周建新　趙南生　于瑋

摘 要：針對(duì)我國(guó)鍋爐使用中的現(xiàn)實(shí)問題，介紹了一種基于遠(yuǎn)程監(jiān)視技術(shù)的電鍋爐溫控系統(tǒng)。在分析熱電阻PT100測(cè)溫原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了恒流源測(cè)量電路，并結(jié)合分段線性化、均值濾波等方法，有效提高了測(cè)量精度。將RS485總線技術(shù)應(yīng)用于本系統(tǒng)，既提高了鍋爐監(jiān)管的質(zhì)量，也節(jié)約了監(jiān)管成本。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)視；電鍋爐；熱電阻；溫度控制；RS485

中圖分類號(hào)：TP273.5

電鍋爐作為一種環(huán)保型鍋爐，具有體積小、熱效率高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)、生活的多個(gè)領(lǐng)域均有著廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的更新?lián)Q代以及管理理念的不斷提升，企業(yè)對(duì)鍋爐的性能要求越來(lái)越高。鍋爐溫度控制是生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的技術(shù)難題，由于被控對(duì)象具有非線性的特征，一直以來(lái)都是行業(yè)研究的熱點(diǎn)[1]。對(duì)于蒸汽鍋爐來(lái)說(shuō)，有效控制其內(nèi)膽的溫度是提升鍋爐安全性與經(jīng)濟(jì)性的主要途徑。本文介紹了一種基于遠(yuǎn)程監(jiān)視技術(shù)的電鍋爐溫控系統(tǒng)。在精確測(cè)量鍋爐溫度的同時(shí)，將數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線上傳到遠(yuǎn)端，以便于集中監(jiān)管，進(jìn)一步提高工業(yè)控制的自動(dòng)化程度。

1 熱電阻PT100測(cè)溫原理

熱電阻PT100作為一種穩(wěn)定性、抗沖擊性均較好的溫度傳感器，被廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量領(lǐng)域。在-200℃至600℃之間，PT100的阻值Rt與環(huán)境溫度t之間的關(guān)系可由下式表述：

其中，R0為PT100在0℃下的標(biāo)準(zhǔn)阻值100Ω，A=3.9×10-3℃-1，B=-5.8×10-7℃-2，溫度t采用攝氏溫標(biāo)[2]。由于本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定在0-100℃，因此在上述分段函數(shù)中，選取t大于0℃的部分。但溫度與阻值并非線性關(guān)系，考慮到B值較小，故將上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

其中，溫度t從0℃開始，每隔20℃，方程進(jìn)行一次端到端的線性擬合，即分段線性化處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

鍋爐溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由以下5個(gè)部分組成：測(cè)溫電路、溫控電路、RS485接口電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路。所有外圍電路均通過(guò)STC12C5620AD微控制器統(tǒng)一管理，由于芯片內(nèi)部集成了10位的ADC模塊，所以無(wú)需外接A/D轉(zhuǎn)換器便可對(duì)前端采集的溫度信號(hào)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)工作過(guò)程可描述為：傳感器將檢測(cè)到的爐內(nèi)溫度實(shí)時(shí)傳輸至微控制器進(jìn)行運(yùn)算，CPU根據(jù)初始設(shè)定的上下限溫度判斷當(dāng)前是否需要啟用溫控電路，當(dāng)溫度低于下限值時(shí)，溫控電路啟動(dòng)加熱，當(dāng)溫度高于上限值時(shí)，加熱器停止加熱，并伴有聲光提示，從而保證溫度在上下限之間波動(dòng)。當(dāng)前溫度值在由液晶顯示的同時(shí)還通過(guò)RS485總線傳輸至遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)快捷的信息匯集。

2.2 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

根據(jù)公式2中溫度與材料阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)測(cè)溫電路的核心工作就是測(cè)量PT100的電阻值。與電橋法相比，恒流源法更便于將電阻值轉(zhuǎn)化為電壓值，有利于電阻的測(cè)量。本系統(tǒng)采用LM134三端可調(diào)電流源芯片產(chǎn)生恒定電流，該芯片可適應(yīng)大范圍的動(dòng)態(tài)輸入電壓，輸出電流的調(diào)節(jié)區(qū)間在1μA到10mA，具有較強(qiáng)的噪聲抑制能力和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。測(cè)溫電路原理圖如圖2所示，LM134周邊的電流關(guān)系可表述為：

