基于遠程監視技術的電鍋爐溫控系統

周建新　趙南生　于瑋

摘 要：針對我國鍋爐使用中的現實問題，介紹了一種基于遠程監視技術的電鍋爐溫控系統。在分析熱電阻PT100測溫原理的基礎上，設計了恒流源測量電路，并結合分段線性化、均值濾波等方法，有效提高了測量精度。將RS485總線技術應用于本系統，既提高了鍋爐監管的質量，也節約了監管成本。

關鍵詞：遠程監視；電鍋爐；熱電阻；溫度控制；RS485

中圖分類號：TP273.5

電鍋爐作為一種環保型鍋爐，具有體積小、熱效率高、使用方便等優點，在生產、生活的多個領域均有著廣泛應用。隨著科學技術的更新換代以及管理理念的不斷提升，企業對鍋爐的性能要求越來越高。鍋爐溫度控制是生產過程中經常遇到的技術難題，由于被控對象具有非線性的特征，一直以來都是行業研究的熱點[1]。對于蒸汽鍋爐來說，有效控制其內膽的溫度是提升鍋爐安全性與經濟性的主要途徑。本文介紹了一種基于遠程監視技術的電鍋爐溫控系統。在精確測量鍋爐溫度的同時，將數據通過RS485總線上傳到遠端，以便于集中監管，進一步提高工業控制的自動化程度。

1 熱電阻PT100測溫原理

熱電阻PT100作為一種穩定性、抗沖擊性均較好的溫度傳感器，被廣泛應用于溫度測量領域。在-200℃至600℃之間，PT100的阻值Rt與環境溫度t之間的關系可由下式表述：

其中，R0為PT100在0℃下的標準阻值100Ω，A=3.9×10-3℃-1，B=-5.8×10-7℃-2，溫度t采用攝氏溫標[2]。由于本系統的實驗溫度設定在0-100℃，因此在上述分段函數中，選取t大于0℃的部分。但溫度與阻值并非線性關系，考慮到B值較小，故將上式進一步簡化為：

其中，溫度t從0℃開始，每隔20℃，方程進行一次端到端的線性擬合，即分段線性化處理。

2 系統硬件設計

2.1 系統總體結構

鍋爐溫控系統的結構框圖如圖1所示，主要由以下5個部分組成：測溫電路、溫控電路、RS485接口電路、液晶顯示電路、聲光報警電路。所有外圍電路均通過STC12C5620AD微控制器統一管理，由于芯片內部集成了10位的ADC模塊，所以無需外接A/D轉換器便可對前端采集的溫度信號實現模數轉換。

系統工作過程可描述為：傳感器將檢測到的爐內溫度實時傳輸至微控制器進行運算，CPU根據初始設定的上下限溫度判斷當前是否需要啟用溫控電路，當溫度低于下限值時，溫控電路啟動加熱，當溫度高于上限值時，加熱器停止加熱，并伴有聲光提示，從而保證溫度在上下限之間波動。當前溫度值在由液晶顯示的同時還通過RS485總線傳輸至遠端的監控中心，實現快捷的信息匯集。

2.2 測溫電路設計

根據公式2中溫度與材料阻值的對應關系，不難發現測溫電路的核心工作就是測量PT100的電阻值。與電橋法相比，恒流源法更便于將電阻值轉化為電壓值，有利于電阻的測量。本系統采用LM134三端可調電流源芯片產生恒定電流，該芯片可適應大范圍的動態輸入電壓，輸出電流的調節區間在1μA到10mA，具有較強的噪聲抑制能力和較快的動態響應特性。測溫電路原理圖如圖2所示，LM134周邊的電流關系可表述為：

其中，Iset為輸出電流，Ibias為偏置電流，I1和I2分別為流過兩個設置電阻Rb1和Rb2的電流。由于LM134的溫度系數為+227μV/℃，而二極管的溫度系數為-2.5mV/℃，在室溫25℃條件下，當Rb2/Rb1=10/1時，公式3可以進一步簡化為[3]：

