jié)束點火并發(fā)出聲光報警。

圖2 鍋爐燃燒自動控制原理圖

2) 燃燒強度的自動控制

蒸汽壓力傳感器的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機，如果蒸汽壓力比設(shè)定的值小，則單片機P3口輸出更大的信號增加供風(fēng)量和供油量，增加燃燒強度；反之，如果蒸汽壓力比設(shè)定的值大，則單片機輸出較小的信號減小供風(fēng)量和供油量，降低燃燒強度。

3) 自動安全保護

當水位監(jiān)測器監(jiān)測到的水位信號低于設(shè)定的低水位時，P0口輸出信號控制使水泵電機運行，當監(jiān)測到水位信號低于危險水位時，P0口輸出控制信號使供油電磁閥斷電打開，P3口輸出控制信號將風(fēng)門開到最大進行后掃風(fēng)并發(fā)出聲光報警。當風(fēng)壓傳感器檢測到風(fēng)壓低于設(shè)定值時和火焰探測器檢測到爐膛熄火時，切斷供油，進行后掃風(fēng)并發(fā)出聲光報警。

4 自動控制系統(tǒng)軟件部分

控制系統(tǒng)的程序設(shè)計將實現(xiàn)自動點火、燃燒強度自動調(diào)節(jié)、水位調(diào)節(jié)和安全保護等功能。軟件部分由C51編程實現(xiàn)，程序包括主程序、上位機通信子程序、定時器中斷子程序、風(fēng)門調(diào)節(jié)子程序、油量調(diào)節(jié)子程序、各壓力溫度傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序和各電氣設(shè)備啟停子程序[6]。主程序流程圖如圖3所示。

5 結(jié)束語

以P89V51RD2單片機為主控元件的鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)不但解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可靠性低，維護困難等問題，而且使整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，價格更低，并且使燃燒工程風(fēng)油比例控制更加精確，使燃燒更加充分，降低了船舶運輸成本。

圖3 主程序流程圖

[1] 林業(yè)錦．輪機自動化[M]．大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2009.

[2] 胡漢才．單片機原理及其接口技術(shù)[M]．北京: 清華大學(xué)出版社, 2010.

[3] 樊向黨,孫文林,王海軍. TLV5614串行DA轉(zhuǎn)換器與51內(nèi)核單片機的接口設(shè)計[J]. 儀表技術(shù), 2006, (1): 67-68.

[4] 付金龍, 朱林劍. 電壓/電流轉(zhuǎn)換器AD694原理及應(yīng)用[J]. 電測與儀表, 2000, (11): 51-53.

[5] 黃義新, 方怡冰. 基于單片機的船舶輔助鍋爐智能控制系統(tǒng)[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2002, (1): 53-56.

[6] 李寒林, 黃玉燕, 林金表. 自動化機艙輔鍋爐的單片機控制[J]. 集美大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006,(1): 71-74.

Ship Boiler Combustion Control System Based on MCU

Chen Changjiang, Li Shichen

（Marine Engineering College of Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China）

TP273

A

1003-4862（2013）10-0013-03

2013-03-07

陳長江（1990-），男，研究生。 研究方向：輪機自動化。