基于單片機(jī)的智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)了冶金軋鋼退火爐、環(huán)形爐、罩式爐安全快速智能點(diǎn)火控制裝置。智能點(diǎn)火控制裝置由單片機(jī)控制硬件控制邏輯，再由硬件控制邏輯控制打火、開關(guān)閥等動(dòng)作，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警而單片機(jī)未能給出報(bào)警信號(hào)給硬件控制邏輯時(shí)，硬件控制邏輯會(huì)在一定時(shí)間后自行報(bào)警。本裝置在工作時(shí)，UV探測器對(duì)火焰實(shí)時(shí)檢測，一旦無火焰信號(hào)會(huì)及時(shí)傳輸給單片機(jī)和硬件控制邏輯。正是由于實(shí)時(shí)檢測和雙重保護(hù)使得整個(gè)點(diǎn)火控制裝備在使用的時(shí)候更可靠更安全。另外本裝置還可以通過修改軟件運(yùn)用在不同的生產(chǎn)工藝上，具有很強(qiáng)的可移植性。
關(guān)鍵詞：硬件控制邏輯；程序控制；UV探測器；可靠安全

    智能點(diǎn)火控制裝置在冶金行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用，主要運(yùn)用在軋鋼退火爐、環(huán)形爐、罩式爐等方面，但現(xiàn)在用于冶金行業(yè)點(diǎn)火控制裝置存在一定的缺陷，點(diǎn)火控制時(shí)間是根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境固定設(shè)計(jì)，但不同生產(chǎn)工藝對(duì)點(diǎn)火時(shí)間的控制有著不用的要求。
    本實(shí)用新型智能點(diǎn)火控制裝置可以控制點(diǎn)火時(shí)間，確保在點(diǎn)火時(shí)按一定的程序逐次實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火過程，同時(shí)可隨時(shí)修改控制參數(shù)，方便不同生產(chǎn)工藝的使用，以保證點(diǎn)火過程順利而安全的完成。在點(diǎn)火裝置使用的過程中，使用紫外線(UV)傳感器來適時(shí)檢測火焰，且當(dāng)加熱爐無火時(shí)，軟件會(huì)報(bào)警，如果軟件報(bào)警失效，一定延時(shí)后硬件電路報(bào)警，這樣的雙保護(hù)確保了整個(gè)點(diǎn)火控制裝置在使用時(shí)更加安全可靠。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)總體框圖
    系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，圖中CPU所有的輸入輸出都是通過光耦完成的，這樣使信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力加強(qiáng)。遠(yuǎn)程復(fù)位讓裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，模式控制控制打火時(shí)間和開主閥時(shí)間，火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^火焰探測電路將信號(hào)傳輸給CPU，CPU輸出信號(hào)給硬件控制邏輯，由硬件控制邏輯來進(jìn)行點(diǎn)火、開點(diǎn)火閥、主氣閥和空氣閥、報(bào)警，最后報(bào)警信號(hào)又輸入給CPU，使CPU知道裝置的運(yùn)行狀態(tài)，繼而發(fā)出正確的指令，使整個(gè)點(diǎn)火控制過程有條不紊的進(jìn)行。

