本發(fā)明涉及工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，工業(yè)余熱是工業(yè)生產(chǎn)中分布面廣、應(yīng)用潛力大的一種常規(guī)可回收能源。在工業(yè)生產(chǎn)中，存在著大量的余熱資源，包括煙氣、蒸汽和熱水等，這些資源分布廣泛，普遍存在于各行各業(yè)中。余熱資源的產(chǎn)生是由于工業(yè)生產(chǎn)過程中消耗煤炭、石油以及各種可燃?xì)馀欧诺馁Y源，屬于二次能源。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和煤、石油等燃料的消耗增加，工業(yè)余熱能源的排放量勢必大量增加，其中蘊(yùn)含的潛在能源若不加以回收利用，將造成能源的巨大浪費(fèi)。現(xiàn)在大部分余熱回收發(fā)電裝置主要是回收高溫余熱(＞500℃)，一些較成熟的低溫余熱資源(＜350℃)回收發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量均為200KW及以上。現(xiàn)有的低溫余熱發(fā)電裝置控制系統(tǒng)的專利中，不能有效控制汽包、除氧器等裝置的水位，導(dǎo)致裝置如羅茨動(dòng)力機(jī)葉片損壞嚴(yán)重，安全性比較低。目前低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的功率為100kW，可實(shí)現(xiàn)低溫余熱資源的壓力值低于0.8Mpa、流量低于2t/h、溫度低于200℃的低溫余熱回收發(fā)電裝置還沒有成熟、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有控制系統(tǒng)的小型化、低能耗、低成本與可擴(kuò)展性強(qiáng)的等優(yōu)勢。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，提供一種低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括單片機(jī)、電源模塊、模擬量輸出模塊、電動(dòng)閥、通訊接口模塊、數(shù)字I/O模塊、顯示模塊和智能儀表信號采集模塊；所述通訊接口模塊包括RS485通訊接口模塊和RS232通訊接口模塊；所述數(shù)字I/O模塊包括開關(guān)量輸入接口電路、編碼器信號輸入接口電路、繼電器輸出接口電路和指示燈輸出接口電路；所述智能儀表信號采集模塊包括液位傳感器、電能質(zhì)量監(jiān)測儀、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器和測速編碼器；

所述單片機(jī)分別與電源模塊、模擬量輸出模塊和數(shù)字I/O模塊連接；所述智能儀表信號采集模塊通過RS485通訊接口模塊與單片機(jī)連接；所述顯示模塊通過RS232通訊接口模塊與單片機(jī)連接；所述模擬量輸出模塊的輸入端與單片機(jī)連接，輸出端與電動(dòng)閥連接；所述電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電；所述電動(dòng)閥安裝在低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的管路上，用于控制管路的開閉程度；開關(guān)量輸入接口電路是單片機(jī)與系統(tǒng)中的開關(guān)原件的連接通道；編碼器信號輸入接口電路作用是將低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置中的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)化為電信號反饋到單片機(jī)上；繼電器輸出接口電路作用是以低壓信號控制高壓信號實(shí)現(xiàn)對低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置中的部件的啟?？刂?；指示燈輸出接口電路用于檢查系統(tǒng)電路是否導(dǎo)通；所述液位傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置中的部件的水位情況；所述電能質(zhì)量監(jiān)測儀用于監(jiān)測低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置中的發(fā)電機(jī)的電能的狀況；所述壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器均分布在低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的管路上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測對應(yīng)管路的溫度、壓力和流量情況；所述測速編碼器用于將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)化為電信號輸入并反饋到單片機(jī)上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：

(1)該控制系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有控制系統(tǒng)的小型化、低能耗、低成本與可擴(kuò)展性強(qiáng)的等優(yōu)勢。

(2)該控制系統(tǒng)能夠克服低品質(zhì)余熱回收發(fā)電中存在的三個(gè)難點(diǎn)，即煙氣閥門控制、汽包水位動(dòng)態(tài)控制、凝汽器和除氧器水位動(dòng)態(tài)控制，改善系統(tǒng)大時(shí)滯性、非線性的動(dòng)態(tài)特性，能夠有效提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

