CN103245064A

CN103245064A - 一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法

Info

Publication number: CN103245064A
Application number: CN2013101868943A
Authority: CN
Inventors: 田卫华; 关焕新; 韩希昌; 王森
Original assignee: Shenyang Institute of Engineering
Current assignee: Shenyang Institute of Engineering
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-05-20
Also published as: CN103245064B

Abstract

一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，所述方法包括对温度按时段进行控制，依据电价从高到低将全天分为峰、平、谷三个时段；利用电加热的方式给锅炉内部的蓄热体加热，将电能量转换成热量存储到蓄热体中；传感器检测到蓄热体达到设定的温度时，控制器停止加热；需要供暖时，打开热交换风机，把蓄热体中的热能传递到供暖系统中；峰、平、谷各时段的加热温度及加热时间通过Modbus协议设置；该方法针对不同环境差异化设计，采用按时段和费率电价控制的方法，在谷时段提高用电量，升高锅炉加热温度，并将多余热量存储在蓄热体中，不但降低了锅炉的运行成本，而且有效的调节电网用电负荷。

Description

一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法

技术领域

本发明涉及锅炉控制方法，特别是涉及一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法。

背景技术

随着环境污染的日益严重，使用清洁能源的取暖锅炉已经越来越普及，目前我国北方大多数城市使用电加热锅炉供暖逐年增多。采用电加热锅炉供暖后用电量急剧上长的问题也越来越突出。而且我国电力资源紧缺，目前白天和夜晚用电严重不平衡，用电高峰时电力供应不足，用电低谷时电力供应过剩，对我国电力调度带来极大的困难。为了缓解用电不平衡的问题，国家推出新一代智能电能表，并出台多费率的电价策略，使用经济杠杆使企业用电更加合理，全天划分为峰、平、谷时段，每一时段执行不同费率电价，而且在节假日执行节假日电价。

我国北方地区供暖期一般是10月至次年3月，由于时间跨度大，每一个月份的温度差距都较大，晴天和阴天的温差也很大，而且每一天中午和午夜的温度差距也非常大，如果全天按同样温度供暖，会造成中午温度过高，午夜温度又不达标，晴天供暖效果好，阴天供暖差的问题。而且北方一些城市节假日要求延长供暖时间，并提高供暖温度，以提高居民住户的幸福指数。

现在国内的电加热锅炉并不能很好的满足当前的供暖新需求，不具备按用电时段和电价费率供暖对锅炉加热的功能。而且锅炉运行时只能记录锅炉加热曲线，并不能反应锅炉的能耗情况和运行成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，该方法针对不同环境差异化设计，采用按时段和费率电价控制的方法，在谷时段提高用电量，升高锅炉加热温度，并将多余热量存储在蓄热体中，不但降低了锅炉的运行成本，而且有效的调节电网用电负荷。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，所述方法包括对温度按时段进行控制，依据电价从高到低将全天分为峰、平、谷三个时段；利用电加热的方式给锅炉内部的蓄热体加热，将电能量转换成热量存储到蓄热体中；传感器检测到蓄热体达到设定的温度时，控制器停止加热；需要供暖时，打开热交换风机，把蓄热体中的热能传递到供暖系统中；峰、平、谷各时段的加热温度及加热时间通过Modbus协议设置；锅炉在运行过程中，加热程序按以下方法控制：

a.谷时段，当锅炉内温度低于设定的炉内温度T1时，锅炉开始加热,锅炉内温度加热到设定的停止加热温度T2，锅炉停止加热；

b.当出水温度低于设定的最低出水温度T3或者回水温度低于设定的最低回水温度T4时，打开热交换风机，给供暖循环水加热，提高出水和回水温度；当出水温度超过设定的最高出水温度T5时或者回水高于设定的回水最高温度T6时，关闭热交换风机；

