徐品政 羅益民

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中通常使用循環(huán)冷卻水對(duì)設(shè)備進(jìn)行冷卻，但若對(duì)其處理不好，則會(huì)給換熱設(shè)備帶來污垢沉積，并對(duì)換熱設(shè)備的性能以及工業(yè)生產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重影響。因此，工業(yè)中通常使用監(jiān)測換熱器對(duì)循環(huán)冷卻水結(jié)垢情況進(jìn)行監(jiān)測。

監(jiān)測換熱器是一種模擬實(shí)際工況的小型換熱器［1］。使用監(jiān)測換熱器長期在線監(jiān)測污垢熱阻的同時(shí)，需測定和記錄各種數(shù)據(jù)，并計(jì)算污垢熱阻。這一過程持續(xù)時(shí)間長，消耗的人力較多，且精度不高［2］。使用市場上一般的污垢熱阻監(jiān)測儀可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量和計(jì)算污垢熱阻的功能，但并不能對(duì)蒸汽溫度和進(jìn)水流量進(jìn)行自動(dòng)控制，而且此類監(jiān)測儀往往不具備通信功能，不能接入工廠的DCS，也不便于工廠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文介紹的一種基于C8051F021的污垢熱阻在線監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)，很好地解決了以上問題，且儀器測量各性能(精度、集成度、可靠性)高、功耗低、體積小，很適合使用在工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)測換熱器上。

1 監(jiān)測換熱器系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

污垢熱阻在線監(jiān)測儀首先通過分布在監(jiān)測換熱器各部分的傳感器得到測量數(shù)據(jù)，主要測量值有蒸汽溫度、進(jìn)口溫度、進(jìn)水流量和出口溫度，然后監(jiān)測儀對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示，并通過計(jì)算得到當(dāng)前污垢熱阻值，最后將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送到DCS。此外，監(jiān)測儀還能根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)對(duì)蒸汽電動(dòng)閥和進(jìn)水電動(dòng)閥進(jìn)行控制。

監(jiān)測換熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Systematic Structure

1.2 污垢熱阻的計(jì)算方法

在計(jì)算污垢熱阻之前首先要對(duì)清潔管熱阻R0進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)傳熱系數(shù)方程式和熱傳導(dǎo)的基本原理，可得到清潔管熱阻R0的計(jì)算式為:

式中:d為換熱管內(nèi)徑;l為試驗(yàn)管的有效長度;n為試驗(yàn)管的數(shù)目;Cp為水的比熱;G為單位時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量;T為當(dāng)前蒸汽溫度;t1為當(dāng)前冷卻水進(jìn)口溫度;t2為當(dāng)前冷卻水出口溫度。

由此可得瞬時(shí)污垢熱阻rs，即當(dāng)前熱阻值減去清潔管熱阻值，計(jì)算式為:

1.3 監(jiān)測流程

基于以上污垢熱阻計(jì)算方法，監(jiān)測換熱器系統(tǒng)需要在首次運(yùn)行時(shí)先計(jì)算清潔管熱阻R0，這是保證整個(gè)測量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，然后再計(jì)算污垢熱阻rs。

基于這個(gè)測量流程，本儀器運(yùn)行時(shí)分為4種狀態(tài)，分別為“0狀態(tài)”、“1狀態(tài)”、“2狀態(tài)”和“3狀態(tài)”。在“0狀態(tài)”時(shí)，輸入監(jiān)測參數(shù)，為監(jiān)測做準(zhǔn)備;在“1狀態(tài)”時(shí)，計(jì)算R0，每隔一定時(shí)間計(jì)算一次，求8次后取平均值;在“2狀態(tài)”時(shí)，每隔2 h計(jì)算一次rs，直到手動(dòng)結(jié)束測量;“3狀態(tài)”為結(jié)束測量狀態(tài)，需操作員手動(dòng)使測試過程進(jìn)入該狀態(tài)，在該狀態(tài)之前保存的R0、rs的數(shù)值將被清零。

2 監(jiān)測儀硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)測儀硬件部分主要由微控制器、信號(hào)調(diào)理電路、外部存儲(chǔ)器、RS-485通信電路、液晶顯示器、鍵盤等人機(jī)接口設(shè)備和外接傳感器以及執(zhí)行器等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware Structure

