一種智能溫室中甲醇鍋爐供熱控制器的設計

劉澤楠 韓雁明

摘 要：本文設計研發一種甲醇鍋爐智能控制器，用于農業智能溫室中自動供熱的實現。實現對爐內燃料物位、鍋爐回水溫度、鍋爐出水溫度、鍋爐爐膛溫度等實時檢測，確保鍋爐安全穩定的運行，并配以報警系統，實現水溫的安全監測。并設計人機交互界面，操作人員可實現溫度、液位控制和檢測。同時通過WIFI模塊將爐內溫度和液位數據上傳至中移動OneNET云平臺，方便工作人員對數據進行實時監測和后期處理。

關鍵詞：甲醇鍋爐;自動控制;監測;云平臺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.107

甲醇鍋爐是一種新型綠色環保燃料鍋爐是廣大企業、工廠、居民社區采暖和洗浴的理想產品。采用可靠的甲醇燃料作為鍋爐燃料，不僅大大降低硫和氮氧化物的排放。甲醇鍋爐空間占用少，運輸方便，基建投資少，安裝簡單方便，在農業溫室中使用，該種類鍋爐真正的做到了燃燒清潔、排放無污染、出力充足[1-4]。研究一種基于甲醇鍋爐的智能控制器，實現甲醇鍋爐的智能監測控制對于甲醇鍋爐的廣泛推廣具有重要意義，可以對經濟效益、環境效益和社會效益有顯著的影響。

1 智能控制器的方案設計

在各種工作環境下安全可靠運行和全視角直觀顯示鍋爐系統工作狀態是保證鍋爐系統安全的必要條件之一。甲醇鍋爐的智能控制器應該具有對燃料位、水位、溫度等要素的實時監測功能，同時具有針對異常狀況的報警和緊急處理功能以實現自動保護，同時具備良好的人機交互，方便操作者進行控制。

本設計在中外相關資料的基礎上，調查當前鍋爐使用和控制現狀，并對甲醇鍋爐進行探討，對以下幾方面進行設計：對輸入端和輸出端進行指標檢測與控制，再配以報警系統、顯示系統，使整套控制器更完善，方便工作人員實時操作[5-6]。甲醇鍋爐控制器如圖1所示：

本設計主要從以下幾點進行控制：

1.1 燃料剩余檢測

在主頁面點擊燃料之后，會進入燃料檢測界面，通過外部設施傳感器來獲取準確的燃料剩余信息，并且在顯示屏幕中實時顯示出來。

1.2 爐內溫度控制

在溫度回差控制頁面，控制四個時間段的溫度回差，并實時監測爐內溫度，若爐內溫度沒到停爐溫度設定值時，啟動燃燒器;到停爐溫度時關閉燃燒器;溫度小于點火溫度時，大火輸出;溫度升到轉火溫度時，小火輸出。當爐內溫度到停爐溫度設定值時，關閉加熱系統。顯示屏依據停爐流程顯示響應的工況提示。

1.3 報警系統

（1）超溫報警：當爐水溫度超過停爐溫度設定值時，控制器進入超溫報警保護，蜂鳴器聲報警，顯示“超溫”;同時關閉循環泵、燃燒器。

（2）缺水報警：當水位低于水位電極時，控制器進入缺水報警保護，蜂鳴器聲報警，顯示“缺水”;同時關閉循環泵、燃燒系統。

（3）報警處理：控制器一旦進入報警保護，所有已發生的故障都被記憶，在故障未排除之前，循環泵、燃燒機鍵不被響應。故障排除后每按一次幫助鍵清除一個故障記憶，直至所有記憶被清除，控制器回到待機狀態，如記憶不能清除表示故障還存在故障排除后確認爐溫、水位等符合運行條件方可重新啟動運行。（備注：超溫報警以后，為防止水系空轉，水系也需停止。）

1.4 24h全自動控制

無需人工，設定好合適的溫度和工作時間后即可實現鍋爐的自動運行和停止。并且可以根據需求實現不同時段控制。

1.5 通信系統

本設計添加WIFI模塊，定時將當前爐內溫度和液位數據上傳至中移動物聯網OneNET云平臺上，方便工作人員的實時獲取和監測。

2 智能控制器硬件設計

2.1 STM32最小系統的設計

本次設計選擇的核心芯片是 STM32F103RBT6 ，其擁有多個SPI、串口、眾多定時器以及很過可用 IO 腳，由于本設計中外圍設備比較多，設備應用的通信方式也不一相同：A/D轉換芯片就需要15個I/O口和一個PWM進行提供時鐘;射頻卡模塊應用的是SPI模式需要一個SPI;顯示屏也應用的SPI模式，不過在程序中是應用4個I/O口進行模擬SPI模式;通道選擇器需要用到2個引腳進行2個通道的選擇;燒寫程序用的是SW的燒寫模式，此模式應用引腳較少;串口調試需要PA9與PA10兩個引腳進行串口調試及通信;SD卡需要6個I/O口引腳進行驅動，由此，STM32F103RBT6的資源符合要求，所以選擇了它作為設計的主芯片。STM32的最小系統原理圖如圖2：

