基于单片机的船舶锅炉燃烧控制系统的设计研究

2013-05-05陈长江李世臣

船电技术 2013年10期

陈长江，李世臣

陈长江，李世臣

（大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026）

针对现代船舶锅炉燃烧自动化控制系统的要求，提出一种基于P89V51RD2单片机的船舶燃油辅锅炉燃烧的自动控制系统，设计了控制系统的硬件电路，编写了软件程序。使得控制系统结构更加简单，可靠性提高，维护管理更方便，生产成本大大降低，体积更小，对锅炉燃烧控制系统的研究具有参考价值。

自动控制单片机锅炉

0 引言

随着现代科技的发展，船舶自动化程度越来越高，锅炉作为船舶重要的一部分，其燃烧系统的自动控制对于提高船舶和锅炉的自动化具有很大的意义。传统的控制系统中多数是靠继电器和接触器等完成，其工作可靠性不高，维护管理也不方便。此外，PLC控制系统虽然可靠性较高，但价格昂贵，而且一旦出现故障必须返厂维修。以单片机为主控元件的自动控制系统不但能解决传统的继电器控制系统可靠性低、维护困难等问题，而且价格更低，体积更小，维修更加方便。

2 船舶锅炉燃烧自动控制系统概述

如图1所示，船舶锅炉燃烧自动控制系统包括锅炉自动点火、自动停炉、燃烧强度自动控制和点火及燃烧过程中的安全保护[1]。当按下锅炉启动按钮后，控制系统会按照既定的程序完成自动点火，并根据锅炉的蒸汽压力，自动完成对燃烧强度的自动控制。此外，当在各过程中出现任何故障时会自动采取相对应的安全保护措施，并发出声光报警提示轮机管理人员。

图1 船舶锅炉燃烧自动控制系统图

3 控制系统的硬件设计

硬件电路板部分采用的是以P89V51RD2单片机为控制系统的主控元件[2]，其电路原理图如图2所示。

系统由四部分组成，单片机P0口和P2口通过ULN2803芯片控制各继电器等开关量的动作，来控制水泵、油泵、风机等电气设备的工作。P3.4~P3.7通过AD694芯片控制风、油门等模拟量的输出，来控制供风量和供油量的大小。风压、油压和蒸汽压力等模拟量通过TLC0838芯片模数转换后将信号送入单片机P1口。此外单片机通过以太网与上位机进行通信，将锅炉燃烧过程的各信息送入上位机，以便集控台的控制。

3.1 自动控制系统输入部分

风压、油压、油温、水位、火焰探测器和蒸汽压力等传感器输出的模拟量，在经过信号变送器处理成0~5 V的直流电压模拟量后与TLC0838芯片输入接口相连接，TLC0838将这些模拟量信号转换成数字量信号送入单片机的P1口，从而实现了外部信号的采集。TLC0838是带有8路的8位串行A/D转换器，转换时间为32ms，可与单片机直接连接。

3.2 自动控制系统输出部分

单片机的P0口和P2口用于输出各种开关量，通过控制继电器的动作来控制水泵、油泵、风机、点火变压器、点火电池阀、供油电磁阀、声光报警灯等电器设备的工作状态。由于单片机的IO口驱动能力有限，不足以驱动些电器设备的继电器，故采用ULN2803芯片来进行驱动。ULN2803芯片能够驱动8路大电流高电压的继电器、蜂鸣器等，其承受的灌电流可达500 mA，并且可与单片机直接连接，非常适用于单片机控制水泵、油泵等电气设备的继电器。

单片机的P3.4P~3.7用于控制供风量和供油量的大小，以调节燃烧强度。P3.6输出不同大小的数字量，该数字量经过TLV5614芯片后比例的转换成0~2 V的直流电压模拟量输出，输出的电压模拟量经过AD694芯片转换后比例输出4~20 mA的直流信号，从而控制供风量和供油量的大小。TLV5614芯片是一个具有四线串行接口的4路12位电压输出型D/A转换器，其输出电压由公式（1）给出：

其中V是基准电压，在本系统中采用的V是1 V，data是单片机输出的0~4095的数字量[3]。AD694是一种电压-电流转换器，它能将0~2 V的电压信号转换成4~20 mA的电流信号[4]。

图2 硬件电路原理图

3.3 控制系统与上位机通信部分

单片机可通过以太网与上位机进行通信，将锅炉的蒸汽压力、水位和报警等信息传送到集控台的上位机中，以便轮机员在集控台通过上位机对锅炉的控制。单片机与上位机通信采用的是广州致远电子生产的IPORT-1嵌入式以太网转串口模块，该模块集成10/100 M自适应以太网接口，具有TCP Server等多种工作模式，使单片机与上位机通信方便准确。

整个燃烧自动控制原理如图2所示[5]。

3.4 锅炉燃烧自动控制过程介绍

1) 锅炉自动点火过程。

当按下点火启动按钮后，单片机P0和P2口控制风机、油泵、雾化电机、喷油器电机启动，轻、重油供油电磁阀断电关闭，回油电磁阀通电打开，以使得燃油在管路中循环。P3口输出信号控制风门达到最大，进行预扫风。预扫风结束后，风门关小，轻油回油电磁阀断电，轻油供油电磁阀、点火变压器、点火电磁阀通电，开始点火，并通过火焰探测器检测点火是否成功，若成功则使重油供油电磁阀通电，重油回油电磁阀和轻油供油电磁阀断电，并加大供风量和供油量，若不成功则进行后扫风之后结束点火并发出声光报警。

图2 锅炉燃烧自动控制原理图

2) 燃烧强度的自动控制

蒸汽压力传感器的信号经过A/D转换后送入单片机，如果蒸汽压力比设定的值小，则单片机P3口输出更大的信号增加供风量和供油量，增加燃烧强度；反之，如果蒸汽压力比设定的值大，则单片机输出较小的信号减小供风量和供油量，降低燃烧强度。

3) 自动安全保护

当水位监测器监测到的水位信号低于设定的低水位时，P0口输出信号控制使水泵电机运行，当监测到水位信号低于危险水位时，P0口输出控制信号使供油电磁阀断电打开，P3口输出控制信号将风门开到最大进行后扫风并发出声光报警。当风压传感器检测到风压低于设定值时和火焰探测器检测到炉膛熄火时，切断供油，进行后扫风并发出声光报警。