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        蒸汽鍋爐溫度測(cè)控儀的研究

        2011-05-10 11:05:04馮華勇曾穎峰王俊英
        制造業(yè)自動(dòng)化 2011年16期
        關(guān)鍵詞:鉑電阻測(cè)控基準(zhǔn)

        馮華勇,曾穎峰,王俊英

        (四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,德陽 618000)

        0 引言

        溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一,特別是在建材、機(jī)械、冶金、化工、食品、石油等各類工業(yè)中,許多物理與化學(xué)變化過程都和溫度密切相關(guān),因此溫度控制在生產(chǎn)自動(dòng)化中占有重要的地位。

        在蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)中,我們采用單片機(jī)作為鍋爐溫度測(cè)控儀的控制核心,實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè),顯示,設(shè)定,控制等功能。溫度測(cè)控儀的目的在于實(shí)時(shí)掌握鍋爐蒸汽溫度和鍋爐爐膛溫度。對(duì)鍋爐蒸汽溫度測(cè)控的意義可以從節(jié)能和安全兩個(gè)方面探討,蒸汽溫度過高將危及鍋爐過熱器,降低循環(huán)效率,蒸汽溫度過低,會(huì)影響安全運(yùn)行。此外,對(duì)鍋爐爐膛溫度測(cè)控的意義在于可以監(jiān)視過熱點(diǎn),減少非計(jì)劃性停機(jī)和機(jī)會(huì)所帶來的損失,延長爐子的使用壽命、降低消耗成本,節(jié)約開支,防止焦化現(xiàn)象的出現(xiàn)。

        1 溫度測(cè)控儀的工作原理

        對(duì)于溫度測(cè)量傳感器選用鉑電阻,鉑電阻在高溫中有較好的物理和化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性,對(duì)于該系統(tǒng)的蒸汽溫度測(cè)量以及爐膛溫度的測(cè)量非常實(shí)用。依測(cè)量原理該溫度測(cè)控儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        該溫度測(cè)控儀的工作原理將溫度的變化反應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào),再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送入到單片機(jī)中處理,處理后的結(jié)果控制固態(tài)繼電器開關(guān)電熱管,從RS485反饋到監(jiān)控平臺(tái)。

        2 溫度測(cè)控儀硬件設(shè)計(jì)

        2.1 89C52

        89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品, 89C52內(nèi)置8位中央處理單元、256Byte內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、8k片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(ROM)和32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、5個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu),一個(gè)全雙工串行通信口,片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。此外,89C52還可工作于低功耗模式,可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下,保存RAM數(shù)據(jù),時(shí)鐘振蕩停止,同時(shí)停止芯片內(nèi)其他功能。

        2.2 溫度測(cè)控儀的測(cè)溫電路

        選用XTR103變送器作為4 20mA電流的標(biāo)準(zhǔn)變換芯片如圖2所示,XTR103可對(duì)鉑電阻做電流的激發(fā),放大處理,40:1的線性處理。同時(shí)XTR103工作的溫度范圍較寬(-40℃ 85℃),工作電壓可以在(+9V 40V)之間,在此儀表中選取+12V。該變送器將溫度變化反應(yīng)為鉑電阻值的變化,變化的電壓差值送入XTR103做處理,對(duì)應(yīng)得到標(biāo)準(zhǔn)的4 20mA電流。圖中XTR103的4、13腳輸出8mA的電流,鉑電阻在0℃的阻值為100?,通過電流8mA的電壓降為0.8V,R2選用的精密電阻亦為100?,13腳輸出8mA電流產(chǎn)生的壓降亦為0.8V,在鉑電阻與R2產(chǎn)生的壓降之差0V通過差分輸入的方式輸入到3、4腳(IN+IN-),對(duì)應(yīng)流出的電流為4mA。若溫度上升到300℃時(shí),對(duì)應(yīng)電阻值為212.03?,差分輸入的電壓Ui=0.089624V,此時(shí)電流為滿偏電流20mA,計(jì)算式可以由Io=4mA+(0.016+40/R3)×Ui得到,所以可以推出R3約等于250?。此外,電流源穩(wěn)定輸出與測(cè)溫范圍還有一定的關(guān)系,R5可以作為一個(gè)電流線性化的電阻。計(jì)算式可以為I1=I2=0.8+(500×Ui)/R5,I1、I2為恒流源輸出,Ui為測(cè)量范圍。在此實(shí)際電路中R5取1229?。15腳外接三極管2N4922作為驅(qū)動(dòng)器,二極管1N4148防止倒流。電容C1為0.01uF濾波。當(dāng)電阻與電流變換成線性關(guān)系后要送入CPU進(jìn)行處理還需將電流轉(zhuǎn)化為電壓后A/D轉(zhuǎn)換,而考慮到TI 公司配送RCV420精密I/V轉(zhuǎn)換芯片固可以按如圖連接,輸出(0 5V)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。

