CN106773922B - 一种低品质余热回收发电装置的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于该系统包括单片机、电源模块、模拟量输出模块、电动阀、通讯接口模块、数字I/O模块、显示模块和智能仪表信号采集模块；所述通讯接口模块包括RS485通讯接口模块和RS232通讯接口模块；所述单片机分别与电源模块、模拟量输出模块和数字I/O模块连接；所述智能仪表信号采集模块通过RS485通讯接口模块与单片机连接；所述显示模块通过RS232通讯接口模块与单片机连接；所述模拟量输出模块的输入端与单片机连接，输出端与电动阀连接。该控制系统能够克服烟气阀门控制、汽包水位动态控制、凝汽器和除氧器水位动态控制三大难题，系统稳定可靠，具有控制系统的小型化、低能耗、低成本与可扩展性强的等优势。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，具体为一种低品质余热回收发电装置的控制系统。
背景技术
目前，工业余热是工业生产中分布面广、应用潜力大的一种常规可回收能源。在工业生产中，存在着大量的余热资源，包括烟气、蒸汽和热水等，这些资源分布广泛，普遍存在于各行各业中。余热资源的产生是由于工业生产过程中消耗煤炭、石油以及各种可燃气排放的资源，属于二次能源。随着国家经济的发展和煤、石油等燃料的消耗增加，工业余热能源的排放量势必大量增加，其中蕴含的潜在能源若不加以回收利用，将造成能源的巨大浪费。现在大部分余热回收发电装置主要是回收高温余热(＞500℃)，一些较成熟的低温余热资源(＜350℃)回收发电设备装机容量均为200KW及以上。现有的低温余热发电装置控制系统的专利中，不能有效控制汽包、除氧器等装置的水位，导致装置如罗茨动力机叶片损坏严重，安全性比较低。目前低品质余热回收发电装置的功率为100kW，可实现低温余热资源的压力值低于0.8Mpa、流量低于2t/h、温度低于200℃的低温余热回收发电装置还没有成熟、稳定的控制系统。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种低品质余热回收发电装置的控制系统。该系统为嵌入式系统，系统稳定可靠，具有控制系统的小型化、低能耗、低成本与可扩展性强的等优势。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于该系统包括单片机、电源模块、模拟量输出模块、电动阀、通讯接口模块、数字I/O模块、显示模块和智能仪表信号采集模块；所述通讯接口模块包括RS485通讯接口模块和RS232通讯接口模块；所述数字I/O模块包括开关量输入接口电路、编码器信号输入接口电路、继电器输出接口电路和指示灯输出接口电路；所述智能仪表信号采集模块包括液位传感器、电能质量监测仪、压力传感器、流量传感器、温度传感器和测速编码器；
所述单片机分别与电源模块、模拟量输出模块和数字I/O模块连接；所述智能仪表信号采集模块通过RS485通讯接口模块与单片机连接；所述显示模块通过RS232通讯接口模块与单片机连接；所述模拟量输出模块的输入端与单片机连接，输出端与电动阀连接；所述电源模块为整个系统供电；所述电动阀安装在低品质余热回收发电装置的管路上，用于控制管路的开闭程度；开关量输入接口电路是单片机与系统中的开关原件的连接通道；编码器信号输入接口电路作用是将低品质余热回收发电装置中的发电机的转速信息转化为电信号反馈到单片机上；继电器输出接口电路作用是以低压信号控制高压信号实现对低品质余热回收发电装置中的部件的启停控制；指示灯输出接口电路用于检查系统电路是否导通；所述液位传感器用于实时监测低品质余热回收发电装置中的部件的水位情况；所述电能质量监测仪用于监测低品质余热回收发电装置中的发电机的电能的状况；所述压力传感器、流量传感器和温度传感器均分布在低品质余热回收发电装置的管路上，用于实时监测对应管路的温度、压力和流量情况；所述测速编码器用于将发电机的转速信息转化为电信号输入并反馈到单片机上。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)该控制系统为嵌入式系统，系统稳定可靠，具有控制系统的小型化、低能耗、低成本与可扩展性强的等优势。
(2)该控制系统能够克服低品质余热回收发电中存在的三个难点，即烟气阀门控制、汽包水位动态控制、凝汽器和除氧器水位动态控制，改善系统大时滞性、非线性的动态特性，能够有效提高整个系统的安全性。
能够有效地实现凝汽器和除氧器水位动态控制调节，缩短调节时间，提高其稳定性。通过控制汽包水位动态控制，有效避免含水量过高的蒸汽进入罗茨式动力机，从而能够有效的减缓叶片的腐蚀，水分的混入保证蒸汽温度的稳定，提高对发电设备运行的经济性与安全性。