1．2 系統(tǒng)主要功能
    正常情況下，CPU根據(jù)輸入信號(hào)控制硬件控制邏輯來進(jìn)行點(diǎn)火、探火、開關(guān)大小閥門或報(bào)警，而當(dāng)CPU跑飛或由于其他原因停止工作進(jìn)入非正常工作狀態(tài)，硬件控制邏輯會(huì)在一定延時(shí)后自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警。這樣的多層保護(hù)使得整個(gè)裝置在運(yùn)行的過程中更加安全可靠。
    系統(tǒng)的主要功能如下：
    1)按下啟動(dòng)信號(hào)，進(jìn)入工作狀態(tài)，首先檢測有無虛假火焰信號(hào)，如有則輸出故障信號(hào)。如正常，開啟點(diǎn)火變壓器和點(diǎn)火閥，進(jìn)入點(diǎn)火狀態(tài)，如有火，為點(diǎn)火成功。開啟主氣閥。如無火，為點(diǎn)火失敗，2秒后關(guān)閉所有控制輸出，報(bào)警鎖定，輸出失敗信號(hào)。
    2)點(diǎn)火成功后，主氣閥的開啟時(shí)間(安全時(shí)間)可由開關(guān)設(shè)置(3S、5S或10S)。
    3)空氣閥的動(dòng)作可選擇跟隨點(diǎn)火閥開啟、或跟隨主氣閥開啟、或由外部人工開啟控制(用于爐窯吹掃)。
    4)正常工作后，如有火焰信號(hào)，保持正常工作直至工作信號(hào)撤銷，回復(fù)到待機(jī)狀態(tài)，如無火焰信號(hào)則由CPU來控制處理方法，有下列3種：
    ①立即關(guān)閉全部控制輸出，報(bào)警鎖定，輸出失敗信號(hào)。
    ②延時(shí)一段時(shí)間后(時(shí)間可調(diào))，如仍無火焰信號(hào)，關(guān)閉全部控制輸出，報(bào)警鎖定，輸出失敗信號(hào)。
    ③關(guān)閉全部控制輸出，重新啟動(dòng)，如點(diǎn)火成功，進(jìn)入工作狀態(tài)，如點(diǎn)火失敗，關(guān)閉全部控制輸出，報(bào)警鎖定，輸出失敗信號(hào)。
    當(dāng)CPU跑飛或由于其他原因停止了工作，這時(shí)硬件控制邏輯會(huì)在一定延時(shí)后自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警，輸出故障信號(hào)。
    5)控制器在待機(jī)狀態(tài)時(shí)仍檢測火焰信號(hào)，如出現(xiàn)連續(xù)10S的火焰信號(hào)，則斷開控制輸出電源，報(bào)警鎖定，輸出故障信號(hào)。
    6)故障／失敗狀態(tài)出現(xiàn)后將一直保持鎖定，不受工作信號(hào)和斷電的影響，只有人工干預(yù)復(fù)位后才可以解除故障／失敗狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)
    本裝置主要由CPU電路、點(diǎn)火電路、探火電路、硬件控制邏輯和繼電器保護(hù)電路等組成。CPU選用的是MEG16芯片，控制整個(gè)點(diǎn)火過程；點(diǎn)火電路對(duì)加熱爐進(jìn)行點(diǎn)火；探火電路實(shí)時(shí)檢測爐內(nèi)火焰；硬件控制邏輯控制整個(gè)點(diǎn)火裝置的輸出，并且當(dāng)CPU失效時(shí)能自行啟動(dòng)報(bào)警；繼電器保護(hù)電路是為了控制開閥順序和保護(hù)電路。下面對(duì)幾個(gè)電路進(jìn)行具體介紹。
2．1 硬件控制電路
    硬件控制電路如圖2所示，J為雙線包繼電器，上面的線包只能控制開關(guān)向下動(dòng)作，下面的線包只能控制開關(guān)向上動(dòng)作，且斷電的情況下具有記憶功能。圖中可以看出，報(bào)警的產(chǎn)生是由555和CPU同時(shí)控制。無報(bào)警情況下控制芯片ULN2003A使能，CPU通過ULN2003A控制點(diǎn)火變壓器、點(diǎn)火閥、主氣閥和空氣閥，裝置正常工作。當(dāng)正常工作無火時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅鲗⑿盘?hào)傳輸給CPU，CPU給出報(bào)警信號(hào)使三極管Q導(dǎo)通，繼電器J工作，ULN2003A不使能，鎖定所有CPU輸出，裝置進(jìn)入鎖定狀態(tài)，無任何輸出。

    當(dāng)沒火，而CPU由于某種原因沒有給出報(bào)警信號(hào)時(shí)，這時(shí)如果點(diǎn)火閥或者主氣閥有一個(gè)開著，555就會(huì)延時(shí)一段時(shí)間給出一個(gè)高電平使Q導(dǎo)通，ULN2003A不使能，鎖定所有輸出。在555延時(shí)的這段時(shí)間，如果又有火或者兩個(gè)閥門同時(shí)關(guān)閉，555會(huì)自動(dòng)重新延時(shí)。
    由于有CPU和555的雙重保護(hù)，使得整個(gè)裝置在使用時(shí)更加安全。
2．2 點(diǎn)火電路
    點(diǎn)火電路如圖3所示，圖中MOC3023為雙向可控硅光耦，SCR為雙向可控硅，RV1為壓敏電阻，起到保護(hù)電路的作用。當(dāng)有打火信號(hào)(低電平)時(shí)，光耦工作，4端和6端導(dǎo)通，SCR的G、K兩端有電壓差，觸發(fā)SCR導(dǎo)通，A、K兩端導(dǎo)通，變壓器工作，輸出高壓給離子棒產(chǎn)生火花，從而進(jìn)行點(diǎn)火。由于在打火時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，所以在火線與零線接入C2和R5來進(jìn)行濾波，減小干擾。