c.通过热电阻测量锅炉的炉体温度，并实时与设定的锅炉炉体超温限值Tmax1比较，如炉体温度大于Tmax1，则锅炉停止加热，并输出锅炉炉体超温报警信号，同时存储记录；

d.通过热电偶测量锅炉的炉内温度，并实时与设定的锅炉炉内超温限值Tmax2比较，如炉内温度大于Tmax2，则锅炉停止加，并输出锅炉炉内超温报警信号，同时存储记录；

e.如果锅炉采用按时段加热方式，在不加热时段，关闭热交换风机；在供暖时段，根据方法b进行开关交换风机操作；

f.如果是节假日，则按照节假日时段表执行锅炉控制操作，并按照方法上述方法控制锅炉加热和控制供暖。

所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，所述方法控制组件的结构组成包括有CPU主控芯片，电源管理模块，液晶显示模块，按键输入模块，热电阻温度采集模块，热电偶温度采集模块，温度控制模块，声光报警模块，实时时钟，存储模块，通信模块。

所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，所述CPU主控芯片，采用32位ARM处理器；液晶显示模块，由液晶显示屏组成；按键输入模块，通过按键设定锅炉运行曲线及其它功能的设定；热电阻温度采集模块，由热电阻、基准电压源、运算放大器组成；热电偶温度采集模块，由热电偶、模拟切换开关和信号调整器组成；温度控制模块，由继电器、驱动电路、及保护电路构成；声光报警模块，由发光二极管和蜂鸣器电路组成；实时时钟，由专用实时时钟芯片及备用电池组成；存储模块，由E2PROM、Flash存储器组成；通信模块，有Modbus、红外、RS485、RS232通信方式，负责与计算机交互，控制和监测锅炉的运行状况。

所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，所述RS485总线与智能电能表连接，通过DL/T-2007规约，分别自动抄读电能表中的峰、平、谷费率电价和用电量，根据电能表的数据计算生成用电曲线，并根据用电量和费率电价自动计算生成锅炉运行成本曲线。

所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，所述依据测温区温度不同将测温区域分为中低温区和高温区，温度小于500℃的区域定义为中低温区，温度在500℃~1300℃范围内定义为高温区。

所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，所述金属热电阻测量中低温区的温度，测量范围-200℃~500℃，测量供暖出水管和回水管内水温度、锅炉体表温度。

所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，所述K型热电偶测量高温区温度，测量范围0℃~1300℃，测量锅炉内部温度。

所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，所述热电偶温度采集模块采用信号调理式测温电路，热电阻温度采集模块采用三线制桥式测温电路。

本发明的优点与效果是：

1.本发明使用热电阻和热电偶测量温度，测温精确，测量时间短；

2.本发明热电阻测量出水、回水和炉表温度等中低温区，热电偶测量炉内温度高温区，针对不同环境差异化设计，不但提高测温精度，而且降低锅炉整体成本；

3.本发明温度控制采用按时段和费率电价控制的方法，在谷时段提高用电量，升高锅炉加热温度，并将多余热量存储在蓄热体中，不但降低了锅炉的运行成本，而且有效的调节电网用电负荷，对于建设坚强电网绿色用电具有非常大的实际意义；

