陳良,，許煜

　?。ㄉ虾毿跑浖煞萦邢薰荆虾?201900）

　　摘要：介紹了一種新型分布式智能燒嘴控制器,。針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和工況環(huán)境的不同 要求,，MCU主控制器可以不斷升級(jí)，以適應(yīng)事務(wù)控制的擴(kuò)充和處理速度的提高,。對(duì)火焰大小的檢測提出了使用離子定向移動(dòng)來判斷,，并且創(chuàng)新地提出了用μA電流的大小來數(shù)字化火焰的大小，通過三角形斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)正?；鹧娣秶慕缍?。采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開啟簡單有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)火信號(hào)的特殊占空比要求,。引入ProfibusDP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能燒嘴控制器的從站化，使得遠(yuǎn)端控制室能夠方便地掌握當(dāng)前燒嘴的工作狀況,。在軟件程序設(shè)計(jì)上注重冗余設(shè)計(jì)和故障緊急處理機(jī)制,。這種新型的分布式燒嘴控制器具有廣闊的使用前景。

　　關(guān)鍵詞：燒嘴控制器,；火焰,；阻容移相；Profibus-DP

　　中圖分類號(hào)：TP202文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.012

　　引用格式：陳良,，許煜.一種新型分布式智能燒嘴控制器設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（9）：38-40，44.

0引言

　　以天然氣等可燃性氣體為燃料的工業(yè)爐窯在熱處理領(lǐng)域運(yùn)用越來越廣,，但是天然氣本身易燃易爆,，使用的安全可靠性特別重要［1］，因此針對(duì)工業(yè)爐窯的現(xiàn)場環(huán)境和加熱對(duì)象,，研發(fā)智能燒嘴控制器具有十分重要的作用,。工業(yè)爐窯熱處理的工藝過程復(fù)雜，流程長,，所以多個(gè)燒嘴控制器分布式測量能有效提高溫度控制精度,、降低故障率，保證工業(yè)爐窯的工況連續(xù)穩(wěn)定,，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的［2］,。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　智能燒嘴控制器的設(shè)計(jì)注重功能的模塊化，以主控模塊為核心,，配合兩級(jí)電源切換模塊、火焰檢測模塊,、點(diǎn)火模塊,、狀態(tài)指示模塊和DP通信模塊，如圖1所示,。這樣的設(shè)計(jì)使其既可以作為一個(gè)完整的個(gè)體控制單個(gè)燒嘴,，也可以與PLC或者DCS控制系統(tǒng)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工藝流程的控制。采用可編程模式MCU作為主控制器,，控制邏輯通過軟件固化在Flash中,，可以通過預(yù)留的JTAG口來調(diào)整燒嘴控制器的運(yùn)行參數(shù)。采用兩級(jí)電源電池切換模式,，在主電源失效的模式下,，還有電池方案可以保證燒嘴控制器的正常運(yùn)行。此外,，燒嘴控制器做ProfibusDP智能從站化設(shè)計(jì),，利用工業(yè)現(xiàn)場的PLC組態(tài)優(yōu)勢,，可以直接通過ProfibusDP通信接口控制燒嘴控制器的運(yùn)行和收集現(xiàn)場溫濕度等環(huán)境參數(shù)，并記錄在存儲(chǔ)模塊中方便維修時(shí)有據(jù)可查,?？刂菩盘?hào)部分與執(zhí)行器部分分兩塊PCB板設(shè)計(jì)，以減少電磁干擾,。將完成設(shè)計(jì)的控制信號(hào)部分用一個(gè)鐵盒密封后再與執(zhí)行器板連接,，防塵防電磁干擾?；鹧鏅z測模塊主要利用燒嘴燃燒時(shí)燃燒介質(zhì)發(fā)生電離,，離子的定向移動(dòng)產(chǎn)生μA級(jí)電流，對(duì)這種電流進(jìn)行定量檢測,。點(diǎn)火模塊采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開啟,，簡單有效地實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火信號(hào)的特殊占空比要求。狀態(tài)指示模塊采用八段數(shù)碼管顯示數(shù)字,，根據(jù)數(shù)據(jù)字典對(duì)應(yīng)點(diǎn)火過程中各個(gè)階段的狀態(tài),。

2硬件電路設(shè)計(jì)

　　燒嘴控制器的動(dòng)作主要通過PLC和主控模塊之間的信號(hào)傳遞，然后配合外圍的點(diǎn)火變壓器,、燒嘴點(diǎn)火電極和檢測電極來完成火焰的燃燒控制,。下面，著重介紹燒嘴控制器的主要硬件結(jié)構(gòu),。