(3)该控制系统以C8051F040单片机核心，实现了显示模块与单片机之间通过RS232总线的实时通信。智能仪表信号采集模块采用的原件均为数字化输出传感器，均可输出RS 485信号，且该类传感器可在复杂多干扰环境下安全可靠的工作，适合于现代电磁污染严重的环境使用。
附图说明
图1是本发明低品质余热回收发电装置的控制系统一种实施例的整体结构示意框图；(图中：1、单片机；2、电源模块；3、模拟量输出模块；4、电动阀；5、通讯接口模块；6、数字I/O模块；7、显示模块；8、智能仪表信号采集模块；51、RS485通讯接口模块；52、RS232通讯接口模块；53、CAN总线接口模块；61、开关量输入接口电路；62、编码器信号输入接口电路；63、继电器输出接口电路；64、指示灯输出接口电路；81、液位传感器；82、电能质量监测仪；83、压力传感器；84、流量传感器；85、温度传感器；86、测速编码器)
图2是本发明低品质余热回收发电装置的控制系统一种实施例的被控制对象低品质余热回收发电装置的整体结构示意图；(图中：101、热管蒸汽发生器；102、汽包；103、储气罐；104、罗茨式动力机；105、发电机；106、凝汽器；107、补水箱；108、除氧器；109、省煤器)
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种低品质余热回收发电装置的控制系统(简称系统，参见图1)，包括单片机1、电源模块2、模拟量输出模块3、电动阀4、通讯接口模块5、数字I/O模块6、显示模块7和智能仪表信号采集模块8；所述通讯接口模块5包括RS485通讯接口模块51、RS232通讯接口模块52和CAN总线接口模块53；所述数字I/O模块6包括开关量输入接口电路61、编码器信号输入接口电路62、继电器输出接口电路63和指示灯输出接口电路64；所述智能仪表信号采集模块8包括液位传感器81、电能质量监测仪82、压力传感器83、流量传感器84、温度传感器85和测速编码器86；
所述单片机1分别与电源模块2、模拟量输出模块3和数字I/O模块6连接；单片机1的型号为Cygnal公司的51系列单片机C8051F040；所述智能仪表信号采集模块8通过RS485通讯接口模块51与单片机1连接；所述RS485通讯接口模块51实现多现场仪器仪表信号的实时采集与远距离传输；所述显示模块7通过RS232通讯接口模块52与单片机1连接，实现单片机1与显示模块7之间的通讯；所述模拟量输出模块3的输入端与单片机1连接，输出端与电动阀4连接；所述CAN总线通讯接口53用于系统与工厂网络预留之间的分布式连接；工厂网络预留是为了增加新设备时不用增加硬件成本而设置的；CAN总线是系统新增外接部件时，部件与系统之间、部件之间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息；
所述电源模块2为整个系统供电，提供24V、5V和3.3V的三种直流电源；所述电源模块2核心芯片为LM7812CT、LM7805CT及AMS1117。
所述模拟量输出模块3采用美国德州仪器公司的12位分辨率的DAC扩展芯片，型号为DAC7568，用于扩展DAC通道，实现对电动阀4的精确控制。
所述电动阀4安装在低品质余热回收发电装置的管路上；电动阀4接收单片机1的信号来控制电动阀的开闭，实现对管路的流量控制，调整管路流体压力、流量及方向，以实现装置的安全运行。
开关量输入接口电路61是单片机1与以开关量为输出形式的元件(如模式选择开关、系统启停开关、行程开关、接近开关、压力继电器等)的连接通道；编码器信号输入接口电路62作用是通过安装在低品质余热回收发电装置的发电机105上的测速编码器86将发电机105的转速信息转化为电信号输入并反馈到单片机1上，为进一步计算和调整做准备；继电器输出接口电路63作用是以低压信号控制高压信号实现对低品质余热回收发电装置中的水泵和电机的启停控制，即以小电流控制大电流，起到安全保护及转换电路的作用；指示灯输出接口电路64用于检查系统电路是否导通；
所述显示模块7是基于MCGS组态的触摸屏，能够快速而准确的读取单片机1中的数据信息，用于整个系统的部分参数与命令的输入及运行状态和参数的实时显示；
所述智能仪表信号采集模块8用于采集相应的温度信号、流量信号、压力信号和液位信号等，并发送给单片机1，并进行实时监控；所述液位传感器81安装在低品质余热回收发电装置中的除氧器108和凝汽器106上，用于实时监测其水位以保证设备正常安全运行，所述液位传感器81为西安创金电子科技有限公司的485通讯型投入式液位变送器。所述电能质量监测仪82安装在低品质余热回收发电装置中的电机105上，用于电能的监测；所述压力传感器83、流量传感器84和温度传感器85均分布在低品质余热回收发电装置的管路上；所述压力传感器83型号为KZY-KB；所述温度传感器85的型号为北京昆仑中大传感器技术有限公司的装配式温度传感器270系列KZW/P-270。所述测速编码器86安装在低品质余热回收发电装置的发电机105上，用于将发电机105的转速信息转化为电信号输入并反馈到单片机1上；所述测速编码器86为OMRON公司抗干扰能力比较强的E6B3-CWZ5G增量型旋转编码器。