4.本发明通过RS485总线与智能电表连接，直接读取费率电价，自动生成加热时段表；

5.本发明通过读取智能电能表电量，可生锅炉用电负荷曲线，方便统计和观察。

附图说明

图1是本发明控制锅炉系统运行示意图；

图2是本发明的结构框图；

图3是本发明的热电偶采样电路图；

图4是本发明的热电阻采样电路图；

图5是本发明的软件总体架构图；

图6是本发明使用热电阻读取锅炉温度的流程图；

图7是本发明的温度控制流程图；

图8是本发明的异常监控流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明控制锅炉整体系统运行如图1所示。图中101为蓄热体，用于在谷时段通过电加热方式给蓄热体内的蓄热材料加热，储存热量；102为电热泵，用于使供暖水或气体在供暖管道内按固定方向流动。103为回水管，104为出水管，出水管和回水管用于给用户供暖；105为热交换风机，106为加热腔，通过风机的转动，将蓄热体内的热量通过空气流动传递到加热腔，给供暖水或气体进行加热。本发明对温度按时段进行控制，依据电价从高到低将全天分为峰、平、谷三个时段，每个时段可由用户自定义五个加热时间和加热温度，用户还可以根据国家法定假日，设定节假日和非节假日模式。时段谷属于用电低谷，电价最低，电网负荷最小，利用电加热的方式给锅炉内部的蓄热体加热，这样电能量转换成热量存储到蓄热体中；当传感器检测到蓄热体达到设定的温度时，控制器停止加热。需要供暖时，打开热交换风机，把蓄热体中的热能传递到供暖系统中。中国北方地区节假日通常需要延长供暖时间，可以根据各地区不同要求设置节假日专用时段表，可实现节假日延长供暖时间。峰、平、谷各时段的加热温度及加热时间通过Modbus协议设置。

本发明的结构框图如图2所示，具体由以下部分组成：CPU主控芯片，采用32位ARM处理器，本发明的所有控制算法都由此部分完成；电源管理模块，负责管理本发明的电源系统；液晶显示模块，由液晶显示屏组成，负责本发明的人机交互及运行状态显示；按键输入模块，用户通过按键设定锅炉运行曲线及其它功能的设定；热电阻温度采集模块，由热电阻、基准电压源、运算放大器组成，负责采集出水、回水温度和炉表温度；热电偶温度采集模块，由热电偶、模拟切换开关和信号调整器组成，负责采集锅炉的炉内温度；温度控制模块，由继电器、驱动电路、及保护电路构成，负责控制锅炉的燃料和空气的投放；声光报警模块，由发光二极管和蜂鸣器电路组成，主要负责本发明的报警提示功能；实时时钟，由专用实时时钟芯片及备用电池组成，主要负责本发明的运行时钟与现实保持一致；存储模块，由E2PROM、Flash等多种存储器组成，负责存储运行参数及存储数据；通信模块，有Modbus、红外、RS485、RS232多种通信方式，负责与计算机交互，控制和监测锅炉的运行状况。

本发明通过RS485总线与智能电能表连接，通过DL/T-2007规约，分别自动抄读电能表中的峰、平、谷费率电价和用电量，可根据电能表的数据计算生成用电曲线，并根据用电量和费率电价自动计算生成锅炉运行成本曲线。

本发明中依据测温区温度不同将测温区域分为中低温区和高温区，温度小于500℃的区域定义为中低温区，温度在500℃~1300℃范围内定义为高温区。本发明中使用金属热电阻测量中低温区的温度，测量范围-200℃~500℃，主要测量供暖出水管和回水管内水温度、锅炉体表温度。本发明使用K型热电偶测量高温区温度，测量范围0℃~1300℃，主要测量锅炉内部温度。

热电偶温度采集模块采用信号调理式测温电路，具体电路如图3所示，图中U1为基准电源芯片REF3040，U2为信号调理芯片AD595，U3为运算放大器芯片74VHC4052N，U4为AD转换芯片AD1100A01，网络标号AGND为模拟地，网络标号AVCC5V为5V电源，网络标号AVCC12为12V电源，网络标号K1-、K2-、K3-、K4-为4路热电偶接入点，网络标号V4096为基准电源芯片输出的基准电源，网络标号P_A0、P_B0为单片机IO端口输出的控制信号，网络标号SCL和SDA为I2C总线信号，网络标号AD595_IO为报警信号。由于热电偶的阻值与温度并非是线性关系，所以需要使用热电偶信号调理电路调整采样信号，将非线性信号调整为线性信号。热电偶在K1-、K2-、K3-、K4-分别点连按到运算放大器U3的第12、14、15、11引脚，MCU的P-A0和P-B0连接U3的9和10引脚，MCU通过P-A0和P-B0控制运算放大器U3，每一次只选通K1-~K4-其中的一路并将采样信号由引脚13输出，输出的信号连接U2的14引脚，信号经过U2放大处理后由第9引脚输出，由于U2输出的信号为交流信号，MCU不能直接处理，所以使用U1和U4芯片组成的AD转换电路，U4的2脚与U2的9脚连接，U1为AD转换的基准电源，模拟信号通过U2后转变为数字信号，MCU通过SCL和SDA网络与U4的3、4引脚连接，直接通过I2C总线读取转换后的数字信号，U2的12引脚输出报警信号，与MCU的AD595_IO网络标号连接，当电路出现异常时由此引脚输出报警信号。

