光伏硅片烧结炉加热灯保护系统

吕晗　潘翻　覃子明

摘要：本设计以STC12C5A60S2作为控制核心，以MH912为检测模块，以MODBUS 协议作为通信标准，实现了光伏硅片烧结炉加热灯保护系统的设计。实现了对光伏硅片烧结炉加热灯电流的实时显示，报警预设，声光报警。系统能够对15 路灯管电流值进行测量，将检测数据进行处理后时时的显示在液晶屏上；液晶屏作为人机交互界面可以对15路灯管的电流报警阈值进行设定；在电流过载时具有声光报警功能。

关键词：STC12C5A60S2；MODBUS；光伏硅片烧结炉

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0179-02

由于科技的发展，需要越来越多的能源。然而石油能源是越用越少的，并且污染还大。所以现阶段急需要发展可再生的，对环境无污染的绿色能源，诸如风能，潮汐能，水力发电的重力势能，太阳能等等。电能有使用方便，传输方便等特点，可以用水力来发电，可以用潮汐能、火力发电，还可以用太阳能发电。而太阳能发电离不开光伏硅片。光伏硅片烧结炉在加热过程中灯光可能会出现过流，或者断路现象。这些将影响着加工光伏硅片的成功率。所以我要介绍的是在制作光伏硅片的过程中烧结炉中加热灯的电流保护装置的设计。

1 系统方案设计

本文所设计的系统硬件主要由核心的控制模块、电流检测模块、数据传输模块和HMI（人机接口）串口屏。各模块方案设计如下：

1.1 核心控制模块

核心控制模块主要的工作是解析检测到的灯管电流数据。通过解析的15组灯管电流数据，判断灯管是否工作在正常状态；非正常状态下会进行声光报警；核心控制模块通过串口与串口触摸屏和电流检测模块进行信息交互。由于单片机运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点[3]；根据控制要求所用控制器必须有双串口，有一定的数据处理能力，因此采用STC12C5A 60S2作为系统控制器。

1.2 电流检测模块

一台光伏硅片烧结炉具有10根左右的加热灯管，灯管的额定电流是2A。因此电流检测模块必须满足10路以上的输入，额定电流必须大于2A。综合考虑最终选用MH912智能型单相电参数数据综合采集模块，MH912系列是一款智能型单相电参数数据综合采集模块，这个模块可以准确测出每一路的电流，有功功率，视在功率功率因数等参数。本设计用到的是MH912-15采集的数据为15路电流的实时电流值，支持的最高电压是3x220V和支持的最高电流值为15x10A（即检测的电流最大为每一路10A）。正常工作时的电压为直流5V到24V之间。输出数据为RS-485总线接口的数字信号，并且能使用MODBUS协议。

1.3 数据传输模块

STC12C5A60S2不支持485通信，因此需要将串口的TTL信号转换成485的差分信号。RSM485HT系列隔离高低电压收发器的数据发送模块，集成电源隔离电路、电气隔离电路、RS-485是集成了电路和总线保护器的芯片模块模块，能够实现UART-485收发的自动转换。

1.4 HMI串口屏

上位机需要够对报警的阈值进行设定，能够对电流报警的灯进行高亮显示。因此选用HMI串口屏（人机接口）屏，其主要是一块7寸的分辨率为480x800的触摸屏，通编程软件可以对HMI界面进行编辑，可以对输入数据进行简单的逻辑判断，能够通过串口通信实现与其他设备的交互，具有4096色，帶字库。

2 系统硬件设计

以单片机作为控制系统的核心，其相关电路主要包括单片机主控制电路、晶振震荡电路、上电和按键复位电路、输出、输入的扩展接口、以及供单片机及负载所用电能的电路，系统硬件图如图1所示。电流检测模块MH912电路分别是MH912与RSM485的接线和RSM485与单片机的接线。TJC8048T070_011作为系统的输入以及显示部分，MH912作为电流采集部分，MH912以MODBUS为协议通过RSM-485总线与单片机12C5A60S2相连。

