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。針對數據傳輸和工況環境的不同 要求，MCU主控制器可以不斷升級，以適應事務控制的擴充和處理速度的提高。對火焰大小的檢測提出了使用離子定向移動來判斷，并且創新地提出了用μA電流的大小來數字化火焰的大小，通過三角形斬波技術實現正常火焰范圍的界定。采用阻容移相技術和光耦的規律性開啟簡單有效地實現了對點火信號的特殊占空比要求。引入ProfibusDP技術實現了智能燒嘴控制器的從站化，使得遠端控制室能夠方便地掌握當前燒嘴的工作狀況。在軟件程序設計上注重冗余設計和故障緊急處理機制。這種新型的分布式燒嘴控制器具有廣闊的使用前景。
關鍵詞：燒嘴控制器；火焰；阻容移相；Profibus-DP
中圖分類號：TP202文獻標識碼：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計［J］.微型機與應用，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爐窯在熱處理領域運用越來越廣，但是天然氣本身易燃易爆，使用的安全可靠性特別重要［1］，因此針對工業爐窯的現場環境和加熱對象，研發智能燒嘴控制器具有十分重要的作用。工業爐窯熱處理的工藝過程復雜，流程長，所以多個燒嘴控制器分布式測量能有效提高溫度控制精度、降低故障率，保證工業爐窯的工況連續穩定，達到節能環保的目的［2］。
1系統方案設計
智能燒嘴控制器的設計注重功能的模塊化，以主控模塊為核心，配合兩級電源切換模塊、火焰檢測模塊、點火模塊、狀態指示模塊和DP通信模塊，如圖1所示。這樣的設計使其既可以作為一個完整的個體控制單個燒嘴，也可以與PLC或者DCS控制系統結合起來實現對整個工藝流程的控制。采用可編程模式MCU作為主控制器，控制邏輯通過軟件固化在Flash中，可以通過預留的JTAG口來調整燒嘴控制器的運行參數。采用兩級電源電池切換模式，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行。此外，燒嘴控制器做ProfibusDP智能從站化設計，利用工業現場的PLC組態優勢，可以直接通過ProfibusDP通信接口控制燒嘴控制器的運行和收集現場溫濕度等環境參數，并記錄在存儲模塊中方便維修時有據可查。控制信號部分與執行器部分分兩塊PCB板設計，以減少電磁干擾。將完成設計的控制信號部分用一個鐵盒密封后再與執行器板連接，防塵防電磁干擾。火焰檢測模塊主要利用燒嘴燃燒時燃燒介質發生電離，離子的定向移動產生μA級電流，對這種電流進行定量檢測。點火模塊采用阻容移相技術和光耦的規律性開啟，簡單有效地實現了點火信號的特殊占空比要求。狀態指示模塊采用八段數碼管顯示數字，根據數據字典對應點火過程中各個階段的狀態。
2硬件電路設計
燒嘴控制器的動作主要通過PLC和主控模塊之間的信號傳遞，然后配合外圍的點火變壓器、燒嘴點火電極和檢測電極來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構。
2.1火焰檢測電路
燒嘴燃燒介質電離時，離子的定向移動產生μA級電流，對這種電流進行定量檢測就能準確地判斷火焰的燃燒狀態。這樣的檢測方式不受光、熱、磁的干擾，反應靈敏，動作迅速。圖2所示為火焰μA電流檢測電路的原理圖。
μA電流檢測原理:由IO口（uCB-A7）發出頻率1 kHz的方波，通過RC電路在比較器的正極（U4B芯片的第5腳）輸出穩定的三角波，比較器的負極則是采樣電阻R58的電壓值，則比較器的輸出高電平時間即是三角波波峰切割U46電壓值的時間寬度。當μA電流值較小時,μA電流主要從1號箭頭方向流過。如圖3(a)所示，當μA電流為5 μA時，U4-6的電壓大約為2.23 V；當μA電流增大時，則2號箭頭也會有電流流過，甚至成為主要流動方向，此時電壓對電流的變化比之前緩慢得多;如圖3(b)所示，當μA電流為38 μA時，U4-6的電壓大約為0.7 V。當電流超過40 μA 或者電流方向反向，則報錯。這樣的設計好處在于，能夠有效區分μA電流不存在和外接電源斷路的情況,并且門檻電流的大小由主控制器設定，方便根據工況在線下載更新。
2.2點火電路
燒嘴點火時需要7 500 V的高壓，通常是由燒嘴控制器來控制點火高壓包的控制端。當給予點火高壓包占空比15%的交流電壓時，其輸出端會產生7 500 V的高壓瞬間劈開燒嘴電極與地之間的空氣，點燃燒嘴。圖4是本文設計的這種特殊點火電路的簡化仿真圖。