2.1 中央控制單元

本監(jiān)測儀的中央控制單元使用美國Silicon Laboratories公司設(shè)計(jì)的C8051F021型單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)核采用流水線處理技術(shù)，具有很高的指令執(zhí)行效率，性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，能夠滿足本系統(tǒng)中控制算法的運(yùn)算需求。另外，其具備多種總線接口以及本系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括8輸入12位片內(nèi)ADC、2個(gè)12位片內(nèi)DAC，因此大大減少了外圍擴(kuò)展器件，提高了硬件系統(tǒng)的集成度，有效地減小了儀器的體積，從而降低了系統(tǒng)的功耗和成本，完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2.2 傳感器

本系統(tǒng)中溫度傳感器采用A級(jí)Pt100鉑電阻，其阻值隨溫度的變化而改變，且精度高，穩(wěn)定性好，在工業(yè)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。流量傳感器采用電磁流量計(jì)，測量范圍為0.3 ～15 m/s，精度為0.5 級(jí)。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

在溫度信號(hào)采集方式方面，本監(jiān)測儀采用電橋電路，將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，并且與Pt100的連接采用三線制接法，其優(yōu)點(diǎn)是將Pt100的兩側(cè)長度相等的導(dǎo)線分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)需經(jīng)過放大后才能送入A/D以保證系統(tǒng)精度，因此本儀器采用LM324放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分放大，再送入C8051F021的12位A/D進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度信號(hào)的高精度采集。

流量、pH和電導(dǎo)率信號(hào)都為4～20 mA電流信號(hào)，由LM324完成I/V轉(zhuǎn)換后再送入單片機(jī)的A/D接口。另外，本監(jiān)測儀還要實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽電動(dòng)閥和流量電動(dòng)閥的控制，需要輸出4～20 mA的電流控制信號(hào)，因此本設(shè)計(jì)中通過單片機(jī)12位D/A輸出2路0～5 V電壓信號(hào)，然后再經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閥的控制。

2.4 外圍設(shè)備

為了更好地了解監(jiān)測換熱器的工作狀況以及冷卻循環(huán)水的結(jié)構(gòu)趨勢［3－7］，需要對(duì)污垢熱阻值進(jìn)行存儲(chǔ)。本監(jiān)測儀每2 h計(jì)算并保存一次污垢熱阻值，并保存99天的污垢熱阻值。設(shè)計(jì)選用了鐵電存儲(chǔ)器FM31256對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)容量為256 kB，通過I2C接口與單片機(jī)連接，對(duì)數(shù)據(jù)讀寫次數(shù)沒有限制。FM31256具有10年掉電數(shù)據(jù)保存期，完全滿足系統(tǒng)需求。

人機(jī)接口設(shè)備方面，本監(jiān)測儀采用128×64的點(diǎn)陣式液晶顯示器以及4個(gè)獨(dú)立按鍵，可以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置、污垢熱阻變化趨勢顯示等，符合工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測人員需求。

3 監(jiān)測儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

C8051F021為本監(jiān)測儀的核心控制器件，它是監(jiān)測儀軟件系統(tǒng)的載體。本設(shè)計(jì)中，軟件采用C語言編寫，源碼編譯生成的二進(jìn)制文件通過JTAG接口下載到單片機(jī)的Flash存儲(chǔ)器中。監(jiān)測儀軟件系統(tǒng)的主要功能包括單片機(jī)功能配置、界面顯示、按鍵處理、信號(hào)采集處理、控制算法實(shí)現(xiàn)、污垢熱阻計(jì)算與存儲(chǔ)以及DCS通信等。

3.1 主程序流程

軟件主程序流程如圖3所示。開機(jī)初始化后，即循環(huán)執(zhí)行功能模塊。此流程圖中只列出了一些主要的軟件模塊，另外一些功能模塊在此不再贅述。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of the main program

3.2 A/D采樣信號(hào)的處理

由于監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)行中可能會(huì)受外界干擾，受干擾的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果會(huì)偏離真實(shí)值，因此必須進(jìn)行數(shù)字濾波。本監(jiān)測儀對(duì)A/D采樣值采用防脈沖干擾平均值濾波法，即首先開辟能存儲(chǔ)N次采樣值的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，初次存入N－2個(gè)采樣值;然后讀取2個(gè)采樣值，此時(shí)已有N個(gè)采樣值;接著對(duì)N個(gè)值從小到大排序，得到y(tǒng)i，再刪除現(xiàn)有N個(gè)采樣值中最小和最大值，即y0和yN;最后對(duì)去極值后的N－2個(gè)采樣值求平均值，其計(jì)算公式為:

