何金鳳

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山063299）

隨著國家制定“碳中和”環(huán)保目標(biāo)，各地方對環(huán)保的要求越來越高。在鍋爐領(lǐng)域內(nèi)，鍋爐燃燒產(chǎn)生的有害氣體對環(huán)境的污染很嚴(yán)重，國家為了治理這方面的污染，近幾年出臺了很多關(guān)于燃煤鍋爐改造的新政策。但是在有些區(qū)域，沒有谷峰電政策，不太適合用電取暖，同時(shí)燃?xì)廨斔鸵膊环奖?，因此以再生能源為燃料的生物質(zhì)鍋爐成為了最佳選擇。生物質(zhì)鍋爐燃燒的燃料為生物質(zhì)顆粒，生物質(zhì)顆粒是利用木材廢料經(jīng)過加工制成的環(huán)保燃料，該燃料符合國家的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。隨著生物質(zhì)鍋爐越來越多，市場上出現(xiàn)了多種生物質(zhì)鍋爐的控制器，其基本原則就是實(shí)現(xiàn)對生物質(zhì)鍋爐控制的智能化、節(jié)能化。筆者根據(jù)生物質(zhì)鍋爐的原理以及市場對生物質(zhì)鍋爐控制器的要求，以生物質(zhì)熱風(fēng)爐為研究對象，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)控制的生物質(zhì)熱風(fēng)爐控制器。該控制器經(jīng)過嚴(yán)格的市場調(diào)研，吸收了現(xiàn)有的生物質(zhì)熱風(fēng)爐控制器的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化升級了控制方式，增加了控制功能，降低了成本，更加有利于實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的節(jié)能環(huán)保和市場推廣。

1 生物質(zhì)熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 生物質(zhì)熱風(fēng)爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

生物質(zhì)鍋爐是以生物質(zhì)顆粒為燃料的鍋爐，通常分為生物質(zhì)熱水爐、生物質(zhì)熱風(fēng)爐等多個(gè)種類。本文以生物質(zhì)熱風(fēng)爐為研究對象，生物質(zhì)熱風(fēng)爐工作原理是鍋爐燃燒生物質(zhì)顆粒產(chǎn)生熱量，熱量經(jīng)過換熱片產(chǎn)生熱氣，然后由風(fēng)機(jī)以可調(diào)的風(fēng)量排到室內(nèi)，使室內(nèi)房間溫度升高。生物質(zhì)熱風(fēng)爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由爐體、爐體承載滾輪、燃燒池和點(diǎn)火裝置、排煙和進(jìn)風(fēng)裝置、熱風(fēng)排風(fēng)裝置、生物質(zhì)顆粒料倉和送料裝置等組成[1]。

1.2 生物質(zhì)熱風(fēng)爐的電氣部分及工作原理

生物質(zhì)熱風(fēng)爐的電氣部分由生物質(zhì)料倉和送料裝置、排煙和助燃裝置、熱風(fēng)排風(fēng)裝置、自動點(diǎn)火裝置等組成[2]。

1.2.1 生物質(zhì)熱風(fēng)爐料倉和送料裝置的電氣控制結(jié)構(gòu)及工作原理

生物質(zhì)熱風(fēng)爐料倉和送料裝置是熱風(fēng)爐的重要組成部分，其工作原理和電氣控制結(jié)構(gòu)如下。

生物質(zhì)熱風(fēng)爐的料倉是存放生物質(zhì)顆粒的地方，送料裝置由送料電機(jī)和爐排組成，送料電機(jī)是一臺自帶調(diào)速裝置的電機(jī)，由主控板輸出的電壓信號控制其轉(zhuǎn)速。在鍋爐工作的時(shí)候，送料電機(jī)啟動工作，料倉內(nèi)的生物質(zhì)顆粒由爐排傳送到燃燒池以供備用。該送料電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以人工手動調(diào)節(jié)，也可以由控制器根據(jù)燃燒室的火力檔位進(jìn)行參數(shù)的自動匹配。當(dāng)室內(nèi)溫度過低，控制器會根據(jù)溫度自動升高燃燒室的火力檔位促進(jìn)燃燒，然后送料電機(jī)也會升高轉(zhuǎn)速，增加送料量。