本发明通过热电偶测温计算温度的计算公式如下：

U2芯片9引脚为放大器输出电压U₀与热电势E_k(t,0)的关系如公式1所示：

U₀= [E_k(t,0)+0.011]x247.3 (公式1)

式中，U₀为AD595放大器输出电压，E_k(t,0)为电热偶在热温度t℃的热电势。

热电势E_k(t,0)与温度t的关系如公式2所示：

E_k(t,0)=0.041t+0.01 (公式2)

式中，E_k(t,0)为电热偶在热温度t℃的热电势，t为当前温度。

结合公式（1）和公式（2），可推导出经AD595处理后，输出电压U₀与热电偶检测的温度t关系如公式3所示：

U₀=10.1393t+5.1933 (公式3)

热电阻温度采集模块采用三线制桥式测温电路，具体电路如图4所示。图中，U21为运算放大器芯片TL082C，U10是可调电压源芯片TL431，DW1和DW2为可调电阻器，Dz01为稳压二极管，网络标识AVCC12为+12V供电电压，网络标识AVCC5V为+5V供电电压，网络标识ADGN为模拟地，网络标识PT01、PT02、PT03别为热电阻接入点，网络标识AD0为CPU的内置AD转换器输入引脚。热电阻从PT01通过上拉电阻RP4和RP1与+12V电源连接，PT03直接与GND连接，通过测量PT02的电压值可以得到热电阻的电阻值；热电阻PT02通过RP6、DW1与运算放大器的2脚连接做为运算放大器的“-”端输入，运算放大器的3脚与RP8、RP9连接做为运算放大器的“+”端，运算放大器的1脚输出与可调电阻RPC连接，RPC通过输入运算放大器的2脚做为反馈回路，运算放大器调整后的信号经过RPB输入CPU的内置AD转换器。由于热电阻的电阻随温度的变化曲线为非线性曲线，不容易测量和计算，所以通过调节DW1的阻值调整温度最低时AD0的电压值，通过调节DW2的阻值调整温度最高时的AD0点电压值，将DW1和DW2调整至合理值后，经运算放大器调整后的AD0点的输出电压值为线性曲线。稳压二极管Dz01具有保护作用，防止AD0点输出电压过高，损坏CPU的AD转换电路，所以将电压限制在0~+3.9V之间。

本发明通过热电阻测温计算温度的软件算法如下：

CPU通过AD采集输入引脚电压后，读取AD转换寄存器ADCR，并按照公式4进行计算。

(ADCR/64 - 0.5) x Avref / 2^N ≤Vain ＜ (ADCR/64 + 0.5) x Avref /2^N (公式4)

式中，Vain 为模拟输入电压；ADCR为CPU的AD转换器结果；Avref为AD转换器的基准电压；N为AD转换器的位数。

计算Vain后，CPU根据公式5计算出当前温度下的热电阻的电阻值。

Rt = Vain x R1 / (V-Vain) (公式5)

式中，Rt为温度t时的热电阻的阻值，Vain为模拟输入电压；R1为分压电阻；V为加在R0上的测温电压。

计算得到Rt后，根据公式6，可计算出当前的温度值。

t = (Rt-R0)/ (αxR0) +t0 (公式6)

