基于单片机的智能点火控制系统设计

摘要：本文设计了冶金轧钢退火炉、环形炉、罩式炉安全快速智能点火控制装置。智能点火控制装置由单片机控制硬件控制逻辑，再由硬件控制逻辑控制打火、开关阀等动作，当出现报警而单片机未能给出报警信号给硬件控制逻辑时，硬件控制逻辑会在一定时间后自行报警。本装置在工作时，UV探测器对火焰实时检测，一旦无火焰信号会及时传输给单片机和硬件控制逻辑。正是由于实时检测和双重保护使得整个点火控制装备在使用的时候更可靠更安全。另外本装置还可以通过修改软件运用在不同的生产工艺上，具有很强的可移植性。
关键词：硬件控制逻辑；程序控制；UV探测器；可靠安全

    智能点火控制装置在冶金行业有着非常广泛的应用，主要运用在轧钢退火炉、环形炉、罩式炉等方面，但现在用于冶金行业点火控制装置存在一定的缺陷，点火控制时间是根据现场生产环境固定设计，但不同生产工艺对点火时间的控制有着不用的要求。
    本实用新型智能点火控制装置可以控制点火时间，确保在点火时按一定的程序逐次实现点火过程，同时可随时修改控制参数，方便不同生产工艺的使用，以保证点火过程顺利而安全的完成。在点火装置使用的过程中，使用紫外线(UV)传感器来适时检测火焰，且当加热炉无火时，软件会报警，如果软件报警失效，一定延时后硬件电路报警，这样的双保护确保了整个点火控制装置在使用时更加安全可靠。

1 系统设计
1．1 系统总体框图
    系统总体框图如图1所示，图中CPU所有的输入输出都是通过光耦完成的，这样使信号传输的抗干扰能力加强。远程复位让装置进入工作状态，模式控制控制打火时间和开主阀时间，火焰传感器通过火焰探测电路将信号传输给CPU，CPU输出信号给硬件控制逻辑，由硬件控制逻辑来进行点火、开点火阀、主气阀和空气阀、报警，最后报警信号又输入给CPU，使CPU知道装置的运行状态，继而发出正确的指令，使整个点火控制过程有条不紊的进行。

1．2 系统主要功能
    正常情况下，CPU根据输入信号控制硬件控制逻辑来进行点火、探火、开关大小阀门或报警，而当CPU跑飞或由于其他原因停止工作进入非正常工作状态，硬件控制逻辑会在一定延时后自动启动报警。这样的多层保护使得整个装置在运行的过程中更加安全可靠。
    系统的主要功能如下：
    1)按下启动信号，进入工作状态，首先检测有无虚假火焰信号，如有则输出故障信号。如正常，开启点火变压器和点火阀，进入点火状态，如有火，为点火成功。开启主气阀。如无火，为点火失败，2秒后关闭所有控制输出，报警锁定，输出失败信号。
    2)点火成功后，主气阀的开启时间(安全时间)可由开关设置(3S、5S或10S)。
    3)空气阀的动作可选择跟随点火阀开启、或跟随主气阀开启、或由外部人工开启控制(用于炉窑吹扫)。
    4)正常工作后，如有火焰信号，保持正常工作直至工作信号撤销，回复到待机状态，如无火焰信号则由CPU来控制处理方法，有下列3种：
    ①立即关闭全部控制输出，报警锁定，输出失败信号。
    ②延时一段时间后(时间可调)，如仍无火焰信号，关闭全部控制输出，报警锁定，输出失败信号。
    ③关闭全部控制输出，重新启动，如点火成功，进入工作状态，如点火失败，关闭全部控制输出，报警锁定，输出失败信号。
    当CPU跑飞或由于其他原因停止了工作，这时硬件控制逻辑会在一定延时后自动启动报警，输出故障信号。
    5)控制器在待机状态时仍检测火焰信号，如出现连续10S的火焰信号，则断开控制输出电源，报警锁定，输出故障信号。
    6)故障／失败状态出现后将一直保持锁定，不受工作信号和断电的影响，只有人工干预复位后才可以解除故障／失败状态。