1.2.2 生物質(zhì)熱風(fēng)爐排煙和助燃裝置的電氣結(jié)構(gòu)及工作原理

生物質(zhì)熱風(fēng)爐的排煙裝置由排煙管道和排煙風(fēng)機(jī)組成。排煙風(fēng)機(jī)是一臺自帶調(diào)速控制裝置的風(fēng)機(jī)，由主控板輸出的電壓信號控制其轉(zhuǎn)速。排煙裝置主要有排煙和助燃兩個(gè)功能。排煙功能指：當(dāng)熱風(fēng)爐燃燒池的生物質(zhì)顆粒燃燒的時(shí)候會產(chǎn)生煙霧，排煙風(fēng)機(jī)啟動后煙霧會被排煙風(fēng)機(jī)抽出燃燒室排出。助燃功能指：排煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)給燃燒室增加風(fēng)力，增強(qiáng)空氣的流通，促進(jìn)生物質(zhì)顆粒燃燒。當(dāng)室內(nèi)傳感器檢測到室內(nèi)溫度過低，控制器會升高排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，排煙風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高則風(fēng)力越大，生物質(zhì)顆粒的燃燒火力越大，升溫越快。排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以人工調(diào)節(jié)，同時(shí)也可以由控制器根據(jù)溫度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

1.2.3 生物質(zhì)熱風(fēng)爐熱風(fēng)排風(fēng)裝置的電氣結(jié)構(gòu)及工作原理

生物質(zhì)熱風(fēng)爐的熱風(fēng)排風(fēng)裝置是由排風(fēng)百葉窗和排風(fēng)風(fēng)機(jī)組成。排風(fēng)風(fēng)機(jī)的作用是把換熱片產(chǎn)生的熱風(fēng)輸送到室內(nèi)，升高室內(nèi)溫度。該裝置的排風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由室內(nèi)溫度傳感器控制，當(dāng)室內(nèi)溫度傳感器檢測到室內(nèi)溫度低于設(shè)定值，控制器自動調(diào)節(jié)排風(fēng)風(fēng)機(jī)升高轉(zhuǎn)速，加大排風(fēng)量，同時(shí)增加火力檔位。當(dāng)室內(nèi)溫度傳感器檢測到室內(nèi)溫度高于設(shè)定值，控制器自動調(diào)節(jié)排風(fēng)風(fēng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速，減小排風(fēng)量，同時(shí)降低火力檔位。

1.2.4 生物質(zhì)熱風(fēng)爐自動點(diǎn)火裝置的電氣結(jié)構(gòu)及工作原理

生物質(zhì)熱風(fēng)爐的自動點(diǎn)火裝置由生物質(zhì)顆粒點(diǎn)火棒和燃燒池構(gòu)成，點(diǎn)火棒是由主控板的開關(guān)量進(jìn)行控制。當(dāng)熱風(fēng)爐啟動后，生物質(zhì)顆粒會被輸送到燃燒池，同時(shí)燃燒池內(nèi)的點(diǎn)火棒得電工作，點(diǎn)燃生物質(zhì)顆粒。當(dāng)點(diǎn)火棒啟動后，控制器會根據(jù)爐體溫度判斷是否點(diǎn)火成功，點(diǎn)火棒在經(jīng)過點(diǎn)火成功一段時(shí)間后，自動斷電停止工作。

2 生物質(zhì)熱風(fēng)爐的硬件方案設(shè)計(jì)

