船用鍋爐自動沖洗水位計設計
摘 要:根據鍋爐水位計的結構特點與沖洗操作程序,通過單片機、電磁閥、液晶顯示、溫度傳感器等自動控制器件電路的設計,對現有鍋爐手動沖洗水位計進行自動化升級改造,從可靠性、實用性、易用性等原則出發,設計出一種自動定時沖洗水位計,用以減少船舶輪機員的工作量,保障操作人員安全。
為了保證鍋爐安全運行,每天要按照要求對水位計進行沖洗,這增加了輪機員工作量并存在被高溫燙傷的風險,而設計人員的研究方向主要在水位計的結構、材料、安裝工藝、沖洗方法上,關于能夠自動沖洗水位計,目前未見相關報道[1-2] ,所以,目前船用市場上的鍋爐水位計幾乎全部為手動沖洗形式。
為此,考慮設計一種以單片機為控制核心的自動沖洗水位計,用于替換當前船舶,可以應用在船舶鍋爐生產廠家的新鍋爐上,也可應用在現有船舶鍋爐上。
1 系統的總體設計
1. 1 控制系統總體設計
系統主要由單片機zui小系統、檢測傳感器、電磁閥驅動、時間顯示、聲光報警、串口通信等電路及軟件組成[3] 。系統設計總體框圖見圖 1,單片機為系統控制的中樞,主要完成數據的運算與控制信號的發送,LCD 顯示器用來顯示定時時間與溫度,主要完成系統的數據顯示。檢測傳感器主要用來檢測沖洗管路的溫度,以確定系統的控制功能是否按要求完成。按鍵主要用來輸入定時數據,也可以對輸入的定時數據進行修改,這些參數都將在顯示器上顯示,輪機員可以通過此進行觀察,掌握沖洗時間并根據實際需要進行修訂,完成人機交互。
通過單片機內部的定時功能可以準確地完成水位計的沖洗,單片機的引腳電平高低的變化控制驅動電路,通過此來按照順序開啟電磁閥,實現利用鍋爐內部的原有蒸汽或者水壓對水位計進行定時程序沖洗,沖洗的成功與否,可通過溫度檢測元件進行反饋判斷[4] 。如果沖洗過程中溫度檢測有溫升,說明一切正常,如果沖洗過程中沒有檢測到溫升的信號,內部程序將進行一次復位后重新沖洗,如果再一次沖洗還沒有檢測到溫升信號則發出報警,沖洗失敗。
1. 2 水位計結構總體設計
自動沖洗水位計的結構設計見圖 2,可在原來的基礎上改進。蒸汽沖洗電磁閥 D1 安裝在玻璃管與通氣閥的連接管路;熱水沖洗電磁閥 D2安裝在玻璃管與通水閥的連接管路;沖洗電磁閥D3 安裝在沖洗管路上。保留水位計上原所有的閥門,在進行電磁閥更換工作時,可以通過關閉通氣閥 S1、通水閥 S2 等操作,保證鍋爐內的汽水不會外溢,使操作可以在不停爐的情況下進行 [5] 。在沖洗管路的末端安裝傳感器檢測沖洗是否成功,沖洗成功時,鍋爐內部的蒸汽或熱水會沿著
沖洗管路將熱量傳遞給溫度傳感器,溫度傳感器檢測到溫升信號;沖洗不成功,10 s 后溫度沒有變化,系統將根據程序重新沖洗水位計,如果傳感器還沒有檢測到溫升信號則發出警報。
1. 3 控制面板外形設計
控制模塊、顯示模塊、手自動轉換模塊可以與鍋爐的控制箱進行融合,使輪機員的操作更加方便。面板的正面有控制旋鈕,其主要作用為選擇控制方式。液晶顯示屏可以隨時顯示定時狀態、計時時間等內容,第二行可以顯示傳感器感受的溫度。底行為按鈕:1 ~6,每一個按鈕都有相應的功能,主要為修改定時時間,報警消音與復位等。按鈕布局合理、大小適中,方便輪機員操作。控制面板的主要接口已經在圖中標出,在所有的接口中有一個預留接口,方便以后增加其他功能時使用。