2 硬件设计
    本装置主要由CPU电路、点火电路、探火电路、硬件控制逻辑和继电器保护电路等组成。CPU选用的是MEG16芯片，控制整个点火过程；点火电路对加热炉进行点火；探火电路实时检测炉内火焰；硬件控制逻辑控制整个点火装置的输出，并且当CPU失效时能自行启动报警；继电器保护电路是为了控制开阀顺序和保护电路。下面对几个电路进行具体介绍。
2．1 硬件控制电路
    硬件控制电路如图2所示，J为双线包继电器，上面的线包只能控制开关向下动作，下面的线包只能控制开关向上动作，且断电的情况下具有记忆功能。图中可以看出，报警的产生是由555和CPU同时控制。无报警情况下控制芯片ULN2003A使能，CPU通过ULN2003A控制点火变压器、点火阀、主气阀和空气阀，装置正常工作。当正常工作无火时，火焰传感器将信号传输给CPU，CPU给出报警信号使三极管Q导通，继电器J工作，ULN2003A不使能，锁定所有CPU输出，装置进入锁定状态，无任何输出。

    当没火，而CPU由于某种原因没有给出报警信号时，这时如果点火阀或者主气阀有一个开着，555就会延时一段时间给出一个高电平使Q导通，ULN2003A不使能，锁定所有输出。在555延时的这段时间，如果又有火或者两个阀门同时关闭，555会自动重新延时。
    由于有CPU和555的双重保护，使得整个装置在使用时更加安全。
2．2 点火电路
    点火电路如图3所示，图中MOC3023为双向可控硅光耦，SCR为双向可控硅，RV1为压敏电阻，起到保护电路的作用。当有打火信号(低电平)时，光耦工作，4端和6端导通，SCR的G、K两端有电压差，触发SCR导通，A、K两端导通，变压器工作，输出高压给离子棒产生火花，从而进行点火。由于在打火时，会产生较大的干扰，所以在火线与零线接入C2和R5来进行滤波，减小干扰。

2．3 火焰检测电路
    火焰的发射光谱是由紫外、可见光和红外光的电磁辐射波段组成，火焰探测可以使用紫外线传感器和红外线传感器，本装置使用的紫外线传感器。

    紫外线传感器工作原理如图4所示。在紫外线传感器的阴极和阳极之间加上电压后，当火焰中的紫外线透过石英玻璃管照射在光电面的阴极上时，由于阴极涂敷有电子放射物质，阴极就会发射光电子。在强电场的作用下，光电子被吸向阳极，光电子高速运动时与管内气体分子相碰撞而使气体分子电离，气体电离产生的电子再与气体分子相碰撞，最终使阴极和阳极间被大量的光电子和离子所充斥，引起雪崩放电现象，电路中生成大的电流。当没有紫外线照射时，阴极和阳极间没有电子和离子的流动，呈现出相当高的阻抗。

    外围检测电路如图5所示，图中输入端为UV探测器的输出端，当有火焰时，输出端有较大的电流信号，电流大小可测，电流通过电阻到Q1的基级，Q1的集电极接Q2的基级，之后在Q2和Q1的发射级就有电压差，这样火焰指示灯亮，同时通过电阻R8将火焰信号传输给CPU。电路还可以通过调节电位器RV1来调节火焰探测的灵敏度。此电路组成简单，但对火焰探测非常准确、灵敏。

3 软件设计
    软件设计框图如图6所示。

    1)初始化时，进入待机状态State=0，关闭所有输出。
    2)外部如果有报警则State=1，这时等待远程复位信号的到来，当有复位信号时State=2。如果外部没报警则直接State=2。
    3)State=2进入点火，点火之前先判断炉内有火没，如果有火则不打火，没火进行点火到State=3。
    4)State=3进行点火，开启点火变压器和点火阀。点火后判断点火成功否，点火成功State=4，点火不成功则输出报警，关闭所有输出，State=0。
    5)State=4开启主气阀，装置正常工作。实时监测火焰电流信号，一旦无火焰电流信号则State=5。
    6)State=5为熄火反应，由模式控制开关选择。State=6为立即报警；State=7为延时三秒报警；State=8为重新点火。

5 结束语
    目前智能点火控制系统已在钢厂投入使用，运行良好。智能点火控制系统成本低但运行安全稳定，能够通过修改软件来适应不同的生产工艺，且具有软件硬件的双重保护和火焰实时检测等特点，其运用环境应该更加广阔，但智能点火控制系统目前还只仅仅运用于罩式加热炉，相信在不久的将来，智能点火控制系统会慢慢的运用于其它的加热炉，让更多的钢厂熟知。