        2.3 溫度測(cè)控儀的控制電路

        在如圖3所示的溫度測(cè)控儀的控制電路中,可以將測(cè)溫電路出來的0 5V的電壓送入A/D轉(zhuǎn)化芯片進(jìn)行處理。在此選用AD7888高速低功耗8通道12位串行轉(zhuǎn)換器。對(duì)于鍋爐加熱控制儀溫度采集點(diǎn)為5個(gè),這里可以擴(kuò)展至8路,每一路均為鉑電阻經(jīng)XTR103變換為電流通過RCV420轉(zhuǎn)換為(0 5V)電壓,AD7888的外部基準(zhǔn)電壓為+1.2V VCC,內(nèi)部為+2.5V,此處選用TI公司的基準(zhǔn)電壓芯片REF02,輸出+5V的基準(zhǔn)電壓,該基準(zhǔn)電壓送入AD7888作為外部基準(zhǔn)輸入,AD7888內(nèi)部有一個(gè)8位的只寫寄存器,該8位寄存器控制著工作狀態(tài)和方式,兩個(gè)功率管理位PM0、PM1控制AD7888工作模式,正常工作、完全關(guān)斷、自動(dòng)關(guān)斷、自動(dòng)等待。一個(gè)基準(zhǔn)位REF控制選擇片內(nèi)基準(zhǔn)還是片外基準(zhǔn),在該儀表中此處應(yīng)當(dāng)選擇禁止內(nèi)部基準(zhǔn)。三個(gè)通道選擇為ADD0、ADD1、ADD2,選擇模擬輸入通道 1~8。為保證AD7888正確操作ZER0位寫0,另外還有一位DONTC無任何實(shí)際意義。對(duì)于該寄存器的訪問可以控制引腳CS、DIN、SCLK。CS為片選位,SCLK為串行時(shí)鐘信號(hào),DIN為寫寄存器數(shù)據(jù)位,AD7888的8為寄存器的數(shù)據(jù)由此引腳寫入。而A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)通過DOUT引腳輸出到單片機(jī)。具體時(shí)序可參照AD7888芯片資料。此儀表還額外增加了4個(gè)按鈕,該按鈕可以設(shè)置工作溫度檢測(cè)數(shù)量,溫度值上下限。一個(gè)復(fù)位芯片X25045定時(shí)送入時(shí)鐘避免單片機(jī)因故障發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象,另外串行時(shí)鐘信號(hào)與AD7888共用,僅用CS2作為片選區(qū)別信號(hào),并且還將按鍵數(shù)據(jù)、預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)、密碼數(shù)據(jù)送入X25045的內(nèi)部存儲(chǔ)空間,掉電不丟失。

        2.4 溫度測(cè)控儀的驅(qū)動(dòng)電路

        當(dāng)溫度測(cè)控儀的控制電路中的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在單片機(jī)中運(yùn)算處理后即可發(fā)出控制指令控制P0口的6個(gè)固態(tài)繼電器通斷。由于P0口做IO驅(qū)動(dòng)需外加上拉電阻,故在此選用500?電阻,既作為上拉電阻亦作為限流電阻。固態(tài)繼電器為三相的,一端連接配電箱出來的三相電源,另一端連接三相加熱管。通過控制固態(tài)繼電器的通斷來控制蒸汽鍋爐加熱時(shí)間的長短。

        2.5 溫度測(cè)控儀的顯示電路

        為了更方便直觀的觀測(cè)設(shè)置溫度值,該儀表還設(shè)置了5個(gè)LED顯示器。第一個(gè)顯示為功能或通道顯示,可由按鍵選擇,后面4位為溫度值(0 999.9℃)。該顯示的驅(qū)動(dòng)選用MAX7219共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED顯示器掃描速率800HZ、8位數(shù)據(jù)、多路復(fù)用方式,串行數(shù)據(jù)輸入。

        3 溫度測(cè)控儀軟件設(shè)計(jì)

        溫度測(cè)控儀的程序流程圖如圖4所示。

        在圖4中,初始階段對(duì)所有芯片顯示進(jìn)行初始處理,將預(yù)設(shè)在復(fù)位芯片X25045中的數(shù)據(jù)取出,送入單片機(jī)89C52中進(jìn)行控制處理,同時(shí)打開定時(shí)器,設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí),掃描外部通道AD轉(zhuǎn)換顯示,再掃描外部鍵盤看是否有變化,有則做鍵盤處理,無則循環(huán)繼續(xù)掃描外部A/D,同時(shí)隨時(shí)等待中斷,定時(shí)器1做溫度控制處理,每隔1秒檢測(cè)溫度的變化情況作溫控處理,串口中斷主要接收發(fā)送Modbus協(xié)議處理數(shù)據(jù),定時(shí)器2中斷主要用于Modbus數(shù)據(jù)幀時(shí)間間隔的處理。

        4 結(jié)論

        本溫度測(cè)控儀共5個(gè)測(cè)溫點(diǎn),每個(gè)PT100測(cè)溫點(diǎn)的信號(hào)處理均將電阻的變化通過XTR103表現(xiàn)為電流的變化再通過RCV420反應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),根據(jù)實(shí)際的需要可以外擴(kuò)至8個(gè)。溫控方案采用成熟的模糊控制技術(shù),根據(jù)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的差值以及溫度升高的速度來調(diào)整加熱的時(shí)間達(dá)到目的。從而實(shí)現(xiàn)了蒸汽鍋爐的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),這對(duì)于蒸汽鍋爐自動(dòng)化控制具有一定的實(shí)踐使用價(jià)值。

        [1] 韋慶志. 基于ARM的模糊PID溫度控制系統(tǒng)的研究[D].江蘇: 江蘇大學(xué), 2010.

        [2] 張旭. 一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用顯示驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表, 2003, 40(7).

        [3] 楊龍, 于濱紅. 固態(tài)繼電器在89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電測(cè)與儀表, 1999(1)35-37.

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