本发明设计的控制系统的控制对象是低品质余热回收发电装置(参见图2)，包括热管蒸汽发生器101、汽包102、储气罐103、罗茨式动力机104、发电机105、凝汽器106、补水箱107、除氧器108、省煤器109以及连接各个部件所用的管路；热管蒸汽发生器101中的热管吸收低品质余热中烟气的热量，然后热管蒸汽发生器101中的水冲刷热管将水进行加热，使水转换成蒸汽；省煤器109内部结构是上部为水通道，下部为烟气通道，用于完成水的第一次预热；汽包102用于完成水和蒸汽的分离；储气罐103用于储存从汽包102中分离出来的蒸汽；蒸汽作用于罗茨式动力机104产生机械能；发电机105与罗茨式动力机104连接，用于电能的产生；凝汽器106用于将蒸汽冷凝成水；除氧器108用于水的净化，除去水中的氧气，以及CO2、NH3、H2S等气体，以免对设备造成腐蚀；
本发明低品质余热回收发电装置的控制系统的工作原理和工作流程是：开始工作，整个系统得电，单片机1完成上电初始化；所述显示模块7完成初始化启动后，进行工作状态确认程序。工业烟气从烟气入口进入低品质余热回收发电装置，压力传感器83、流量传感器84、温度传感器85检测低品质余热的压力、流量和温度。热管蒸汽发生器101与汽包102的结合实现了烟气热到蒸汽热的转换，得到品质合格的过热蒸汽送至储气罐103，运送过程中经过压力传感器83、流量传感器84、温度传感器85检测蒸汽的压力、流量和温度。低压蒸汽从储气罐103放出，通过蒸汽主路进入罗茨式动力机104，蒸汽作用于罗茨式动力机104产生机械能，在蒸汽主路上安装有压力传感器83、流量传感器84和温度传感器85，采集相应的温度、压力、流量信号，只有当此处采集到的蒸汽的压力值低于0.8Mpa、流量低于2t/h和温度低于200℃三个条件同时成立时，则打开电动阀4，允许蒸汽通过蒸汽主路进入罗茨式动力机104，否则关闭电动阀4。蒸汽作用于罗茨式动力机104产生机械能，从而带动发电机105产生电能，测速编码器86测得发电机105的转速信号，同时电能质量监测仪82测得相关电参量信号定时传输给单片机1。单片机1对上述信息处理，将计算结果输送给电动阀4调整流量，电动阀4进行相应动作。从蒸汽旁路流出的蒸汽和作用于罗茨式动力机104后排出的蒸汽混合后进入凝汽器106，蒸汽在凝汽器106中转化为水并进行冷却，凝汽器106上安装有液位传感器81，液位传感器81采集凝汽器106的液位信号，如果采集的液位信号显示凝汽器106液位过低，则单片机1控制打开电动阀4，补水箱107中的水进入凝汽器进行补充；如果测得凝汽器中水位过高，则单片机打开电动阀4将凝汽器106中的水通过水泵排入补水箱107中，如此循环保证凝汽器106水位平衡。而后在水泵的作用下进入除氧器108，除氧器108上同样安装有液位传感器81。经除氧器108加热净化后泵入省煤器109。在省煤器109中，工业烟气将省煤器109中的水进行余热，使水变成水汽，当进汽包104的电动阀4打开时，水汽通过省煤器109与汽包102之间的管道进入汽包102，管路上安装的压力传感器83、流量传感器84、温度传感器85分别用于检测进入汽包102时的压力、流量和温度。按照上述工作步骤的顺序，循环运动。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (9)
1.一种低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于该系统包括单片机、电源模块、模拟量输出模块、电动阀、通讯接口模块、数字I/O模块、显示模块和智能仪表信号采集模块；所述通讯接口模块包括RS485通讯接口模块和RS232通讯接口模块；所述数字I/O模块包括开关量输入接口电路、编码器信号输入接口电路、继电器输出接口电路和指示灯输出接口电路；所述智能仪表信号采集模块包括液位传感器、电能质量监测仪、压力传感器、流量传感器、温度传感器和测速编码器；