2.2 溫度采集模塊

DS18B20是Dallas公司繼DS1820后推出的一種改進型數字溫度傳感器[4]。DS18B20 溫度傳感器高耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫以及控制領域。溫度傳感器的分辨率最大可達0.0625 ℃，測溫范圍是-55℃～125℃，可以直接讀出被測溫度值。此外，采用3 線制與單片機相連，簡化了外部硬件電路，易使用，成本低。工作原理是DS18B20先初始化，然后采集環境溫度，接著將處理過后的數據傳輸至顯示屏。

2.3 超聲波液位采集模塊電路

超聲波測距是利用聲波具有反射特性，且其在空氣中的傳播速度已知，通過計算出從發射-接收的回波時間（T）就可計算出測試點到障礙物的距離。微控制器控制脈沖產生電路產生40kHz信號后經功率幅值放大電路和超聲波探頭連接，超聲波探頭發出回波信號經放大電路、濾波電路、A/D轉換電路后將數據送回微控制器，如圖3-2所示。由于傳播速度與溫度有關，為了精確測距，系統加入了溫度測量模塊，采用單總線數字式溫度傳感器DS18B20測量實時溫度進行溫度補償。通過液面到頂部距離S=VT/2，其中V為超聲波在空氣中的傳播速度，T為測量距離傳播的時間差。設計中利用超聲波測距模塊測量出S，然后用水塔高度L減去S，即可得到液位高度H。

2.4 A/D轉換電路的設計

為了得到A/D轉換能夠測量出很高的精度，本次的A/D轉換電路的設計采用4位動態時分的芯片，芯片測量范圍為正負2V，并以BCD碼的輸出模式將轉換出來的數據輸出，其擁有很高的精度。本設計中，為了讓ICL7135的工作既可靠又高轉速的處理數據，將時鐘輸入端的時鐘頻率設置為125KHz，那么其相應的轉換速率為6次/秒，時鐘頻率的控制在本設計應用STM32的PWM模式進行分頻得到相應的頻率。

A/D轉換芯片ICL7135需要進行比較的基準電壓，本設計將選擇基準電壓是1V，因此ICL7135的量程是-2～+2V。在進行基準電壓的設計時，設計采用MC1403提供基準電壓源，其輸出的電壓是2.5V，設計為了得到1V的基準電壓，進行電阻分壓的方法來得到。

2.5 顯示模塊的設計

本設計的顯示模塊應用的是OLED顯示屏，此屏應用SPI模式進行驅動，應用STM32的引腳PB7控制時鐘、PB5控制數據、PB12控制復位、PB13控制讀寫，其中還存在一個片選引腳，再次設計中直接將其與GND連接，這樣可以省去一些引腳資源，直接進行屏幕的控制就行。在屏幕程序中，要進行數字的寫入，字符串的生成和漢字的填入，再此分別寫了三個小程序進行方便控制屏幕的書寫，并且添加了一個漢字庫。

2.6 電源模塊的設計

在電路設計中，電源的設計應該也是很重要的一環，由于主控電路中用到了12V、5V和3.3V的電壓，AC/DC電源模塊選用高能立方品牌工業級220V轉12V/2A開關電源隔離穩壓模塊 ，12V用于繼電模塊供電，5V用于電源轉換模塊的輸入。用LM1117將5V轉換成3.3V電壓，給STM32芯片提供所需要的電壓。電源轉換模塊芯片LM1117，其可進行降壓穩壓器，它的內部存在集成電路進行過熱保護，并且此芯片具有限流電路對于電路有很好的保護作用。

3 軟件設計

本設計中的整體功能設計如上圖3所示，整體分為智能控制模塊和手動控制模塊。智能控制操作簡單，功能完整，可以實現設定時間區段、設定標準溫度、設定回差溫度、溫度自動控制、燃料監測報警、傳感器異常報警等功能。大幅提升甲醇鍋爐的智能化控制程度，節省人力。手動控制模塊可以實現手動控制水泵、手動控制燃燒機功能，對與智能控制起到補充作用，確保系統安全工作。

3.1 人機交互程序設計

本系統人機交互界面如圖4所示。開機進入顯示界面后，在右上角可選擇智能模式和手動模式。智能模式中可選擇進入溫度控制模塊和燃料控制模塊。溫度控制模塊中首先需要選擇智能工作的時間區段?？梢栽O置四個時間區段，開始時間與結束時間可調節。選中時間區段后點擊進入對應的溫度設置，首先設置標準溫度，然后設定回差溫度。完成設置后，點擊開始，設備進入智能控制狀態。智能控制狀態下設備工作流程將在4.3中介紹。手動模式中，界面中間顯示有水泵和燃燒機兩個按鍵，通過按鍵可以人工控制水泵開啟和燃燒機開啟。

4 總結

本設計可實現對甲醇鍋爐的智能控制，經測試，在智能工作狀態下，系統整體工作穩定，可以實現預設功能。手動操作模式可對智能? 模式進行外部中斷，保證系統安全。我們同時對于設備的聯網也進行了一定研究，在云平臺的數據保存與處理方面取得了一些成果，這也是我們下一步需要完善的地方。

參考文獻：

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[5]土欣然，能立，瑪鵬娟.淺談甲醇鍋爐系統方案[J].工業技術，2015（21）：107.

[6]Donald F.Othmer，李錦春.甲醇用作燃料和原料[J].天然氣化工，1982（03）：54-56.

本項目為石家莊鐵道大學研究生資助項目，項目號為YC2018096。

作者簡介：劉澤楠（1995-），男，山西長治人，碩士研究生，研究方向：農業物聯網。