能夠有效地實(shí)現(xiàn)凝汽器和除氧器水位動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，提高其穩(wěn)定性。通過控制汽包水位動(dòng)態(tài)控制，有效避免含水量過高的蒸汽進(jìn)入羅茨式動(dòng)力機(jī)，從而能夠有效的減緩葉片的腐蝕，水分的混入保證蒸汽溫度的穩(wěn)定，提高對發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

(3)該控制系統(tǒng)以C8051F040單片機(jī)核心，實(shí)現(xiàn)了顯示模塊與單片機(jī)之間通過RS232總線的實(shí)時(shí)通信。智能儀表信號采集模塊采用的原件均為數(shù)字化輸出傳感器，均可輸出RS 485信號，且該類傳感器可在復(fù)雜多干擾環(huán)境下安全可靠的工作，適合于現(xiàn)代電磁污染嚴(yán)重的環(huán)境使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意框圖；(圖中：1、單片機(jī)；2、電源模塊；3、模擬量輸出模塊；4、電動(dòng)閥；5、通訊接口模塊；6、數(shù)字I/O模塊；7、顯示模塊；8、智能儀表信號采集模塊；51、RS485通訊接口模塊；52、RS232通訊接口模塊；53、CAN總線接口模塊；61、開關(guān)量輸入接口電路；62、編碼器信號輸入接口電路；63、繼電器輸出接口電路；64、指示燈輸出接口電路；81、液位傳感器；82、電能質(zhì)量監(jiān)測儀；83、壓力傳感器；84、流量傳感器；85、溫度傳感器；86、測速編碼器)

圖2是本發(fā)明低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)一種實(shí)施例的被控制對象低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；(圖中：101、熱管蒸汽發(fā)生器；102、汽包；103、儲(chǔ)氣罐；104、羅茨式動(dòng)力機(jī)；105、發(fā)電機(jī)；106、凝汽器；107、補(bǔ)水箱；108、除氧器；109、省煤器)

具體實(shí)施方式

下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。具體實(shí)施例僅用于進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，不限制本申請權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供了一種低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng)，參見圖1)，包括單片機(jī)1、電源模塊2、模擬量輸出模塊3、電動(dòng)閥4、通訊接口模塊5、數(shù)字I/O模塊6、顯示模塊7和智能儀表信號采集模塊8；所述通訊接口模塊5包括RS485通訊接口模塊51、RS232通訊接口模塊52和CAN總線接口模塊53；所述數(shù)字I/O模塊6包括開關(guān)量輸入接口電路61、編碼器信號輸入接口電路62、繼電器輸出接口電路63和指示燈輸出接口電路64；所述智能儀表信號采集模塊8包括液位傳感器81、電能質(zhì)量監(jiān)測儀82、壓力傳感器83、流量傳感器84、溫度傳感器85和測速編碼器86；

所述單片機(jī)1分別與電源模塊2、模擬量輸出模塊3和數(shù)字I/O模塊6連接；單片機(jī)1的型號為Cygnal公司的51系列單片機(jī)C8051F040；所述智能儀表信號采集模塊8通過RS485通訊接口模塊51與單片機(jī)1連接；所述RS485通訊接口模塊51實(shí)現(xiàn)多現(xiàn)場儀器儀表信號的實(shí)時(shí)采集與遠(yuǎn)距離傳輸；所述顯示模塊7通過RS232通訊接口模塊52與單片機(jī)1連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)1與顯示模塊7之間的通訊；所述模擬量輸出模塊3的輸入端與單片機(jī)1連接，輸出端與電動(dòng)閥4連接；所述CAN總線通訊接口53用于系統(tǒng)與工廠網(wǎng)絡(luò)預(yù)留之間的分布式連接；工廠網(wǎng)絡(luò)預(yù)留是為了增加新設(shè)備時(shí)不用增加硬件成本而設(shè)置的；CAN總線是系統(tǒng)新增外接部件時(shí)，部件與系統(tǒng)之間、部件之間的公共連線，用于在各個(gè)部件之間傳輸信息；