2．3 火焰檢測電路
    火焰的發(fā)射光譜是由紫外、可見光和紅外光的電磁輻射波段組成，火焰探測可以使用紫外線傳感器和紅外線傳感器，本裝置使用的紫外線傳感器。

    紫外線傳感器工作原理如圖4所示。在紫外線傳感器的陰極和陽極之間加上電壓后，當(dāng)火焰中的紫外線透過石英玻璃管照射在光電面的陰極上時(shí)，由于陰極涂敷有電子放射物質(zhì)，陰極就會(huì)發(fā)射光電子。在強(qiáng)電場的作用下，光電子被吸向陽極，光電子高速運(yùn)動(dòng)時(shí)與管內(nèi)氣體分子相碰撞而使氣體分子電離，氣體電離產(chǎn)生的電子再與氣體分子相碰撞，最終使陰極和陽極間被大量的光電子和離子所充斥，引起雪崩放電現(xiàn)象，電路中生成大的電流。當(dāng)沒有紫外線照射時(shí)，陰極和陽極間沒有電子和離子的流動(dòng)，呈現(xiàn)出相當(dāng)高的阻抗。

    外圍檢測電路如圖5所示，圖中輸入端為UV探測器的輸出端，當(dāng)有火焰時(shí)，輸出端有較大的電流信號(hào)，電流大小可測，電流通過電阻到Q1的基級(jí)，Q1的集電極接Q2的基級(jí)，之后在Q2和Q1的發(fā)射級(jí)就有電壓差，這樣火焰指示燈亮，同時(shí)通過電阻R8將火焰信號(hào)傳輸給CPU。電路還可以通過調(diào)節(jié)電位器RV1來調(diào)節(jié)火焰探測的靈敏度。此電路組成簡單，但對(duì)火焰探測非常準(zhǔn)確、靈敏。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

    1)初始化時(shí)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)State=0，關(guān)閉所有輸出。
    2)外部如果有報(bào)警則State=1，這時(shí)等待遠(yuǎn)程復(fù)位信號(hào)的到來，當(dāng)有復(fù)位信號(hào)時(shí)State=2。如果外部沒報(bào)警則直接State=2。
    3)State=2進(jìn)入點(diǎn)火，點(diǎn)火之前先判斷爐內(nèi)有火沒，如果有火則不打火，沒火進(jìn)行點(diǎn)火到State=3。
    4)State=3進(jìn)行點(diǎn)火，開啟點(diǎn)火變壓器和點(diǎn)火閥。點(diǎn)火后判斷點(diǎn)火成功否，點(diǎn)火成功State=4，點(diǎn)火不成功則輸出報(bào)警，關(guān)閉所有輸出，State=0。
    5)State=4開啟主氣閥，裝置正常工作。實(shí)時(shí)監(jiān)測火焰電流信號(hào)，一旦無火焰電流信號(hào)則State=5。
    6)State=5為熄火反應(yīng)，由模式控制開關(guān)選擇。State=6為立即報(bào)警；State=7為延時(shí)三秒報(bào)警；State=8為重新點(diǎn)火。

5 結(jié)束語
    目前智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)已在鋼廠投入使用，運(yùn)行良好。智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)成本低但運(yùn)行安全穩(wěn)定，能夠通過修改軟件來適應(yīng)不同的生產(chǎn)工藝，且具有軟件硬件的雙重保護(hù)和火焰實(shí)時(shí)檢測等特點(diǎn)，其運(yùn)用環(huán)境應(yīng)該更加廣闊，但智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)目前還只僅僅運(yùn)用于罩式加熱爐，相信在不久的將來，智能點(diǎn)火控制系統(tǒng)會(huì)慢慢的運(yùn)用于其它的加熱爐，讓更多的鋼廠熟知。