R50、C20構成阻容移相電路，R52上端電壓抬升至Vgt（1.3 V）時，且維持電流大于50 mA，則雙向晶閘管導通。一旦雙向晶閘管導通，R50、R51、R52、C20被旁路，當交流電源電壓降低到一定程度（過零前后，雙向晶閘管自行關斷），接著C20又被電源反向充電，重復上述過程。觸發電路是工作在交流電路中的，交流電壓的正、負半周分別會發送正、負觸發脈沖送到雙向晶閘管的控制極，使管子在正、負半周內對稱地導通一次。R51、R52是分壓電阻，BCR的門限電壓Vgt是1.3 V，只要在R52上的分壓大于Vgt，則BCR導通。光耦的通斷由主控模塊控制，當光耦不通時，點火電路不輸出；當光耦導通時，雙向晶閘管延遲一個角度打開，點火電路輸出火線信號。R53、 C21 支路并聯在電源線上，將高頻干擾電流旁路。如圖5所示，上側是模擬燃氣閥特性的Rvalve兩端電壓信號，下側是雙向晶閘管BTB12的控制極電壓信號。
2.3DP通信接口電路
ProfibusDP是一種高速低成本的通信方式，目前在冶金行業獲得了廣泛使用，特別適用于設備級控制系統與分散式IO通信。智能燒嘴控制器的工況參數都需要通過DP通信與工廠控制室交互信息［3］。
基于ProfibusDP總線的高速接口通信模塊以VPC3+C這款能夠支持多種DP版本協議的低功耗寬電壓芯片為主體設計，底層采用485接口方式，PLC端數據通過高速磁隔離總線收發芯片ADM2486和VPC3+C之間形成數據的雙向交換，DP協議芯片的固件程序放置在主控制器LPC2294中，利用LPC2294的三級流水線機制，處理和存儲系統的所有部分都可連續工作，這樣就破解了普通51接口DP芯片的數據緩存瓶頸，真正實現DP的高速性能。LPC2294對VPC3+C的主要控制信號包括讀信號OE、寫信號BLS、片選信號CS、重啟信號DP_RST和中斷信號EINT。因為VPC3+C只有8位數據地址，根據LPC2294外接存儲器規則，寫信號匹配采用BLS［0］。又因為VPC3+C作為片外存儲器的地址范圍在0x82000000~0x82FFFFFF之間，所以對應的片選信號為CS2。利用VPC3+C的XDATAEXCH腳外接被電源上拉的二極管信號燈可作為數據交換時的信號指示器。LPC2294主控制器與VPC3+C協議芯片之間采用數據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調試更為方便［4］。
3軟件程序設計
燒嘴控制器上電后，首先進行“大流量吹掃，小流量點火”的操作。因為目前工業爐窯所用的燃料一般為天燃氣、液化器、工業煤氣等介質，均屬有害、有毒、易燃、易爆氣體，所以準備階段時將空氣閥開到最高位置，將爐內的殘留氣體吹出爐外，避免爆炸，然后再將空氣閥調低等待點火。燒嘴控制器通過火焰監測模塊觀察此時有無火焰信號（以電離棒傳回的電流大于等于2 μA等效為有火焰信號，否則為無火焰信號）。若監測到有火焰信號，說明燒嘴控制器誤識別了，程序進入火焰模擬階段，給燒嘴控制器點火信號，延時10 s后再觀察有無火焰信號，則若無則可以進入正常點火程序，若有火焰信號則直接進入燒嘴控制器故障報警死鎖狀態。若監測到無火焰信號，則給燒嘴控制器點火信號，延時1 s，輸出點火變壓器的原邊信號并打開燃氣閥，此時點火變壓器產生7 500多伏的高壓電對燃氣點火。在打開燃氣閥后的5 s內，若檢測到有火焰信號，則點亮黃色LED燈指示燒嘴正常運行并傳回工況參數；若檢測到無火焰信號，則立即關閉燃氣閥并點亮紅色LED燈指示燒嘴故障同時燒嘴控制器死鎖，等待復位。圖6是智能燒嘴控制器主程序流程圖。
在燒嘴正常工作時燒嘴控制器對火焰進行監測，如果火焰熄滅燒嘴控制器立即執行故障鎖定報警操作。
4結論
本文設計了一種新型分布式燒嘴控制器，針對數據傳輸和工況環境的不同 要求，MCU主控制器可以不斷升級，以適應事務控制的擴充和處理速度的提高。對火焰大小的檢測提出了使用離子定向移動來判斷，并且創新地提出了用μA電流的大小來數字化火焰的大小，通過三角形斬波技術實現正常火焰范圍的界定。把點火信號的特殊占空比要求采用阻容移相技術和光耦的規律性開啟簡單有效地實現。引入ProfibusDP技術實現了智能燒嘴控制器的從站化，使得遠端控制室能夠方便地掌握當前燒嘴的工作狀況。在軟件程序設計上注重冗余設計和故障緊急處理機制，所以這種新型的分布式燒嘴控制器有廣闊的使用前景。
參考文獻
［1］ 劉和平，趙衛東，石云卿,等.IFS258燒嘴控制器在熱處理加熱系統中的應用［J］.有色金屬加工，2003，32(4):52-53.
［2］ 胡玲艷, 唐鍇，沙秀章,等.應用IFW15T進行燒嘴控制器的設計［J］.自動化與儀表，2009,24(4)：15-18.
［3］ HONG S H, KIM K A. Implementation and performance evaluation of profibus in the automation systems［C］.IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 1997：187-192.
［4］ 李正軍. 現場總線技術及其應用技術［M］. 北京:機械工業出版社, 2005.