通過對市場上生物質(zhì)熱風(fēng)爐機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)的分析，筆者詳細(xì)研究了熱風(fēng)爐機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)的組成及熱風(fēng)爐運(yùn)行控制的優(yōu)缺點(diǎn)[3]。市場上不同廠家的熱風(fēng)爐控制器區(qū)別較大，有的控制器功能多，但是成本高，很多功能并不實(shí)用，不利于推廣。有的控制器成本雖低，但是功能簡單，人機(jī)交互抽象，不能滿足用戶需求。經(jīng)過研究分析，筆者研發(fā)設(shè)計(jì)了新型的熱風(fēng)爐控制器，該控制器具有自動化程度高、生產(chǎn)成本低、用戶體驗(yàn)感好、控制精準(zhǔn)、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。該控制器的總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)熱風(fēng)爐控制器組成框圖

2.1 生物質(zhì)熱風(fēng)爐控制器的組成設(shè)計(jì)

該控制器由兩塊電路板組成，分別為核心驅(qū)動控制板、顯示控制板。兩塊控制板的控制芯片均采用了兆易創(chuàng)新的GD32系列單片機(jī)，該單片機(jī)采用了二代M3內(nèi)核，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。核心驅(qū)動控制板和顯示控制板安裝位置不同，為了保持通信的穩(wěn)定性，兩塊控制板采用了Modbus通信協(xié)議。

2.1.1 核心驅(qū)動控制板組成及工作原理

鄰近井資料包括鉆井過程中是否鉆遇淺水流信息、地層巖性、錄井信息、是否鉆遇斷層等資料。在海底鉆井過程中，淺層砂存在的判定比較復(fù)雜，需要利用周圍已鉆井多方位隨鉆測量數(shù)據(jù)來判斷；利用已鉆井、目標(biāo)鉆井及周邊井場的三維及二維地震曲線來配合確認(rèn)地層性質(zhì)；對鄰近井的地震特征，包括與砂層相關(guān)的振幅、連續(xù)性等進(jìn)行分析，可以確認(rèn)目的井是否存在淺層地質(zhì)災(zāi)害；分析對比已鉆井和目的井之間地質(zhì)數(shù)據(jù)特征的不同，確定與砂層相關(guān)的地震反映。

核心驅(qū)動控制板由開關(guān)電源電路、時(shí)鐘電路、傳感器電路、負(fù)載驅(qū)動電路組成。

1）電源電路。該控制器驅(qū)動的負(fù)載以風(fēng)機(jī)電機(jī)為主，風(fēng)機(jī)電機(jī)在工作的時(shí)候會產(chǎn)生大量的干擾信號，對電源的濾波有極高的要求[4]。該開關(guān)電源電路由220 V變12 V交流變壓器、整流電路、濾波電路、12 V轉(zhuǎn)5 V的穩(wěn)壓芯片組成，經(jīng)過測試，該電源電路的輸出電壓穩(wěn)定，濾波能力強(qiáng)，滿足了整套控制板對電源的要求。電源電路組成框圖如圖2所示。

圖2 電源電路組成框圖

2）時(shí)鐘電路?？刂破鞯臅r(shí)鐘電路由DS1302和外圍電路構(gòu)成，該時(shí)鐘電路成本低、穩(wěn)定性高，經(jīng)過測試和實(shí)踐滿足控制器的要求。DS1302時(shí)鐘芯片是由DALLAS公司生產(chǎn)，該芯片穩(wěn)定性好、精度高，可以對年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)。該時(shí)鐘電路為控制器的定時(shí)功能、工作時(shí)間設(shè)定提供時(shí)間基準(zhǔn)。