式中，t为当前的实际温度，Rt为温度t时的热电阻的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

本发明的软件总体架构如图5所示，本发明的软件架构使用嵌入式操作系统，因此软件流程简单，系统包括系统初始化、键盘管理、液晶显示、异常报警、模拟量采集、数字量采集、通讯模块七个功能模块。系统初始化模在系统启动时调用，主要包括器件初始化、参数初始化、中断初始化、量变初始化等。键盘管理包括键盘定时扫描及键盘功能的定义，用于与用户交互使用，用户可通过键盘设定本发明的运行参数、温度控制曲线、报警域值等。液晶显示可显示系统运行参数、系统运行曲线等内容，主要用于与用户交互时使用。异常报警包括实时监控锅炉炉膛温度、炉壳温度、门禁状态、循环水状态、风机等实时状态，如果锅炉出现异常，则立即报警，提示工作人员处理。模拟量处理是读取热电阻和热电偶的温度，系统定时进行AD采样并计算，生成实时运行数据和运行曲线。数字量处理包括异常报警、温度控制输出等。通讯功能包括通讯中断的管理、通讯协议解析、数据处理等，用于本发明与上位机服务器通讯。

本发明使用热电阻读取锅炉温度的流程如图6所示，下面结合图6解释CPU通过温度采集模块读取温度的流程：

步骤601，CPU控制模拟切换开关74VHC4052N，每一次只选通一路热电阻，热电阻通过模拟切换开关将电压信号传输到信号调理芯片，调整采样电压的取值范围，CPU通过内部AD转换器采集调整后的电压信号，并更新相应的寄存器值。

步骤602，通过程序控制CPU读取AD转换器的相应寄存器值，并将该值存入ADCR变量。

步骤603，依据公式计算该次采样的实际温度值，首先通过公式7计算获得Vain 模拟输入电压，再通过公式8计算得当前热电阻的实际电阻值Rt，最后通过公式9计算得到当前的实际温度t。

(ADCR/64 - 0.5) x Avref / 2^N ≤Vain ＜ (ADCR/64 + 0.5) x Avref /2^N (公式7)

Rt = Vain x R1 / (V-Vain) (公式8)

t = (Rt-R0)/ (αxR0) +t0 (公式9)

步骤604，CPU通过I2C总线控制向AD转换芯片AD1100A01发送开始采样命令。

步骤605，CPU等待AD转换芯片采样完成，通过I2C总线直接读取AD采样芯片的转换结果。

图7用于解释本发明按时段控制锅炉温度的程序流程，下面将结合附图描述本发明按时段控制锅炉温度的程序流程：

步骤701，CPU通过实时时钟模块读取系统当前时间。

步骤702，CPU依据当前时间判断当前时间是否处于当前时段，如果当前时间不在当前时段则需要进行时段切换，如果需要进行时段切换则执行步骤703，如果不需要切换时段则执行步骤704。

步骤703，CPU依据预设参数判断当前时间处于峰、平、谷中的哪一个时段，从存储器模块中读取目标温度和时段区间参数，重新设置锅炉的目标温度及新时段切换时间等参数，并继续执行步骤404。

