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浅谈无人职守换热站温度控制系统
2013年第三期    发布时间:2013-11-22 16:42:15

浅谈无人职守换热站温度控制系统

承德市热力集团有限责任公司     张 勇

    关键词:  8051单片机  温度测控   传感器   PID算法  固态继电器
    内容摘要:本文介绍了在实际供热生产中,利用单片机系统进行换热站供热水温测量和控制的智能化的方法。对MCS-51单片机及其扩展系统的原理及结构进行了详尽论述。测温系统温度传感器AD590,信号放大部分采用两级运放电路及二阶压控LPF。本系统借助于传感器、A/D, D/A转换器、扩展的并行接口以及执行机构进行的。在闭环过程控制中,过程的实时参数由传感器和A/D转换器实时采集,并由微型计算机自动记录、统计制表,然后再通过D/A转换器或并行接口输出控制信号,控制执行机构动作,进行调节和控制,以及紧急情况的报警提示。同时,还扩展了另外一个温度传感器及相关电路,利用它进行室温采集,并通过8255并行口扩展LED显示,这样能更清楚的看到当周围温度发生变化时水温的变化,有利于节约供热成本。
    我国集中供热事业起步较晚,整体水平较低。目前,国内供热温控自动化水平不高,以人工调节为主,自动化控制和科学管理仍处于摸索阶段,而国外自动化供热水平比较高,基本上达到了高效节能的要求,尽管目前国内现在投入使用的各种控制和管理系统很多,但运行和使用情况多数不是太理想,换热站好的大多数采用国外的设备和技术,投入高回收慢,而且很难进行二次开发,满足新的功能和设备的变更需求,对使用和维护人员的要求也很高。在我国北方城市多数采用集中供热系统为间接系统,即城市热网(一次网)为高温热网,经过街区换热站将高温热水转换为低温热水通过小区热网(二次网)向热用户供热的形式。这种供热形式具有供热面积大,输送距离远,调整方便,一次网失水率小,舒适度较高等优点。随着城市进程化加快,人民生活水平提高,也为集中供热提出了更高的要求,面对供热面积扩大,换热站数量增加,热力系统温控设备如何满足用户舒适度的要求,如何在局部热负荷变化是迅速调节,如何在出现事故时及时处理等。单片机水温控制系统是单片机控制的一项简单应用。近几年来单片机因其独特的,方便,快捷的优势被广泛的应用于各个领域之中,在本设计之中,单片机作为核心部件进行检测控制,增强了设计的通用性,适时性。该设计的主要目的是:将温度控制在设定的温度值,设定范围为:各换热站管道对用户管道水温30-60度。水温检测采用AD590温度传感器,他不仅具有较高的精度,而且有良好的非线性。考虑到强电的干扰将影响到点片机的正常工作,设计了强电隔离装置。模数转换装置采用了集成的ADC0809芯片,方便了与单片机的连接。同时采用了8255并行接口连接键盘,显示设备等外围扩展芯温度控制分为升温和降温控制,升温控制采用步进电机驱动供热管道调节阀。
    软件部分采用流程图来表示,对各个子程序进行说明,包括控制算法,偏差计算等。控制主供热管道的阀门大小。
    该设计所做的水温控制系统中,通过改变某些设计部分,能增强统的实用性,例如采用压力传感器进行压力测量等。
    1 管道水温测量电路的设计