其中，Iset為輸出電流，Ibias為偏置電流，I1和I2分別為流過(guò)兩個(gè)設(shè)置電阻Rb1和Rb2的電流。由于LM134的溫度系數(shù)為+227μV/℃，而二極管的溫度系數(shù)為-2.5mV/℃，在室溫25℃條件下，當(dāng)Rb2/Rb1=10/1時(shí)，公式3可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為[3]：

Iset≈0.134V/Rb1 （4）

此時(shí)，恒流源整體表現(xiàn)出來(lái)的溫度系數(shù)為零，即構(gòu)成零溫漂的恒流源。

為了消除引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，采用三線制接法將PT100接入電路。如圖2所示，當(dāng)連接熱電阻兩端引線的材料、長(zhǎng)度及直徑一致時(shí)，有RLine1=RLine2=RLine3=RL。另一方面，由于與PT100級(jí)聯(lián)的前置放大器采用了具有高輸入阻抗、高共模抑制比的儀表放大器OP07，即可以認(rèn)為運(yùn)放輸入端近似于“虛斷”，因此得出下式：

解得： ，即消除了引線阻值對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

由于V1近似于OP07的正相輸入電壓，V2近似于其反相輸入電壓，適當(dāng)調(diào)整反饋電阻與平衡電阻的阻值，便能通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)2V2-V1，不但提高了運(yùn)算效率，也簡(jiǎn)化了軟件編程。

2.3 RS485接口電路設(shè)計(jì)

RS485是一種通信距離遠(yuǎn)、成本低、易維護(hù)的串行總線，一般只需要二根線便可傳輸數(shù)據(jù)，由于采用了平衡驅(qū)動(dòng)與差分接收相結(jié)合的方式[4]，因而具有良好的抗干擾性能。RS485接口電路原理圖如圖3所示，選用MAX485實(shí)現(xiàn)微控制器的TTL電平與RS485電平之間的轉(zhuǎn)換。為避免引入噪聲，引腳連接均通過(guò)光耦隔離，信號(hào)傳輸方向由控制器的P2.1引腳電平?jīng)Q定。RS485的兩個(gè)差分端口分別作上/下拉處理，以確?？偩€空閑時(shí)的電平狀態(tài)，同時(shí)跨接120Ω電阻進(jìn)行阻抗匹配，減少信號(hào)反射。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)初始化后，啟動(dòng)片內(nèi)ADC采集5次電壓信號(hào)，將均值濾波后的平均值作為測(cè)量值。測(cè)得的電壓除以恒流源設(shè)定電流即為PT100的電阻值，進(jìn)而查詢分度表獲得對(duì)應(yīng)的溫度值。加熱器根據(jù)當(dāng)前溫度，判斷是否需要開啟。所有動(dòng)作完成后，本地顯示溫度值，并通過(guò)串行總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)通過(guò)中斷實(shí)現(xiàn)，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，首先從RS485串行總線上接收地址幀，若地址幀有效，則接收命令幀，完成信息校驗(yàn)，否則丟棄該地址且中斷返回；只有當(dāng)校驗(yàn)結(jié)果正確時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)，否則返回主程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)與工業(yè)總線的有機(jī)結(jié)合是近年來(lái)智能儀表的發(fā)展趨勢(shì)，本文的研究?jī)?nèi)容是將兩者應(yīng)用于電鍋爐的溫控領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的人工操控相比，效率更高、成本更低。RS485總線的引入不但有利于信息上傳，也為后續(xù)組建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供了硬件平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)規(guī)?；亩帱c(diǎn)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通信距離約800m，滿足一般監(jiān)控領(lǐng)域的需求。

參考文獻(xiàn)：

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[4]郭慶亮.利用RS-485實(shí)現(xiàn)多路溫度測(cè)量[J].電子產(chǎn)品世界，2010（03）：42-44.

作者簡(jiǎn)介：周建新（1968-），男，后勤集團(tuán)主管，研究方向：鍋爐控制、機(jī)械工程及自動(dòng)化；趙南生（1967-），男，技師，本科，研究方向：機(jī)電一體化；通訊作者：于瑋（1986-），男，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。

作者單位：南通大學(xué) 后勤集團(tuán)，江蘇南通 226019；南通大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，江蘇南通 226019

基金項(xiàng)目：2014年南通大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：14Z006）。