3）傳感器電路?？刂破髟诠ぷ鞯臅r(shí)候，需要通過傳感器的信號判斷當(dāng)前整機(jī)的工作狀態(tài)，傳感器就是控制器的眼睛。該鍋爐控制器負(fù)載的狀態(tài)是根據(jù)對應(yīng)的溫度值變化的。因此傳感器的數(shù)量和穩(wěn)定性決定了控制器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。根據(jù)實(shí)際需求，該控制器采用了3個(gè)傳感器，分別為爐體溫度傳感器、室內(nèi)溫度傳感器、缺料檢測傳感器，3個(gè)傳感器的作用如下。第一，爐體溫度傳感器的作用是檢測爐體的實(shí)際溫度，根據(jù)爐體的溫度可以判斷點(diǎn)火棒是否引燃了生物質(zhì)顆粒，以確定是否點(diǎn)火成功，是否熄火成功?？刂破骺梢愿鶕?jù)爐體溫度設(shè)定超溫報(bào)警值，保護(hù)整個(gè)爐體和爐體內(nèi)各部件的安全。爐體溫度一般在300～400度，因此該傳感器采用了K型熱電偶，該類型傳感器檢測范圍可以從0～1 300度，同時(shí)線性度好、靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化能力強(qiáng)，符合高溫環(huán)境的要求。第二，室內(nèi)溫度傳感器的作用是檢測熱風(fēng)排風(fēng)口的溫度，控制器可以根據(jù)室內(nèi)溫度值對熱風(fēng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、進(jìn)料電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。該控制器具有自動模式和手動模式，在自動模式下控制器會根據(jù)該溫度值自動匹配各風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)智能控制。有特殊要求的情況下，客戶可以通過手動模式手動調(diào)整各風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。第三，缺料檢測傳感器，該傳感器的作用是判斷輸送到燃燒池的生物質(zhì)顆粒是否達(dá)到數(shù)量要求，該傳感器采用了一款接近開關(guān)，當(dāng)生物質(zhì)顆粒達(dá)到一定數(shù)量后，生物質(zhì)顆粒會堆積到規(guī)定高度，接近開關(guān)感應(yīng)到后開始動作，送料電機(jī)停止送料[5]。該傳感器要求響應(yīng)快、穩(wěn)定性高，本控制器中采用了國產(chǎn)的接近開關(guān)，經(jīng)過實(shí)踐，完全滿足了產(chǎn)品的性能要求。

4）負(fù)載驅(qū)動控制電路。根據(jù)生物質(zhì)熱風(fēng)爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制對象，本文設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定性高、控制科學(xué)的負(fù)載驅(qū)動電路。該驅(qū)動電路控制的負(fù)載是調(diào)速送料電機(jī)、調(diào)速排煙風(fēng)機(jī)、調(diào)速熱風(fēng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火棒、除渣電機(jī)。調(diào)速送料電機(jī)、調(diào)速排煙風(fēng)機(jī)、調(diào)速熱風(fēng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動控制電路由雙向可控硅、光耦等器件組成。雙向可控硅由單片機(jī)調(diào)節(jié)導(dǎo)通角來控制調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。光耦可以有效地對驅(qū)動電路和單片機(jī)進(jìn)行電氣隔離，防止干擾單片機(jī)電路。點(diǎn)火棒和除渣電機(jī)是由12 V繼電器電路進(jìn)行控制，繼電器電路由續(xù)流二極管、三極管等元器件組成，單片機(jī)通過控制三級管的通斷來控制繼電器的開關(guān)。續(xù)流二極管并聯(lián)在繼電器線圈的兩端，可以有效減小線圈通電時(shí)產(chǎn)生的反相電壓對單片機(jī)電路產(chǎn)生的干擾。

2.1.2 顯示控制板組成及工作原理

顯示控制板由液晶屏電路、按鍵和遙控器電路組成，該控制板的控制芯片是GD32系列單片機(jī)。當(dāng)用戶操作按鍵或者遙控器的時(shí)候，顯示控制板把數(shù)據(jù)通過Modbus協(xié)議以數(shù)據(jù)幀的形式傳送到核心驅(qū)動板，核心驅(qū)動板接收到數(shù)據(jù)幀以后進(jìn)行解析，控制對應(yīng)的控制對象。

2）按鍵和遙控電路。該控制器采用的按鍵為彈片按鍵，由6個(gè)按鍵組成，分別為設(shè)置鍵、數(shù)值調(diào)節(jié)鍵、定時(shí)鍵、風(fēng)量檔位鍵、火力檔位鍵等，同時(shí)也設(shè)置了一些組合按鍵。該按鍵布局充分考慮了用戶的操作習(xí)慣和交互的便捷性。考慮到客戶操作的多樣性，該控制器同時(shí)配備了紅外遙控器，其遙控器按鍵功能跟彈片按鍵功能一致。