所述電源模塊2為整個(gè)系統(tǒng)供電，提供24V、5V和3.3V的三種直流電源；所述電源模塊2核心芯片為LM7812CT、LM7805CT及AMS1117。

所述模擬量輸出模塊3采用美國德州儀器公司的12位分辨率的DAC擴(kuò)展芯片，型號為DAC7568，用于擴(kuò)展DAC通道，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)閥4的精確控制。

所述電動(dòng)閥4安裝在低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的管路上；電動(dòng)閥4接收單片機(jī)1的信號來控制電動(dòng)閥的開閉，實(shí)現(xiàn)對管路的流量控制，調(diào)整管路流體壓力、流量及方向，以實(shí)現(xiàn)裝置的安全運(yùn)行。

開關(guān)量輸入接口電路61是單片機(jī)1與以開關(guān)量為輸出形式的元件(如模式選擇開關(guān)、系統(tǒng)啟停開關(guān)、行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力繼電器等)的連接通道；編碼器信號輸入接口電路62作用是通過安裝在低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的發(fā)電機(jī)105上的測速編碼器86將發(fā)電機(jī)105的轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)化為電信號輸入并反饋到單片機(jī)1上，為進(jìn)一步計(jì)算和調(diào)整做準(zhǔn)備；繼電器輸出接口電路63作用是以低壓信號控制高壓信號實(shí)現(xiàn)對低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置中的水泵和電機(jī)的啟?？刂疲匆孕‰娏骺刂拼箅娏?，起到安全保護(hù)及轉(zhuǎn)換電路的作用；指示燈輸出接口電路64用于檢查系統(tǒng)電路是否導(dǎo)通；

所述顯示模塊7是基于MCGS組態(tài)的觸摸屏，能夠快速而準(zhǔn)確的讀取單片機(jī)1中的數(shù)據(jù)信息，用于整個(gè)系統(tǒng)的部分參數(shù)與命令的輸入及運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示；

所述智能儀表信號采集模塊8用于采集相應(yīng)的溫度信號、流量信號、壓力信號和液位信號等，并發(fā)送給單片機(jī)1，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；所述液位傳感器81安裝在低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置中的除氧器108和凝汽器106上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測其水位以保證設(shè)備正常安全運(yùn)行，所述液位傳感器81為西安創(chuàng)金電子科技有限公司的485通訊型投入式液位變送器。所述電能質(zhì)量監(jiān)測儀82安裝在低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置中的電機(jī)105上，用于電能的監(jiān)測；所述壓力傳感器83、流量傳感器84和溫度傳感器85均分布在低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的管路上；所述壓力傳感器83型號為KZY-KB；所述溫度傳感器85的型號為北京昆侖中大傳感器技術(shù)有限公司的裝配式溫度傳感器270系列KZW/P-270。所述測速編碼器86安裝在低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的發(fā)電機(jī)105上，用于將發(fā)電機(jī)105的轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)化為電信號輸入并反饋到單片機(jī)1上；所述測速編碼器86為OMRON公司抗干擾能力比較強(qiáng)的E6B3-CWZ5G增量型旋轉(zhuǎn)編碼器。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的控制對象是低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置(參見圖2)，包括熱管蒸汽發(fā)生器101、汽包102、儲(chǔ)氣罐103、羅茨式動(dòng)力機(jī)104、發(fā)電機(jī)105、凝汽器106、補(bǔ)水箱107、除氧器108、省煤器109以及連接各個(gè)部件所用的管路；熱管蒸汽發(fā)生器101中的熱管吸收低品質(zhì)余熱中煙氣的熱量，然后熱管蒸汽發(fā)生器101中的水沖刷熱管將水進(jìn)行加熱，使水轉(zhuǎn)換成蒸汽；省煤器109內(nèi)部結(jié)構(gòu)是上部為水通道，下部為煙氣通道，用于完成水的第一次預(yù)熱；汽包102用于完成水和蒸汽的分離；儲(chǔ)氣罐103用于儲(chǔ)存從汽包102中分離出來的蒸汽；蒸汽作用于羅茨式動(dòng)力機(jī)104產(chǎn)生機(jī)械能；發(fā)電機(jī)105與羅茨式動(dòng)力機(jī)104連接，用于電能的產(chǎn)生；凝汽器106用于將蒸汽冷凝成水；除氧器108用于水的凈化，除去水中的氧氣，以及CO₂、NH₃、H₂S等氣體，以免對設(shè)備造成腐蝕；