控制面板的設計只需對現有鍋爐控制箱進行較小的改動即可,控制面板所占面積小,操作簡單,接線方便,接口少,為船舶的輪機員提供了更好的操作界面與簡單的操作方法。
2 系統硬件設計
2. 1 單片機設計
AT89C51 是一種使用較廣泛的電子芯片。該芯片經濟環保、性能優良,其可編程的 Flash 存儲器為 4 k,8 位的 CPU,在指令與引腳方面可以與工業 80 C51 完全兼容。可以為控制系統提供高精度的控制方案[6] 。AT89C51 性能指標見表1。
因設計要完成控制、顯示、參數輸入、通信等功能,所以根據以上需求選用單片機的引腳數為40 個,其引腳數可以滿足所有功能的可靠實施。圖 3 所示為 AT89C51 的封裝與引腳。
2. 2 電磁閥驅動電路設計
電磁閥為裝置的主要執行元件,由于該設計的控制流體為高溫蒸汽與熱水,所以采用不銹鋼閥體、耐高溫密封的電磁閥[7] 。直流驅動電路見圖 4,與單片機引腳的接口分別為 P1. 6、P1. 7、P2. 6,12 V 直流供電,通徑采用 20 mm 的管路,以保障足夠的沖洗效果。電磁閥的啟閉狀態可以通過單片機內部的程序得到。
2. 3 顯示器設計
采用了一種功耗低、硬件電路與驅動方法簡單的液晶顯示器。使用的是 LCD1602,其能夠同時顯示字符的個數為 16 × 02 個,可以清楚地顯示字母、數字、符號等。該模塊的引腳共有 14 個,見圖 5。另外還有 2 個引腳未標出,主要作用為提供背光[8] 。各個引腳接口見表 2,背光引腳沒有在上面標出。LCD1602 主要技術參數見表 3。
設計的 LCD 模塊有8 個 DateI/ O 口,即 D0 ~D7 口。這 8 個 DateI/ O 口與單片機的 P0. 0 ~P0.7 口相連接。為了實現上拉加裝一個10 kΩ的排阻,在圖 5 中的 LMO16 L 中沒有 BLA 與BLK 口,這兩個背光源只要接通合適的電源即可,一般的調節是通過手動進行的。LCD 液晶的顯示界面一般分為兩行,上面一行顯示定時時間,下面一行顯示當前的溫度傳感器接受的溫度情況。
2. 4 傳感器設計
DS1820 溫度傳感器與單片機之間通過一根總線相連接,所有信號通過此線進行傳送,實現參數轉換的電源也通過數據線提供,不需要單獨設置。報警值可調,9 位溫度讀數顯示測量溫度。溫度傳感器的性能特點見表 4。
DS1820 溫度傳感器主要有 6 部分組成,包括校驗碼發生器、高速暫存器、觸發器 TH 和 TL、寄生電路、ROM 單線接口、溫度傳感器,其中每一部分都有相應的作用[9] 。DS1820 溫度與數據關系見表 5,DS1820 的管腳排列見圖 6。
DS1820 以 64 位 ROM 及環線接口為中心,外圍包含 I/O 口、存儲與控制邏輯、暫存寄存器、8位 CRC 發生器、溫度傳感器、上限 TH 和下限 TL。
DS1820 溫度傳感器的應用十分靈活,其連接距離長,相互干擾少,可以實施遠距離測量,本設計只需 1 只就可以滿足檢測要求。采用寄生電容供電的溫度檢測系統見圖 7。其中 P2. 1 做輸出口用,相當于 TX;P2. 2 做輸入口用,相當于 RX。
2. 5 按鍵電路設計
