浅谈新型控制系统在加热装置中的应用

【摘要】现有的加热装置自动控制系统通常采用组态式结构，包括PLC、模块、中间继电器、人机界面、传感器、执行器等，涉及部件很多，各部件间线路连接复杂，生产难度大，生产过程容易出错，一旦出现问题不易排查，最终导致加热装置材料成本高、制造成本高、维修成本高的“三高”问题。同时，组态模式的加热炉控制系统必须安装在监控室内，控制系统和现场的传感器、执行器间使用信号线连接，这使得电缆成本升高，连接难度和维修增大，同时信号线过长使得信号的干扰增大，导致系统稳定性变差。本文简要阐述了一种基于单片机、嵌入式控制器、现场总线的新型控制系统在加热装置中的应用，并对这一新型控制系统进行简单的分析。

【关键词】加热装置；组态式结构；新型控制系统

1.前言

当前，油田系统内的加热装置的自动控制系统普遍使用组态结构，即控制系统本身是由PLC、模块、中间继电器、人机界面、传感器、执行器等部件组成，并通过组态软件设定硬件模块的控制及显示参数，控制系统的核心部件通常安装在远离控制现场的监控室，执行器、传感器则安装在现场。控制系统的这种构建形式存在着结构复杂、冗余，成本偏高、稳定性差的问题。近年来，随着微电子技术和总线技术的迅猛发展，设计制造专用于固定设备的嵌入式控制系统成为可能，一些基于单片机、嵌入式控制器、现场总线的加热装置专用控制系统相继出现。这种控制系统基于单片机技术，将控制、监测、显示或则辅助加热装置运行的所有部件及程序全部集成在单片板上，更加面向操作者、面向硬件、面向现场实际应用，系统中所固化的中心控制程器-嵌入式处理器内核微小，编程功能强大，大大缩小了控制系统的体积和制造难度，也使其结构的复杂程度和制造成本大大降低。目前，由于嵌入式控制系统具有系统内核小、专用性强、系统精简及高实时性等诸多优势，国内一些大型加热装置上已经开始广泛应用这种新型的控制系统，同时，随着微电子技术和总线技术门槛的降低，基于嵌入式控制系统的加热装置必将普及。

2.新型控制系统的构建原理及性能指标

2.1 控制原理

利用嵌入式控制器构建加热装置的新型自动控制系统，可以实现加热装置进口温度、出口温度、壳体温度、壳体压力、壳体液位和可燃气体浓度的监测，实现对燃烧器启停、调节大小火、火焰监测、故障监测的功能，同时根据出口温度、壳体温度或壳体压力实现对燃烧器输出功率的负反馈调节，系统还可以根据出口温度、壳体温度、壳体压力、锅体液位和可燃气体浓度实现对燃烧器的启停控制，保障加热装置的安全可靠的运行。根据嵌入式加热装置控制器提供的通信规则，编写美观实用的人机界面（触摸屏）程序，实现触摸屏与嵌入式控制器的互联。新型加热装置自动控制系统的原理图如下：

图中：

1—传感器、2—执行器、3—嵌入式加热炉控制器、4—通信转换器、5—人机界面、6—急停开关、7—声光报警器、8—监控室控制柜、9—现场控制柜、10—加热装置、11—燃烧装置。

该加热装置的自动控制系统主要包括：(1)传感器、(2)执行器、(3)嵌入式加热炉控制器、(4)通信转换器、(5)人机界面、(6)急停开关、(7)声光报警器七部分，人机界面、急停开关、声光报警器安装在监控室，嵌入式加热装置控制器安装在设备就近的控制箱内，传感器、执行器安装在加热装置上，各部分间用信号线连接。较现有的其他控制系统，该加热炉自动控制系统不涉及传感器、执行器信号的远传，不涉及PLC、模块、中间继电器等部件及其连接，因而，整体结构更加简洁，生产加工更加简单，维修过程更加方便。

2.2 性能指标

(1)热工参数的采集和显示，加热装置的进口温度、出口温度、壳体温度、壳体压力、壳体液位和可燃气体浓度，这些热工参数的采集和显示是加热装置控制系统一项重要的性能指标。根据相关标准的规定：通常情况下，加热装置的进出口温度偏差应保证≤±2.5℃；壳体温度偏差应保证≤±5℃；壳体内水位测量偏差应保证≤±50mm；燃烧装置附近的可燃气体测量浓度应＜1.3%V/V。

(2)针对目标参数的自动调节，根据出口温度、壳体温度或壳体压力调节燃烧装置的工作，最终实现对控制参数的稳定保持是加热装置控制系统一项关键的性能指标。

(3)自动保护和无人值守，实时监测出口温度、锅壳温度、锅壳压力、锅壳液位和可燃气体浓度，一旦监测数值超过预设数值则停止系统运行，并报警告知。

3.系统构建的主要影响因素及问题分析

基于单片机技术的嵌入式系统在其平台的搭设及构建过程中的主要影响因素可分为：硬件因素、软件因素及硬件接口因素。

3.1 硬件因素分析

影响嵌入式系统构建的硬件因素主要是串扰，硬件的串扰主要源自相邻电子元件导体之间形成的互感和互容，严重的硬件串扰会直接影响到控制系统的时序，降低控制系统数据的采集及显示精度，干扰系统的执行机构。