    1.1 温度传感器AD590简介
传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成,有时还需要加辅助电源。AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。实际上,这种器件在被测温度一定时,相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性。即使电源在5-15V之间变化,其电流只是在1uA以下作微小变化。
    1.2 放大滤波电路的设计
     温度传感器的输出信号为电流信号,通过串接电阻R变成电压信号,然后利用两个uA741放大器的串接来实现两级放大,放大为0-5V的电压信号。经过转换和放大的电压信号再经过滤波进入ADC0809。
    滤波电路分为无源滤波电路和有源滤波电路。无源滤波又分为LC滤波和RC滤波。LC滤波由于采用电感,为了保证滤波性能,势必要求电感量很大,致使电感的重量和体积过大,既不易制作,(特别是不易集成化).而且成本高,有时还需要加磁屏蔽,给制造和安装带来不便,因此除了在大功率电路中有时还必须选用外,在低频信号传输电路中一般应尽量避免使用电感。RC滤波电路虽没有LC滤波电路的那些缺点,但RC滤波电路中的电阻不仅消耗我们希望抑制的那些信号的能量,而且消耗我们希望顺利通过的信号的能量,所以RC滤波电路的性能较差。
    由于放大电路能将信号放大,因此可以设法用放大电路和RC网络组成有源滤波电路,以提高滤波性能。有源滤波电路中的集成运放可加电压串联负反馈,使输入阻抗高,输出阻抗低,输入与输出之间有良好的隔离,因此只要将几个低阶滤波电路串联起来,就可以得到高阶滤波电路,很方便。有源滤波电路由于有放大电路,因此除滤波外,还可以将信号放大,而且放大倍数容易调节。由于以上诸多优点,本测温系统中选用有源滤波电路作为低通滤波器〔LPF〕。
    2  单片机控制部分的设计
    2.1  MCS-51单片机的选择
    MCS-51是一种高性能的八位单片机。本测温系统中选用8051。
    2.2  键盘扫描及显示电路
    用于计算机系统的键盘通常有两类:一类是编码键盘,即键盘上闭合键的识别由专用硬件来实现:另一类是非编码键盘,即键盘矩阵式上键入及闭合键的识别由软件来完成。键盘可以分为独立连接式和矩阵式两类。
    2.3  8255并行接口
    单片机8051留给用户使用的并行接口很少,在实际中常感到不够应用,为此,本系统在总线上扩充了一个8255并行接口芯片。系统留给并行接口的地址空间为4K,从容量上说它可以并接的并行口数量是很大的,足够使用,如果需要,人们也可自行扩充。
    2.4  数模转换与模数转换
    ADC0809是一种带有8位转换器、8位多路切换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。8位A/D转换器的转换方法为逐次逼近法。在A/D转换器的内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器。
    3  单片机温度控制系统的设计
    3.1 光电隔离
    光电隔离器件从大的方面来看,可粗略的分为光耦合器及应用光耦合器或其他电子器件制成或应用光耦合器制成的器件。
光耦合器因可实现输入与输出电位上的严格隔离,所以在电力电子设备中晶闸管的门极控制与全控型器件的驱动及信号传输实现输入输出的隔离等方面都得到了广泛的应用光电耦合器虽种类较多,内部结构有所不同,其速度也有差别,但其基本特性和参数定义却有共同点。在光电耦合器内部,由于发光二极管和光敏管之间的耦合电容很小,所以共模输入电压通过极间耦合电容对电流Ic的影响很小,因而共模抑制比很高。
    3.2  固态继电器
    在工业自动化控制系统中,固态继电器(简称SSR)经常被用来控制执行机构,特别是应用于一些耐潮、耐腐蚀、防爆的场合。
3.3晶闸管主电路及驱动电路的设计
   (1) 在温度控制系统中,主电路一般使用晶闸管组成的交流调压电路,通过控制晶闸管的通断达到调压控温的目的.因此,在本系统中,主电路采用了两只单向晶闸管反并联的形式,在交流电压的正半周期使其中一只晶闸管导通,在负半周期使另一只晶闸管导通。
   (2)晶闸管触发电路及其元件的选取
温控系统中常用的交流调压方式一般有相位控制和通断控制,相位控制技术是使晶闸管在电源电压每一周期中,在选定的时刻内将负载与电源接通,改变选定的时刻就可达到调压的目的。这种方法在工作过程中会产生高次谐波,功率因数也较低。而通断控制是把晶闸管作为开关将负载与交流电源接通几个周期(工频1周期为20ms),然后再断开一定的周期,改变通断的时间比值达到调压的目的。这种控制方式与相位控制相比,电路简单,功率因数较高,适用于有较大的时间常数的负载。在本系统中采用了通断控制的方法。
     3.4 抗干扰措施
    在相当多的情况下,单片机可能在一个充满噪声干扰的恶劣环境中工作,抗干扰问题便突出了起来。8051单片机内部没有提供此类安全保护功能,为了使8051也能适应工业环境工作的要求,保证系统可靠工作,在系统设计时,专门为8051在片外扩充了一个看门狗电路。
    4  软件部分设计
    4.1  PID 控制算法
    控制算法是智能仪器仪表软件的重要组成部分,整个仪表的控制主要由控制算法来实现。而PID控制是过程控制领域中应用最普遍的控制规律。
    按偏差的比例、积分、微分控制(Proportional Integral Differential),简称为PID控制.由控制理论可以证明,PID控制能满足相当多工业对象的控制要求,一般都能收到令人满意的效果。
程序流程图为(转下页):
            


    4.2  8255并行口子程序设计
    8255并行口子程序用于输出控制信号:
    4.3  数据显示及打印设计

      

4.3  数据显示及打印设计

    为把水温及时反映给操作人员,可将其数据对应的字形码送至显示器显示。为了把水温的历史数据保存起来,可采用微型打印机作为硬拷贝输出设备。
    4.4  温度控制程序,流程图
    5 报警指示
    为了在系统应对外界出现断电等紧急情况,本系统加装了报警装置,报警方式可根据实际生产的需要加装,本文设计了一个简单的报警扬声器装置。
    综上所述,本文所设计的是用单片机原理对换热站供热管道水温进行控制。根据实际供热生产中的应用,本系统具有智能化控制温度、显示、遇紧情况报警等方面的功能,有比较好的精度和实用性。适应了国家可持续发展站略要求环保节约的需要,在一定程度上减少国家站略资源的煤的消耗量,减少了北方大部分城市在冬季供暖时的城市污染。
    温度控制在很多方面都有应用,本系统在实验理论的基础上所作的设计。在具体的工业温度控制中可提供一定的参考性,对传感器和相关电路进行改变,还可以达到,压力,湿度等方面的控制。
       

    4.4  温度控制程序,流程图