所述单片机分别与电源模块、模拟量输出模块和数字I/O模块连接；所述智能仪表信号采集模块通过RS485通讯接口模块与单片机连接；所述显示模块通过RS232通讯接口模块与单片机连接；所述模拟量输出模块的输入端与单片机连接，输出端与电动阀连接；所述电源模块为整个系统供电；所述电动阀安装在低品质余热回收发电装置的管路上，用于控制管路的开闭程度；开关量输入接口电路是单片机与系统中的开关原件的连接通道；编码器信号输入接口电路作用是将低品质余热回收发电装置中的发电机的转速信息转化为电信号反馈到单片机上；继电器输出接口电路作用是以低压信号控制高压信号实现对低品质余热回收发电装置中的部件的启停控制；指示灯输出接口电路用于检查系统电路是否导通；所述液位传感器用于实时监测低品质余热回收发电装置中的部件的水位情况；所述电能质量监测仪用于监测低品质余热回收发电装置中的发电机的电能的状况；所述压力传感器、流量传感器和温度传感器均分布在低品质余热回收发电装置的管路上，用于实时监测对应管路的温度、压力和流量情况；所述测速编码器用于将发电机的转速信息转化为电信号输入并反馈到单片机上；
开始工作，整个系统得电，单片机完成上电初始化；所述显示模块完成初始化启动后，进行工作状态确认程序；工业烟气从烟气入口进入低品质余热回收发电装置，压力传感器、流量传感器、温度传感器检测低品质余热的压力、流量和温度；热管蒸汽发生器与汽包的结合实现了烟气热到蒸汽热的转换，得到品质合格的过热蒸汽送至储气罐，运送过程中经过压力传感器、流量传感器、温度传感器检测蒸汽的压力、流量和温度；低压蒸汽从储气罐放出，通过蒸汽主路进入罗茨式动力机，蒸汽作用于罗茨式动力机产生机械能，在蒸汽主路上安装有压力传感器、流量传感器和温度传感器，采集相应的温度、压力、流量信号，只有当此处采集到的蒸汽的压力值低于0.8Mpa、流量低于2t/h和温度低于200℃三个条件同时成立时，则打开电动阀，允许蒸汽通过蒸汽主路进入罗茨式动力机，否则关闭电动阀；蒸汽作用于罗茨式动力机产生机械能，从而带动发电机产生电能，测速编码器测得发电机的转速信号，同时电能质量监测仪测得相关电参量信号定时传输给单片机；单片机对上述信息处理，将计算结果输送给电动阀调整流量；从蒸汽旁路流出的蒸汽和作用于罗茨式动力机后排出的蒸汽混合后进入凝汽器，蒸汽在凝汽器中转化为水并进行冷却，凝汽器上安装有液位传感器，液位传感器采集凝汽器的液位信号，如果采集的液位信号显示凝汽器液位过低，则单片机控制打开电动阀，补水箱中的水进入凝汽器进行补充；如果测得凝汽器中水位过高，则单片机打开电动阀将凝汽器中的水通过水泵排入补水箱中，如此循环保证凝汽器水位平衡；而后在水泵的作用下进入除氧器，除氧器上同样安装有液位传感器；经除氧器加热净化后泵入省煤器；在省煤器中，工业烟气将省煤器中的水进行余热，使水变成水汽，当进汽包的电动阀打开时，水汽通过省煤器与汽包之间的管道进入汽包，管路上安装的压力传感器、流量传感器、温度传感器分别用于检测进入汽包时的压力、流量和温度；按照上述工作步骤的顺序，循环运动。
2.根据权利要求1所述的低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于所述通讯接口模块还包括CAN总线接口模块；所述CAN总线通讯接口用于系统与工厂网络预留之间的分布式连接。
3.根据权利要求1所述的低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于单片机的型号为Cygnal公司的51系列单片机C8051F040。
4.根据权利要求1所述的低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于所述模拟量输出模块采用美国德州仪器公司的12位分辨率的DAC扩展芯片，型号为DAC7568，用于扩展DAC通道，实现对电动阀的精确控制。
5.根据权利要求1所述的低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于所述显示模块是基于MCGS组态的触摸屏。
6.根据权利要求1所述的低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于所述液位传感器为西安创金电子科技有限公司的485通讯型投入式液位变送器。
7.根据权利要求1所述的低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于所述压力传感器型号为KZY-KB。
8.根据权利要求1所述的低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于所述温度传感器的型号为北京昆仑中大传感器技术有限公司的装配式温度传感器270系列KZW/P-270。
9.根据权利要求1所述的低品质余热回收发电装置的控制系统，其特征在于所述测速编码器为OMRON公司的E6B3-CWZ5G增量型旋转编码器。
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