　　2.1火焰檢測電路

　　燒嘴燃燒介質(zhì)電離時(shí),，離子的定向移動(dòng)產(chǎn)生μA級(jí)電流，對(duì)這種電流進(jìn)行定量檢測就能準(zhǔn)確地判斷火焰的燃燒狀態(tài),。這樣的檢測方式不受光,、熱、磁的干擾,，反應(yīng)靈敏,，動(dòng)作迅速。圖2所示為火焰μA電流檢測電路的原理圖,。

　　μA電流檢測原理:由IO口（uCB-A7）發(fā)出頻率1 kHz的方波,，通過RC電路在比較器的正極（U4B芯片的第5腳）輸出穩(wěn)定的三角波，比較器的負(fù)極則是采樣電阻R58的電壓值,，則比較器的輸出高電平時(shí)間即是三角波波峰切割U46電壓值的時(shí)間寬度,。當(dāng)μA電流值較小時(shí),μA電流主要從1號(hào)箭頭方向流過。如圖3(a)所示,，當(dāng)μA電流為5 μA時(shí),，U4-6的電壓大約為2.23 V；當(dāng)μA電流增大時(shí),，則2號(hào)箭頭也會(huì)有電流流過,，甚至成為主要流動(dòng)方向,，此時(shí)電壓對(duì)電流的變化比之前緩慢得多;如圖3(b)所示，當(dāng)μA電流為38 μA時(shí),，U4-6的電壓大約為0.7 V,。當(dāng)電流超過40 μA 或者電流方向反向，則報(bào)錯(cuò),。這樣的設(shè)計(jì)好處在于,，能夠有效區(qū)分μA電流不存在和外接電源斷路的情況,并且門檻電流的大小由主控制器設(shè)定，方便根據(jù)工況在線下載更新,。

　　2.2點(diǎn)火電路

　　燒嘴點(diǎn)火時(shí)需要7 500 V的高壓,，通常是由燒嘴控制器來控制點(diǎn)火高壓包的控制端。當(dāng)給予點(diǎn)火高壓包占空比15%的交流電壓時(shí),，其輸出端會(huì)產(chǎn)生7 500 V的高壓瞬間劈開燒嘴電極與地之間的空氣,，點(diǎn)燃燒嘴。圖4是本文設(shè)計(jì)的這種特殊點(diǎn)火電路的簡化仿真圖,。

　　R50,、C20構(gòu)成阻容移相電路，R52上端電壓抬升至Vgt（1.3 V）時(shí),，且維持電流大于50 mA,，則雙向晶閘管導(dǎo)通。一旦雙向晶閘管導(dǎo)通,，R50,、R51、R52,、C20被旁路,，當(dāng)交流電源電壓降低到一定程度（過零前后，雙向晶閘管自行關(guān)斷）,，接著C20又被電源反向充電,，重復(fù)上述過程。觸發(fā)電路是工作在交流電路中的,，交流電壓的正、負(fù)半周分別會(huì)發(fā)送正,、負(fù)觸發(fā)脈沖送到雙向晶閘管的控制極,，使管子在正、負(fù)半周內(nèi)對(duì)稱地導(dǎo)通一次,。R51,、R52是分壓電阻，BCR的門限電壓Vgt是1.3 V,，只要在R52上的分壓大于Vgt,，則BCR導(dǎo)通,。光耦的通斷由主控模塊控制，當(dāng)光耦不通時(shí),，點(diǎn)火電路不輸出,；當(dāng)光耦導(dǎo)通時(shí)，雙向晶閘管延遲一個(gè)角度打開,，點(diǎn)火電路輸出火線信號(hào),。R53、 C21 支路并聯(lián)在電源線上,，將高頻干擾電流旁路,。如圖5所示，上側(cè)是模擬燃?xì)忾y特性的Rvalve兩端電壓信號(hào),，下側(cè)是雙向晶閘管BTB12的控制極電壓信號(hào),。

　　2.3DP通信接口電路

　　ProfibusDP是一種高速低成本的通信方式，目前在冶金行業(yè)獲得了廣泛使用,，特別適用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式IO通信,。智能燒嘴控制器的工況參數(shù)都需要通過DP通信與工廠控制室交互信息［3］。

