陳良，許煜

　　（上海寶信軟件股份有限公司，上海 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(cè)提出了使用離子定向移動(dòng)來(lái)判斷，并且創(chuàng)新地提出了用μA電流的大小來(lái)數(shù)字化火焰的大小，通過(guò)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(kāi)啟簡(jiǎn)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(lèi)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(lái)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(chǎng)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(guò)程復(fù)雜，流程長(zhǎng)，所以多個(gè)燒嘴控制器分布式測(cè)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(cè)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(lái)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(guò)軟件固化在Flash中，可以通過(guò)預(yù)留的JTAG口來(lái)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(chǎng)的PLC組態(tài)優(yōu)勢(shì)，可以直接通過(guò)ProfibusDP通信接口控制燒嘴控制器的運(yùn)行和收集現(xiàn)場(chǎng)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。火焰檢測(cè)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(cè)。點(diǎn)火模塊采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開(kāi)啟，簡(jiǎn)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(guò)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(guò)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(cè)電極來(lái)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(cè)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(cè)就能準(zhǔn)確地判斷火焰的燃燒狀態(tài)。這樣的檢測(cè)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(cè)電路的原理圖。

　　μA電流檢測(cè)原理:由IO口（uCB-A7）發(fā)出頻率1 kHz的方波，通過(guò)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(guò)。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(guò)，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(guò)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(mén)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(lái)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(kāi)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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(chēng)地導(dǎo)通一次。R51、R52是分壓電阻，BCR的門(mén)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(kāi)，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(guò)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(guò)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(xiě)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(xiě)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)狻⒁夯?、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(kāi)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(guò)火焰監(jiān)測(cè)模塊觀察此時(shí)有無(wú)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(wú)火焰信號(hào)）。若監(jiān)測(cè)到有火焰信號(hào)，說(shuō)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(wú)火焰信號(hào)，則若無(wú)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(cè)到無(wú)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(kāi)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(kāi)燃?xì)忾y后的5 s內(nèi)，若檢測(cè)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(cè)到無(wú)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(cè)，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(cè)提出了使用離子定向移動(dòng)來(lái)判斷，并且創(chuàng)新地提出了用μA電流的大小來(lái)數(shù)字化火焰的大小，通過(guò)三角形斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)正?；鹧娣秶慕缍?。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(kāi)啟簡(jiǎn)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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