3 系统软件设计

3.1 主控程序设计

主控程序软件分为五个部分来编写。第一部分是对用到的串口1和串口2初始化，用来产生两个不同的通信波特率；串口一用来与上位机屏幕通信，串口二用来与电流检测模块进行通信的；并对此编写了串口通信函数组。第二部分是与电流检测模块的modbus通信部分，Modbus网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。Modbus网络只有一个主机，所有通信都由他发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。包括发送数据格式化和对接收数据校验及解析；MODBUS的通信协议是一个包含了请求信息和应答信息于一体的通信协议，首先通过crc校验保证获取正确的modbus数据，设定如果无法获取正确的数据就再次发送查询信号，直至接收到正确的数据。

第三部是数据处理部分，包括断路检测、电流超值报警和恢复消除报警三个子模块；对于这部分数据的判断采用多次数据采样与标定值对比确定当前电流状态，当处于报警状态时会触发声光报警，并会在检测到正常时自动取消声光报警。第四部分是与上位机HMI串口屏的交互函数，包括解析处理数据及接收来自上位机的数据，格式化并发送数据处理得到的电流数据。第五部分是部分中断处理函数，主要是定时器中断和串口中断处理函数，在定时器中断中设定每隔10ms计数标志加一，以此来计算时间；串口中断则用来处理与上位机屏幕和modbus通信的基本数据，每当有数据传入的时候会自动进入串口中断来接收数据，将接收的数据放入到一个全局数组中，通过全局数组实现了数据在整个程序中的数据传递，具体流程图如图2。

3.2 HMI界面设计

通过USART HMI软件对串口HMI界面进行编辑，先准备好背景照片两张，一张烧结炉灯管电流检控界面图，一张普通的图片，这里注意图片的大小为800X480。打开USART HMI软件点击新建然后保存到自己新建的文件夹里，选择串口屏的型号TJC848T070 _011，点击图片按钮，然后按添加选择存放图片的文件夹。图片最好放在工程同一个文件夹下。然后添加字库，点击工具-字库制作-字高16-编码gb2312所有字符生成字库。添加刚才生成字库，步骤跟添加图片一样。HMI程序设计包涵两部分，一部分是工作状态下HMI的显示界面，这里需要能够显示15路以上的灯管电流情况，并且能够进行实时刷新，对于报警和断路的灯管能够高亮显示；另一部分是对过载电流的报警设置，要求在设置界面能够对每一路电流的过载值进行设定，以保证检测设备的扩展性。

4 系统测试方案及结果

4.1 采样标准的确定

通过多次实验发现，在检测电流断路时如果超过20次检测的数据都是0时，则可以判定这时烧结炉灯管发生了断路情况，低于20的情况则可能时发生了数据监测的失误，予以忽略。

4.2 HMI交互界面

在图3中可以看到总共可以进行24路电流检测，并可以通过左上角的Set Time来设置烧结炉的电流阈值；跳转后可以通过弹出的界面进行设置，请输入最大额定电流来设定每每一路电流的最大阈值。

4.3 测试结果分析

通过实际测试，光伏硅片烧结炉加热灯保护系统能够准确的检测出灯管的断路、警报电流并能够进行声光报警。本由测试结果可见，系统性能达到了所设计的指标。

5 結语

本文以STC12C5A60S2为控制核心，以MH912为电流检测模块，能够准确的检测光伏硅片烧结炉灯管的电流状况，以Modbus通信为纽带，实现了数据的快速准确传输；结合有效的数据处理方式，能够精确的判定灯管的工作状态；并且绘制了上位机界面，实现了时时清晰准确的数据显示，并能通过设定电流阈值实现可靠高效的人机交互。通过理论分析和实验验证，光伏硅片烧结炉加热灯保护系统能够获得良好的保护效果，在实际工业生产中具有一定的应用价值。

参考文献

[1]赵文博.单片机语言C51程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2]谭浩强.C语言设计教程[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]王文杰.单片机应用技术[M].冶金工业出版社，2008.

[4]缴瑞山，韩全立主编.单片机控制技术及应用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5]张秀国.单片机C语言程序设计教程与实训[M].北京：北京大学出版社，2008.

[6]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].电子工业出版社，2010.