　　基于ProfibusDP總線的高速接口通信模塊以VPC3+C這款能夠支持多種DP版本協(xié)議的低功耗寬電壓芯片為主體設(shè)計(jì),，底層采用485接口方式,，PLC端數(shù)據(jù)通過高速磁隔離總線收發(fā)芯片ADM2486和VPC3+C之間形成數(shù)據(jù)的雙向交換，DP協(xié)議芯片的固件程序放置在主控制器LPC2294中,，利用LPC2294的三級(jí)流水線機(jī)制,，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作，這樣就破解了普通51接口DP芯片的數(shù)據(jù)緩存瓶頸,，真正實(shí)現(xiàn)DP的高速性能,。LPC2294對(duì)VPC3+C的主要控制信號(hào)包括讀信號(hào)OE、寫信號(hào)BLS,、片選信號(hào)CS,、重啟信號(hào)DP_RST和中斷信號(hào)EINT。因?yàn)閂PC3+C只有8位數(shù)據(jù)地址,，根據(jù)LPC2294外接存儲(chǔ)器規(guī)則,，寫信號(hào)匹配采用BLS［0］。又因?yàn)閂PC3+C作為片外存儲(chǔ)器的地址范圍在0x82000000~0x82FFFFFF之間,，所以對(duì)應(yīng)的片選信號(hào)為CS2,。利用VPC3+C的XDATAEXCH腳外接被電源上拉的二極管信號(hào)燈可作為數(shù)據(jù)交換時(shí)的信號(hào)指示器。LPC2294主控制器與VPC3+C協(xié)議芯片之間采用數(shù)據(jù)總線和地址總線分離的異步方式,，這樣通信速度比同步方式快且異步的程序斷點(diǎn)調(diào)試更為方便［4］,。

3軟件程序設(shè)計(jì)

　　燒嘴控制器上電后，首先進(jìn)行“大流量吹掃,，小流量點(diǎn)火”的操作,。因?yàn)槟壳肮I(yè)爐窯所用的燃料一般為天燃?xì)?、液化器、工業(yè)煤氣等介質(zhì),，均屬有害,、有毒、易燃,、易爆氣體,，所以準(zhǔn)備階段時(shí)將空氣閥開到最高位置,，將爐內(nèi)的殘留氣體吹出爐外,，避免爆炸，然后再將空氣閥調(diào)低等待點(diǎn)火,。燒嘴控制器通過火焰監(jiān)測模塊觀察此時(shí)有無火焰信號(hào)（以電離棒傳回的電流大于等于2 μA等效為有火焰信號(hào),，否則為無火焰信號(hào)）,。若監(jiān)測到有火焰信號(hào)，說明燒嘴控制器誤識(shí)別了,，程序進(jìn)入火焰模擬階段,，給燒嘴控制器點(diǎn)火信號(hào)，延時(shí)10 s后再觀察有無火焰信號(hào),，則若無則可以進(jìn)入正常點(diǎn)火程序,，若有火焰信號(hào)則直接進(jìn)入燒嘴控制器故障報(bào)警死鎖狀態(tài)。若監(jiān)測到無火焰信號(hào),，則給燒嘴控制器點(diǎn)火信號(hào),，延時(shí)1 s，輸出點(diǎn)火變壓器的原邊信號(hào)并打開燃?xì)忾y,，此時(shí)點(diǎn)火變壓器產(chǎn)生7 500多伏的高壓電對(duì)燃?xì)恻c(diǎn)火,。在打開燃?xì)忾y后的5 s內(nèi)，若檢測到有火焰信號(hào),，則點(diǎn)亮黃色LED燈指示燒嘴正常運(yùn)行并傳回工況參數(shù),；若檢測到無火焰信號(hào)，則立即關(guān)閉燃?xì)忾y并點(diǎn)亮紅色LED燈指示燒嘴故障同時(shí)燒嘴控制器死鎖,，等待復(fù)位,。圖6是智能燒嘴控制器主程序流程圖。

　　在燒嘴正常工作時(shí)燒嘴控制器對(duì)火焰進(jìn)行監(jiān)測,，如果火焰熄滅燒嘴控制器立即執(zhí)行故障鎖定報(bào)警操作,。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種新型分布式燒嘴控制器，針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和工況環(huán)境的不同 要求,，MCU主控制器可以不斷升級(jí)，以適應(yīng)事務(wù)控制的擴(kuò)充和處理速度的提高,。對(duì)火焰大小的檢測提出了使用離子定向移動(dòng)來判斷,，并且創(chuàng)新地提出了用μA電流的大小來數(shù)字化火焰的大小,，通過三角形斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)正常火焰范圍的界定,。把點(diǎn)火信號(hào)的特殊占空比要求采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開啟簡單有效地實(shí)現(xiàn),。引入ProfibusDP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能燒嘴控制器的從站化，使得遠(yuǎn)端控制室能夠方便地掌握當(dāng)前燒嘴的工作狀況,。在軟件程序設(shè)計(jì)上注重冗余設(shè)計(jì)和故障緊急處理機(jī)制,，所以這種新型的分布式燒嘴控制器有廣闊的使用前景。

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