馮華勇,曾穎峰,王俊英
(四川工程職業(yè)技術學院,德陽 618000)
溫度是工業(yè)生產中主要的被控參數之一,特別是在建材、機械、冶金、化工、食品、石油等各類工業(yè)中,許多物理與化學變化過程都和溫度密切相關,因此溫度控制在生產自動化中占有重要的地位。
在蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)中,我們采用單片機作為鍋爐溫度測控儀的控制核心,實現溫度的檢測,顯示,設定,控制等功能。溫度測控儀的目的在于實時掌握鍋爐蒸汽溫度和鍋爐爐膛溫度。對鍋爐蒸汽溫度測控的意義可以從節(jié)能和安全兩個方面探討,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,會影響安全運行。此外,對鍋爐爐膛溫度測控的意義在于可以監(jiān)視過熱點,減少非計劃性停機和機會所帶來的損失,延長爐子的使用壽命、降低消耗成本,節(jié)約開支,防止焦化現象的出現。
對于溫度測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性質的穩(wěn)定性,對于該系統(tǒng)的蒸汽溫度測量以及爐膛溫度的測量非常實用。依測量原理該溫度測控儀的結構框圖如圖1所示。
該溫度測控儀的工作原理將溫度的變化反應為標準的電流信號,再將電流信號轉化為電壓信號送入到單片機中處理,處理后的結果控制固態(tài)繼電器開關電熱管,從RS485反饋到監(jiān)控平臺。
89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機中基本的產品, 89C52內置8位中央處理單元、256Byte內部數據存儲器RAM、8k片內程序存儲器(ROM)和32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計數器、5個兩級中斷結構,一個全雙工串行通信口,片內時鐘振蕩電路。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CPU而RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下,保存RAM數據,時鐘振蕩停止,同時停止芯片內其他功能。
選用XTR103變送器作為4 20mA電流的標準變換芯片如圖2所示,XTR103可對鉑電阻做電流的激發(fā),放大處理,40:1的線性處理。同時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為鉑電阻值的變化,變化的電壓差值送入XTR103做處理,對應得到標準的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電流產生的壓降亦為0.8V,在鉑電阻與R2產生的壓降之差0V通過差分輸入的方式輸入到3、4腳(IN+IN-),對應流出的電流為4mA。若溫度上升到300℃時,對應電阻值為212.03?,差分輸入的電壓Ui=0.089624V,此時電流為滿偏電流20mA,計算式可以由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)定輸出與測溫范圍還有一定的關系,R5可以作為一個電流線性化的電阻。計算式可以為I1=I2=0.8+(500×Ui)/R5,I1、I2為恒流源輸出,Ui為測量范圍。在此實際電路中R5取1229?。15腳外接三極管2N4922作為驅動器,二極管1N4148防止倒流。電容C1為0.01uF濾波。當電阻與電流變換成線性關系后要送入CPU進行處理還需將電流轉化為電壓后A/D轉換,而考慮到TI 公司配送RCV420精密I/V轉換芯片固可以按如圖連接,輸出(0 5V)的標準電壓。
在如圖3所示的溫度測控儀的控制電路中,可以將測溫電路出來的0 5V的電壓送入A/D轉化芯片進行處理。在此選用AD7888高速低功耗8通道12位串行轉換器。對于鍋爐加熱控制儀溫度采集點為5個,這里可以擴展至8路,每一路均為鉑電阻經XTR103變換為電流通過RCV420轉換為(0 5V)電壓,AD7888的外部基準電壓為+1.2V VCC,內部為+2.5V,此處選用TI公司的基準電壓芯片REF02,輸出+5V的基準電壓,該基準電壓送入AD7888作為外部基準輸入,AD7888內部有一個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,兩個功率管理位PM0、PM1控制AD7888工作模式,正常工作、完全關斷、自動關斷、自動等待。一個基準位REF控制選擇片內基準還是片外基準,在該儀表中此處應當選擇禁止內部基準。三個通道選擇為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無任何實際意義。對于該寄存器的訪問可以控制引腳CS、DIN、SCLK。CS為片選位,SCLK為串行時鐘信號,DIN為寫寄存器數據位,AD7888的8為寄存器的數據由此引腳寫入。而A/D轉換后數據通過DOUT引腳輸出到單片機。具體時序可參照AD7888芯片資料。此儀表還額外增加了4個按鈕,該按鈕可以設置工作溫度檢測數量,溫度值上下限。一個復位芯片X25045定時送入時鐘避免單片機因故障發(fā)生死機現象,另外串行時鐘信號與AD7888共用,僅用CS2作為片選區(qū)別信號,并且還將按鍵數據、預設數據、密碼數據送入X25045的內部存儲空間,掉電不丟失。
當溫度測控儀的控制電路中的A/D轉換數據在單片機中運算處理后即可發(fā)出控制指令控制P0口的6個固態(tài)繼電器通斷。由于P0口做IO驅動需外加上拉電阻,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間的長短。
為了更方便直觀的觀測設置溫度值,該儀表還設置了5個LED顯示器。第一個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℃)。該顯示的驅動選用MAX7219共陰極顯示驅動器可以驅動8個LED顯示器掃描速率800HZ、8位數據、多路復用方式,串行數據輸入。
溫度測控儀的程序流程圖如圖4所示。
在圖4中,初始階段對所有芯片顯示進行初始處理,將預設在復位芯片X25045中的數據取出,送入單片機89C52中進行控制處理,同時打開定時器,設置中斷優(yōu)先級,掃描外部通道AD轉換顯示,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,同時隨時等待中斷,定時器1做溫度控制處理,每隔1秒檢測溫度的變化情況作溫控處理,串口中斷主要接收發(fā)送Modbus協議處理數據,定時器2中斷主要用于Modbus數據幀時間間隔的處理。
本溫度測控儀共5個測溫點,每個PT100測溫點的信號處理均將電阻的變化通過XTR103表現為電流的變化再通過RCV420反應為標準電壓信號,根據實際的需要可以外擴至8個。溫控方案采用成熟的模糊控制技術,根據實際溫度與設定溫度的差值以及溫度升高的速度來調整加熱的時間達到目的。從而實現了蒸汽鍋爐的溫度控制系統(tǒng)的設計,這對于蒸汽鍋爐自動化控制具有一定的實踐使用價值。
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