Iset≈0.134V/Rb1 （4）

此時，恒流源整體表現出來的溫度系數為零，即構成零溫漂的恒流源。

為了消除引線電阻對測量結果的影響，采用三線制接法將PT100接入電路。如圖2所示，當連接熱電阻兩端引線的材料、長度及直徑一致時，有RLine1=RLine2=RLine3=RL。另一方面，由于與PT100級聯的前置放大器采用了具有高輸入阻抗、高共模抑制比的儀表放大器OP07，即可以認為運放輸入端近似于“虛斷”，因此得出下式：

解得： ，即消除了引線阻值對測量結果的影響。

由于V1近似于OP07的正相輸入電壓，V2近似于其反相輸入電壓，適當調整反饋電阻與平衡電阻的阻值，便能通過硬件實現2V2-V1，不但提高了運算效率，也簡化了軟件編程。

2.3 RS485接口電路設計

RS485是一種通信距離遠、成本低、易維護的串行總線，一般只需要二根線便可傳輸數據，由于采用了平衡驅動與差分接收相結合的方式[4]，因而具有良好的抗干擾性能。RS485接口電路原理圖如圖3所示，選用MAX485實現微控制器的TTL電平與RS485電平之間的轉換。為避免引入噪聲，引腳連接均通過光耦隔離，信號傳輸方向由控制器的P2.1引腳電平決定。RS485的兩個差分端口分別作上/下拉處理，以確?？偩€空閑時的電平狀態，同時跨接120Ω電阻進行阻抗匹配，減少信號反射。

3 系統軟件設計

系統主程序流程圖如圖4所示。系統初始化后，啟動片內ADC采集5次電壓信號，將均值濾波后的平均值作為測量值。測得的電壓除以恒流源設定電流即為PT100的電阻值，進而查詢分度表獲得對應的溫度值。加熱器根據當前溫度，判斷是否需要開啟。所有動作完成后，本地顯示溫度值，并通過串行總線發送數據。

數據發送環節通過中斷實現，當中斷發生時，首先從RS485串行總線上接收地址幀，若地址幀有效，則接收命令幀，完成信息校驗，否則丟棄該地址且中斷返回；只有當校驗結果正確時才發送數據，否則返回主程序。

4 結束語

自動化控制系統與工業總線的有機結合是近年來智能儀表的發展趨勢，本文的研究內容是將兩者應用于電鍋爐的溫控領域，與傳統的人工操控相比，效率更高、成本更低。RS485總線的引入不但有利于信息上傳，也為后續組建監控網絡提供了硬件平臺，真正實現規?；亩帱c監控。實驗結果表明，本系統運行穩定，通信距離約800m，滿足一般監控領域的需求。

參考文獻：

[1]韓文虹，趙廣復.一種基于模糊PID的工業鍋爐溫度控制系統設計[J].制造業自動化，2014（04）：134-136.

[2]劉兵，努爾買買提·阿布都拉.基于pt100的溫度測控實驗裝置的開發與應用[J].新疆大學學報（自然科學版），2009（03）：376-378.

[3]李銀祥，胡軍，姚向東.三端可調恒流源LM334及其應用[J].現代儀器，2002（01）：23-25.

[4]郭慶亮.利用RS-485實現多路溫度測量[J].電子產品世界，2010（03）：42-44.

作者簡介：周建新（1968-），男，后勤集團主管，研究方向：鍋爐控制、機械工程及自動化；趙南生（1967-），男，技師，本科，研究方向：機電一體化；通訊作者：于瑋（1986-），男，助理實驗師，碩士，研究方向：計算機測控技術。

作者單位：南通大學 后勤集團，江蘇南通 226019；南通大學 工程訓練中心，江蘇南通 226019

基金項目：2014年南通大學自然科學基金項目（項目編號：14Z006）。