3.1.1 互容

当两个信号回路相互接近时，一个信号回路产生的电场会影响到第二个信号回路，这种相互影响的系数称为互容。互容串扰电压与互容系数成正比，与阶跃振幅和上升时间的比值成正比，与电路的接地阻抗成正比。因此，祛除互容串扰因素的方法有：

a、通过增大信号回路的布线间距来减小互容系数。

b、在保证信号传输时序的前提下，尽可能选择低速信号的器件以减小阶跃振幅和上升时间的比值。

c、通过减小受互容影响回路末端的接地电阻，减小接地阻抗，为受扰动电路祛除耦电容。

3.1.2 互感

相互临近的两个信号回路，当一个回路中电流所产生的磁场与相邻的回路相互叠加环链，其中任一回路电流发生变化时，则会再与其叠加环链的另一回路中产生感应电动势，这一现象称为互感。互感串扰电压与互感成正比，与阶跃幅度和上升时间的比值成正比，与电路的源端阻抗成反比。因此，祛除互感串扰因素的方法有：

a、减小互感系数。

b、在保证信号传输时序的前提下，尽可能选择低速信号的器件以减小阶跃振幅和上升时间的比值。

c、通过在回路源端接入电阻，削弱环路中电流变化的速率，同时，为了避免回路信号的反射，应要使传输线路中允许的阻抗值与串入的电阻相匹配。

3.2 软件因素分析

影响嵌入式系统构建的软件因素主要是系统响应的实时性，其与软件系统的调度程序和中断响应处理方式有关。所谓的实时性，也就是从事件发生到系统响应的时间，或者更广泛一点，也就是从用户输入一条指令到系统处理完返回给用户的反应时间，这个时间可以划分为几个阶段：

3.2.1 中断响应时间

一般情况下所有的外部指令都是通过中断方式来触发的。外部硬件给处理器的指令系统一个中断，通知处理器外部有一个事件需要处理。通常情况下，处理器对一般外部中断的处理分为快速中断和正常中断，一般支持中断的嵌套。中断的优先权是由处理器来决定的，当然也可以由系统来设置，但不管哪种中断，时间都会是足够短的。

3.2.2 进程调度响应时间

中断响应了以后，一般中断函数都是非常简短的，只需要进行变量的设置，记录下外部事件的相关信息。真正的工作一般是在进程中进行的。进程在调度时，如果到该进程运行并且该进程发现中断对变量的改变，则该进程开始进行相应的处理动作。但进程调度本身，是由多种经典算法的，可以参考OS的理论部分。有些算法实时性稍高，但整体性稍差，有些则相反。正常情况下，不管哪种算法，系统的进程数越少，肯定响应越快；当时处理器的负担越小，响应越快。进程中屏蔽中断的地方越少，则平均响应越快。

3.2.3 应用程序响应时间

进程执行到该项任务时，余下的指令由于应用层执行，应用程序执行后将最终结果返回至用户。

3.3 硬件接口因素分析

由于在嵌入式系统设计过程中，硬件部分与应用软件的开发通常由两组设计人员分别负责，而且在项目进行过程中两个小组相互间基本没有相互交叉、覆盖的任务，软件工程师很少涉及和参与系统硬件的设计和开发，采用这种方式进行嵌入式系统的开发经常会出现硬件与软件接口性能故障，特别是硬件设计与软件开发的环境之间差异较大时，这种现象会更为突出。当然解决这种软硬件接口问题的最佳解决方案是软件开发人员同时参与系统硬件的设计，深入的了解应用软件的开发平台和硬件性能。但在系统的实际构建过程中，这种方案由于受到资金及人员的限制往往无法得以实施，另外一种折中的方案是创建一套软硬件接口标准，使硬件的设计依照接口标准进行，最优的接口设计标准和方案能有效地防止软件开发过程中出现不必要的硬件冲突故障。优化的硬件接口设计方案应至少应包含以下几个关键的因素：

a、标准总线式访问模式

从软件开发者角度来说，最优的硬件设计方案应确保带有标准读写指令的处理器能够不用考虑硬件载体的内容及时序，顺畅、透明的读取硬件资源。这样就要求硬件接口的设计应尽可能使用标准总线式访问模式，避免采用特殊总线。

b、接口设计应面向处理器

系统的硬件设计者应优先考虑处理器对硬件资源的访问方式，开发面向处理器的资源接口。

c、寄存器设计

硬件工程师应从寄存器的结构与访问方式、寄存器复位内容、寄存器域的设计等多方面、多角度、多层次进行寄存器的设计，以满足不同级别的处理器对于寄存器的访问需求。

d、统一设计习惯

难度较低的嵌入式系统的硬件设计可由单一的设计人员负责，但对于高难度，较为复杂的系统，硬件设计任务通常由多人合作完成。这种情况下，就会出现因设计者设计习惯的不同，采用不同标准的总线访问模式和寄存器设计方案，导致系统软件在运行过程中出现访问受限的故障。解决这一问题的最佳方案就是在硬件接口设计之初，确保每个部件的设计着眼于整体，与整体保持一致，统一总线访问模式和寄存器设计方案。

4.结论

a、将嵌入式控制系统应用于加热装置的自控系统，较现有的组态式自动控制系统或其他形式的加热装置的自控系统具有架构简洁，材料成本和制造成本低廉的特点。

b、基与单片机技术的嵌入式控制系统的组建和架设难度、维修难度较现有的自动控制系统更小、更简单，系统一旦出现问题可实现快速修复。

c、将新型的嵌入式控制系统广泛推广至加热装置产品后，将大幅度地降低加热装置自控系统的制造成本，使产品具有更强的市场竞争力。

参考文献

[1]毛德操,胡希明.嵌入式系统[M].杭州:浙江大学出版社,2003.

[2]贾立新.数字电路[M].浙江:电子工业出版社,2011.

[3]秦世才,贾香鸾.模拟电路基础[M].南京:南开大学出版社,1998.

作者简介：

董鹏娜（1975—），女，河南郑州人，郑州职业技术学院讲师。

李爱琴（1970—），女，河南郑州人，工学硕士，郑州职业技术学院讲师。