基于远程监视技术的电锅炉温控系统

周建新　赵南生　于玮

摘 要：针对我国锅炉使用中的现实问题，介绍了一种基于远程监视技术的电锅炉温控系统。在分析热电阻PT100测温原理的基础上，设计了恒流源测量电路，并结合分段线性化、均值滤波等方法，有效提高了测量精度。将RS485总线技术应用于本系统，既提高了锅炉监管的质量，也节约了监管成本。

关键词：远程监视；电锅炉；热电阻；温度控制；RS485

中图分类号：TP273.5

电锅炉作为一种环保型锅炉，具有体积小、热效率高、使用方便等优点，在生产、生活的多个领域均有着广泛应用。随着科学技术的更新换代以及管理理念的不断提升，企业对锅炉的性能要求越来越高。锅炉温度控制是生产过程中经常遇到的技术难题，由于被控对象具有非线性的特征，一直以来都是行业研究的热点[1]。对于蒸汽锅炉来说，有效控制其内胆的温度是提升锅炉安全性与经济性的主要途径。本文介绍了一种基于远程监视技术的电锅炉温控系统。在精确测量锅炉温度的同时，将数据通过RS485总线上传到远端，以便于集中监管，进一步提高工业控制的自动化程度。

1 热电阻PT100测温原理

热电阻PT100作为一种稳定性、抗冲击性均较好的温度传感器，被广泛应用于温度测量领域。在-200℃至600℃之间，PT100的阻值Rt与环境温度t之间的关系可由下式表述：

其中，R0为PT100在0℃下的标准阻值100Ω，A=3.9×10-3℃-1，B=-5.8×10-7℃-2，温度t采用摄氏温标[2]。由于本系统的实验温度设定在0-100℃，因此在上述分段函数中，选取t大于0℃的部分。但温度与阻值并非线性关系，考虑到B值较小，故将上式进一步简化为：

其中，温度t从0℃开始，每隔20℃，方程进行一次端到端的线性拟合，即分段线性化处理。

2 系统硬件设计

2.1 系统总体结构

锅炉温控系统的结构框图如图1所示，主要由以下5个部分组成：测温电路、温控电路、RS485接口电路、液晶显示电路、声光报警电路。所有外围电路均通过STC12C5620AD微控制器统一管理，由于芯片内部集成了10位的ADC模块，所以无需外接A/D转换器便可对前端采集的温度信号实现模数转换。

系统工作过程可描述为：传感器将检测到的炉内温度实时传输至微控制器进行运算，CPU根据初始设定的上下限温度判断当前是否需要启用温控电路，当温度低于下限值时，温控电路启动加热，当温度高于上限值时，加热器停止加热，并伴有声光提示，从而保证温度在上下限之间波动。当前温度值在由液晶显示的同时还通过RS485总线传输至远端的监控中心，实现快捷的信息汇集。

2.2 测温电路设计

根据公式2中温度与材料阻值的对应关系，不难发现测温电路的核心工作就是测量PT100的电阻值。与电桥法相比，恒流源法更便于将电阻值转化为电压值，有利于电阻的测量。本系统采用LM134三端可调电流源芯片产生恒定电流，该芯片可适应大范围的动态输入电压，输出电流的调节区间在1μA到10mA，具有较强的噪声抑制能力和较快的动态响应特性。测温电路原理图如图2所示，LM134周边的电流关系可表述为：

其中，Iset为输出电流，Ibias为偏置电流，I1和I2分别为流过两个设置电阻Rb1和Rb2的电流。由于LM134的温度系数为+227μV/℃，而二极管的温度系数为-2.5mV/℃，在室温25℃条件下，当Rb2/Rb1=10/1时，公式3可以进一步简化为[3]：

Iset≈0.134V/Rb1 （4）

此时，恒流源整体表现出来的温度系数为零，即构成零温漂的恒流源。

为了消除引线电阻对测量结果的影响，采用三线制接法将PT100接入电路。如图2所示，当连接热电阻两端引线的材料、长度及直径一致时，有RLine1=RLine2=RLine3=RL。另一方面，由于与PT100级联的前置放大器采用了具有高输入阻抗、高共模抑制比的仪表放大器OP07，即可以认为运放输入端近似于“虚断”，因此得出下式：

解得： ，即消除了引线阻值对测量结果的影响。

由于V1近似于OP07的正相输入电压，V2近似于其反相输入电压，适当调整反馈电阻与平衡电阻的阻值，便能通过硬件实现2V2-V1，不但提高了运算效率，也简化了软件编程。

2.3 RS485接口电路设计

RS485是一种通信距离远、成本低、易维护的串行总线，一般只需要二根线便可传输数据，由于采用了平衡驱动与差分接收相结合的方式[4]，因而具有良好的抗干扰性能。RS485接口电路原理图如图3所示，选用MAX485实现微控制器的TTL电平与RS485电平之间的转换。为避免引入噪声，引脚连接均通过光耦隔离，信号传输方向由控制器的P2.1引脚电平决定。RS485的两个差分端口分别作上/下拉处理，以确保总线空闲时的电平状态，同时跨接120Ω电阻进行阻抗匹配，减少信号反射。

3 系统软件设计

系统主程序流程图如图4所示。系统初始化后，启动片内ADC采集5次电压信号，将均值滤波后的平均值作为测量值。测得的电压除以恒流源设定电流即为PT100的电阻值，进而查询分度表获得对应的温度值。加热器根据当前温度，判断是否需要开启。所有动作完成后，本地显示温度值，并通过串行总线发送数据。

数据发送环节通过中断实现，当中断发生时，首先从RS485串行总线上接收地址帧，若地址帧有效，则接收命令帧，完成信息校验，否则丢弃该地址且中断返回；只有当校验结果正确时才发送数据，否则返回主程序。

4 結束语

自动化控制系统与工业总线的有机结合是近年来智能仪表的发展趋势，本文的研究内容是将两者应用于电锅炉的温控领域，与传统的人工操控相比，效率更高、成本更低。RS485总线的引入不但有利于信息上传，也为后续组建监控网络提供了硬件平台，真正实现规模化的多点监控。实验结果表明，本系统运行稳定，通信距离约800m，满足一般监控领域的需求。

参考文献：

[1]韩文虹，赵广复.一种基于模糊PID的工业锅炉温度控制系统设计[J].制造业自动化，2014（04）：134-136.

[2]刘兵，努尔买买提·阿布都拉.基于pt100的温度测控实验装置的开发与应用[J].新疆大学学报（自然科学版），2009（03）：376-378.

[3]李银祥，胡军，姚向东.三端可调恒流源LM334及其应用[J].现代仪器，2002（01）：23-25.

[4]郭庆亮.利用RS-485实现多路温度测量[J].电子产品世界，2010（03）：42-44.

作者简介：周建新（1968-），男，后勤集团主管，研究方向：锅炉控制、机械工程及自动化；赵南生（1967-），男，技师，本科，研究方向：机电一体化；通讯作者：于玮（1986-），男，助理实验师，硕士，研究方向：计算机测控技术。

作者单位：南通大学 后勤集团，江苏南通 226019；南通大学 工程训练中心，江苏南通 226019

基金项目：2014年南通大学自然科学基金项目（项目编号：14Z006）。