本發(fā)明低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)的工作原理和工作流程是：開始工作，整個(gè)系統(tǒng)得電，單片機(jī)1完成上電初始化；所述顯示模塊7完成初始化啟動(dòng)后，進(jìn)行工作狀態(tài)確認(rèn)程序。工業(yè)煙氣從煙氣入口進(jìn)入低品質(zhì)余熱回收發(fā)電裝置，壓力傳感器83、流量傳感器84、溫度傳感器85檢測低品質(zhì)余熱的壓力、流量和溫度。熱管蒸汽發(fā)生器101與汽包102的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了煙氣熱到蒸汽熱的轉(zhuǎn)換，得到品質(zhì)合格的過熱蒸汽送至儲(chǔ)氣罐103，運(yùn)送過程中經(jīng)過壓力傳感器83、流量傳感器84、溫度傳感器85檢測蒸汽的壓力、流量和溫度。低壓蒸汽從儲(chǔ)氣罐103放出，通過蒸汽主路進(jìn)入羅茨式動(dòng)力機(jī)104，蒸汽作用于羅茨式動(dòng)力機(jī)104產(chǎn)生機(jī)械能，在蒸汽主路上安裝有壓力傳感器83、流量傳感器84和溫度傳感器85，采集相應(yīng)的溫度、壓力、流量信號，只有當(dāng)此處采集到的蒸汽的壓力值低于0.8Mpa、流量低于2t/h和溫度低于200℃三個(gè)條件同時(shí)成立時(shí)，則打開電動(dòng)閥4，允許蒸汽通過蒸汽主路進(jìn)入羅茨式動(dòng)力機(jī)104，否則關(guān)閉電動(dòng)閥4。蒸汽作用于羅茨式動(dòng)力機(jī)104產(chǎn)生機(jī)械能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)105產(chǎn)生電能，測速編碼器86測得發(fā)電機(jī)105的轉(zhuǎn)速信號，同時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測儀82測得相關(guān)電參量信號定時(shí)傳輸給單片機(jī)1。單片機(jī)1對上述信息處理，將計(jì)算結(jié)果輸送給電動(dòng)閥4調(diào)整流量，電動(dòng)閥4進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。從蒸汽旁路流出的蒸汽和作用于羅茨式動(dòng)力機(jī)104后排出的蒸汽混合后進(jìn)入凝汽器106，蒸汽在凝汽器106中轉(zhuǎn)化為水并進(jìn)行冷卻，凝汽器106上安裝有液位傳感器81，液位傳感器81采集凝汽器106的液位信號，如果采集的液位信號顯示凝汽器106液位過低，則單片機(jī)1控制打開電動(dòng)閥4，補(bǔ)水箱107中的水進(jìn)入凝汽器進(jìn)行補(bǔ)充；如果測得凝汽器中水位過高，則單片機(jī)打開電動(dòng)閥4將凝汽器106中的水通過水泵排入補(bǔ)水箱107中，如此循環(huán)保證凝汽器106水位平衡。而后在水泵的作用下進(jìn)入除氧器108，除氧器108上同樣安裝有液位傳感器81。經(jīng)除氧器108加熱凈化后泵入省煤器109。在省煤器109中，工業(yè)煙氣將省煤器109中的水進(jìn)行余熱，使水變成水汽，當(dāng)進(jìn)汽包104的電動(dòng)閥4打開時(shí)，水汽通過省煤器109與汽包102之間的管道進(jìn)入汽包102，管路上安裝的壓力傳感器83、流量傳感器84、溫度傳感器85分別用于檢測進(jìn)入汽包102時(shí)的壓力、流量和溫度。按照上述工作步驟的順序，循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。