3 生物質(zhì)熱風(fēng)爐控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生物質(zhì)熱風(fēng)爐控制器由核心驅(qū)動控制板和顯示控制板組成，這兩塊電路板由2個(gè)單片機(jī)分別控制，兩塊控制板的通信采用Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。兩塊控制板需要根據(jù)其控制對象編寫不同的單片機(jī)程序。

3.1 驅(qū)動程序和功能服務(wù)程序編寫思路設(shè)計(jì)

控制核心板程序設(shè)計(jì)：控制核心板編寫的驅(qū)動程序包括時(shí)鐘電路、NTC溫度傳感器、K型熱電偶等驅(qū)動程序。根據(jù)控制對象，應(yīng)用程序包括負(fù)載的控制程序和顯示控制板的通信程序等。顯示控制板程序設(shè)計(jì)：顯示控制板的驅(qū)動程序包括LCD斷碼屏、按鍵、遙控器等部分的驅(qū)動程序[6]。應(yīng)用程序編寫的部分包括斷碼屏顯示的元素程序編寫、按鍵處理、遙控器按鍵處理、通信程序等。該控制器控制邏輯相對復(fù)雜，本設(shè)計(jì)使用了狀態(tài)機(jī)的編程思想進(jìn)行程序編寫。

3.2 部分程序設(shè)計(jì)流程圖

生物質(zhì)熱風(fēng)爐控制器的負(fù)載由若干路繼電器和若干路雙向可控硅控制。繼電器控制的負(fù)載的工作狀態(tài)是開和關(guān)兩種狀態(tài)，雙向可控硅控制的負(fù)載的工作狀態(tài)是幾個(gè)檔位的轉(zhuǎn)速，因此在程序編寫時(shí)候采用狀態(tài)機(jī)的編寫思想比較合適。根據(jù)整機(jī)的工作原理，本設(shè)計(jì)編寫的部分主程序流程圖如圖3所示。

圖3 部分主程序流程圖

4 程序調(diào)試過程及結(jié)果

4.1 顯示控制板的程序調(diào)試

本程序采用Keil軟件進(jìn)行了編寫調(diào)試，首先對顯示控制板的顯示屏、按鍵驅(qū)動程序進(jìn)行了調(diào)試，把寫好的程序下載到顯示控制板內(nèi)，結(jié)合Keil軟件自帶的調(diào)試功能觀察顯示屏的動態(tài)刷新效果和按鍵的消抖效果，然后再對紅外遙控驅(qū)動程序進(jìn)行調(diào)試，這三部分的驅(qū)動程序調(diào)試成功后，通過串口打印功能，調(diào)試串口數(shù)據(jù)的傳輸，為后續(xù)與核心驅(qū)動控制板的聯(lián)調(diào)做準(zhǔn)備。

4.2 核心驅(qū)動控制板的程序調(diào)試

顯示控制板調(diào)試成功后，筆者利用顯示屏觀察核心控制板其他功能的狀態(tài)，首先調(diào)試的是兩種溫度傳感器的驅(qū)動程序，然后調(diào)試時(shí)鐘的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序調(diào)試完成后，筆者利用串口打印功能調(diào)試成功了串口傳輸功能，然后通過Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)了顯示板和核心驅(qū)動板的通信，最后調(diào)試了功能服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的聯(lián)調(diào)。

5 結(jié)語

該生物質(zhì)熱風(fēng)爐控制器的設(shè)計(jì)從用戶的需求出發(fā)，以節(jié)能降耗、智能應(yīng)用為目標(biāo)，筆者設(shè)計(jì)了可靠的硬件電路，編寫了科學(xué)合理的軟件程序。筆者通過對整機(jī)的測試，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能，在測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題也通過各種程序調(diào)試手段得到了圓滿解決。