按鍵為參數輸入模塊,功能設計主要是完成對系統的設定,包括定時時間、警報確認等,通過輸入時間參數來更改水位計的時間設定。鍋爐水位計的沖洗并不是一成不變的,輪機員可以根據所掌握的內容,如水質的情況,工作狀態等,適當對沖洗時間進行調節。本設計的按鍵尺寸為 6 ×6 ×4 mm,按鍵個數為 6,其大小恰當,方便人員按壓操作,且不會影響其他按鍵。其中 R3 - R7 為阻值 10 kΩ 的外接上拉電阻,按鍵按下與跳起分別對應接口的低電平與高電平[10] 。在連接方面直接與 AT89C51 的 I/O 口連接,電路簡單,沒有中間環節,保證設計的穩定性。各功能鍵功能見表 6,按鍵的連接電路見圖 8。
2. 6 語音報警
自帶報警模塊,聲音報警由蜂鳴器完成,發光報警由晶閘管完成。該報警裝置的工作分為兩個階段:第一階段為水位計正常工作階段,此時汽沖、水沖電磁閥均處于打開狀態,沖洗電磁閥處于關閉狀態,如果傳感器檢測到有溫升信號,則說明沖洗電磁閥泄漏,發出報警:第二階段為水位計沖洗階段,在沖洗水位計時,汽沖、水沖、沖洗電磁閥按照順序開關,如果溫度傳感器檢測不到溫升信號,則說明沖洗失敗,發出警報。該警報是水位計沖洗失敗警報,給輪機員預警。該報警裝置的觸發通過 P2. 7 口的電平決定,發光二極管與蜂鳴器單線連接,報警時同時發出。報警的電路模塊設計見圖 9。
2. 7 上位機通信設計
采用串行通信方式完成機旁設備與 PC 機的通信,通過所選單片機內部的 UART 來實現。為了保證有效的通信,選用了 MAX232 電平轉換芯片來保證更加有效可靠的通信;為了保證通信距離的長度,通過 RS-232 提高信號的幅度。上位機通信電路見圖 10。輪機員可以在集控室對水位計的沖洗定時,溫度檢測值進行遠程監控與遙控,這樣可以減少輪機員在機艙巡視的時間,降低工作強度。
3 主程序流程
本設計主程序能使系統控制得更加準確、更加合理、更加智能,主程序流程圖見圖 11。水位計沖洗程序按照開始-初始化-定義變量-開始沖洗-檢測的順序執行,內部程序通過單片機發出指令控制電磁閥的啟閉。當第一次沖洗指令發出后,通過溫度傳感器檢測沖洗管路的溫升情況來判斷是否沖洗成功。當按照沖洗程序完成水位計沖洗后,沖洗時間開始自動計時,到下一次沖洗定時時間后重新開始沖洗程序。如果沖洗定時需修變,可以在控制面板上通過按鈕進行。若想將水位計自動沖洗改變為手動沖洗,只需要將轉換開關轉至手動位置即可。若此時立刻進行水位計沖洗,則不需考慮定時。當手動將水位計沖洗完成后,外部中斷結束,系統又開始沖洗定時,進行下一次的沖洗準備[11-12] 。
4 結論
通過對鍋爐自動沖洗水位計的器件選型、結構設計、硬件設計、軟件流程設計等,很好地實現了水位計自動定時沖洗功能,可廣泛應用于船舶鍋爐上。與在水位計的結構、材料、安裝位置等方面進行改進相比,本文注重對水位計自動控制上的改進,以此來解決輪機員工作過程中勞動強度大、操作安強性低、容易出現事故等問題。綜上,本研究成果可極大地改善船舶水位計操作人員的工作環境,保障操作人員的安全,降低工作強度,具有一定的實際應用價值。
本文的研究還可以向智能控制方向發展,增加智能控制部分,使水位計的沖洗動作根據鍋爐水位情況自動改變,減少人員的參與,減少工作量保障安全。
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