步骤704，CPU通过热电阻采集锅炉温度，采集流程如图6所示，具体步骤已经在步骤601~603中解释。

步骤705，CPU判断锅炉的当前温度与当前时段的锅炉目标温度是否一至，如果温度一至则结束本轮温度调节，如果锅炉的当前温度与目标温度不一至则执行步骤706。

步骤706，CPU控制温度控制模块，停止锅炉供电，停止加热，直至锅炉内温度，完成温度调节。

图8用于解释本发明异常报警功能的程序流程，下面将结合附图详细介绍本发明的异常报警程序流程：

步骤801，CPU通过热电阻采集锅炉温度，采集流程如图6所示，具体步骤已经在步骤601~603中解释。

步骤802，CPU判断锅炉的炉膛温度是否炉膛最高温度，默认炉膛最高温度为500℃，如果炉膛当前温度超过炉膛的最高温度，则停止加热并报警。

步骤803，CPU判断锅炉的炉壳温度是否超过炉壳最高温度，默认炉壳最高温度为65℃，如果炉壳当前温度超过最高炉壳的最高温度，则停止加热并报警。

步骤804，通过数字开关信号检测锅炉门的状态，如果锅炉门禁被打开，则停止加热并报警。

步骤805，通过数字传感器读取锅炉漏水状态，如果锅炉漏水，则立即停止加热并报警，报警后切断供电，使锅炉停止工作，等待工作人员维修。

步骤806，通过通信模块读取风机水泵状态，如果风机和水泵处于异常状态，则报警。

步骤807，通过水位传感器读取锅炉水位，如果水位过低，则报产生循环水欠压提示，提醒工作人员加水。

步骤808，通过压力传感器判断锅炉内循环水压力，如果循环水超压则产生循环水超压提示，提醒工作人员处理。

在本发明中，时段设置方法是将全天分为峰、平、谷3个时段，每个时段最多可设置5个时段区间，用户可根据不同地区的实际需要设置时段，每个时段为一个时间区间，时间区间的最小单位为分钟，峰、平谷三个时段可以分别设置3个锅炉的目标温度。

Claims

1.一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，其特征在于，所述方法包括对温度按时段进行控制，依据电价从高到低将全天分为峰、平、谷三个时段；利用电加热的方式给锅炉内部的蓄热体加热，将电能量转换成热量存储到蓄热体中；传感器检测到蓄热体达到设定的温度时，控制器停止加热；需要供暖时，打开热交换风机，把蓄热体中的热能传递到供暖系统中；峰、平、谷各时段的加热温度及加热时间通过Modbus协议设置；锅炉在运行过程中，加热程序按以下方法控制：

2.根据权利要求1所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，其特征在于，所述方法控制组件的结构组成包括有CPU主控芯片，电源管理模块，液晶显示模块，按键输入模块，热电阻温度采集模块，热电偶温度采集模块，温度控制模块，声光报警模块，实时时钟，存储模块，通信模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，其特征在于，所述CPU主控芯片，采用32位ARM处理器；液晶显示模块，由液晶显示屏组成；按键输入模块，通过按键设定锅炉运行曲线及其它功能的设定；热电阻温度采集模块，由热电阻、基准电压源、运算放大器组成；热电偶温度采集模块，由热电偶、模拟切换开关和信号调整器组成；温度控制模块，由继电器、驱动电路、及保护电路构成；声光报警模块，由发光二极管和蜂鸣器电路组成；实时时钟，由专用实时时钟芯片及备用电池组成；存储模块，由E2PROM、Flash存储器组成；通信模块，有Modbus、红外、RS485、RS232通信方式，负责与计算机交互，控制和监测锅炉的运行状况。

4.根据权利要求3所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，其特征在于，所述RS485总线与智能电能表连接，通过DL/T-2007规约，分别自动抄读电能表中的峰、平、谷费率电价和用电量，根据电能表的数据计算生成用电曲线，并根据用电量和费率电价自动计算生成锅炉运行成本曲线。

5.根据权利要求1所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，其特征在于，所述依据测温区温度不同将测温区域分为中低温区和高温区，温度小于500℃的区域定义为中低温区，温度在500℃~1300℃范围内定义为高温区。

6.根据权利要求1所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，其特征在于，所述金属热电阻测量中低温区的温度，测量范围-200℃~500℃，测量供暖出水管和回水管内水温度、锅炉体表温度。

7.根据权利要求1所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，其特征在于，所述K型热电偶测量高温区温度，测量范围0℃~1300℃，测量锅炉内部温度。

8.根据权利要求1所述的一种基于热电阻和热电偶的时段蓄热锅炉控制方法，其特征在于，所述热电偶温度采集模块采用信号调理式测温电路，热电阻温度采集模块采用三线制桥式测温电路。