式中:yi為經(jīng)過從小到大排序后的采樣值。

由于Pt100鉑電阻的溫度-電阻函數(shù)關(guān)系并非線性，所以將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，且經(jīng)計(jì)算后得到的電阻值直接通過計(jì)算轉(zhuǎn)換成溫度的方法需消耗很多單片機(jī)資源。因此，本儀器在軟件設(shè)計(jì)中，采用查表和線性插值算法相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)電阻到溫度的轉(zhuǎn)換。該方法運(yùn)算快、消耗單片機(jī)資源少，并且可以在一定程度上對(duì)Pt100進(jìn)行線性化校正，從而提高測量精度。其具體實(shí)現(xiàn)方法為在Flash中存儲(chǔ)電阻-溫度分度表，在0～150℃范圍內(nèi)，每隔2 K在分度表內(nèi)記錄一個(gè)電阻與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，共記錄75組對(duì)應(yīng)關(guān)系。在測量過程中，首先根據(jù)測量到的電阻值選定阻值區(qū)間，然后查表得到該區(qū)間端點(diǎn)阻值所對(duì)應(yīng)的溫度，最后在該區(qū)間內(nèi)進(jìn)行線性插值算法即可求得當(dāng)前溫度值，其計(jì)算公式為:

式中:Rx為測量到的電阻;Ri和Ri+1為區(qū)間端點(diǎn)，且Ri≤Rx＜Ri+1;Ti為查表得到的Ri對(duì)應(yīng)溫度值;Tx為Rx所對(duì)應(yīng)的溫度，即當(dāng)前所測得溫度值。

3.3 控制算法的實(shí)現(xiàn)

在監(jiān)測換熱器使用過程中，若水流量和蒸汽溫度發(fā)生較大波動(dòng)，會(huì)影響監(jiān)測的準(zhǔn)確性，因此必須對(duì)水流量和蒸汽溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，以保證水流量和蒸汽溫度的穩(wěn)定。本監(jiān)測儀采用了一種帶死區(qū)控制的數(shù)字PID控制算法，其原理如下。

首先對(duì)PID控制算法進(jìn)行離散化處理可得:

式中:積分系數(shù) Ki=KcT/Ti;微分系數(shù)Kd=KcTd/T。其中T為采樣周期;Kc為控制器的比例增益。

由式(5)可以看出因?yàn)橐奂铀衅頴(j)，所以這種控制算式使用起來很不方便，要占用較多存儲(chǔ)單元，且不便于程序編寫，因此對(duì)式(5)進(jìn)行遞推，得到如下所示的增量型PID控制算法:

在k時(shí)刻的全量控制輸出為:

該式中不需累加偏差e(j)，控制增量Δu(k)的確定僅與前兩次的偏差采樣值有關(guān)，計(jì)算量小、程序編寫簡單、運(yùn)算速度快，適合實(shí)際應(yīng)用。

為了避免控制動(dòng)作過于頻繁，消除因頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，本監(jiān)測儀在以上PID控制算法的基礎(chǔ)上增加了死區(qū)控制功能，死區(qū)的輸入輸出特性為:

其控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control diagram

圖4中:第一個(gè)框圖表示死區(qū)控制特性，即式(8)所表示的內(nèi)容。

帶死區(qū)控制與不帶死區(qū)控制的PID算法仿真對(duì)比如圖5所示。

圖5 控制算法仿真對(duì)比圖Fig.5 Simulation comparison of control algorithm

該控制算法最后將u(k)轉(zhuǎn)換后傳送給D/A，最后輸出4～20 mA信號(hào)給調(diào)節(jié)閥，其能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量和蒸汽溫度的自動(dòng)控制。同時(shí)從圖5中易看出，該控制算法相比不帶死去控制的PID算法可以有效避免閥門頻繁動(dòng)作，在保證監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定的同時(shí)延長了系統(tǒng)的壽命。

3.4 通信功能的實(shí)現(xiàn)

本監(jiān)測儀可通過RS-485接口與上位機(jī)或DCS相連，且采用Modbus通信協(xié)議，可遠(yuǎn)程傳遞測量數(shù)據(jù)和修改監(jiān)測儀參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控［8－10］。

4 測試結(jié)果分析

在完成了對(duì)監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)后，對(duì)其性能進(jìn)行了測試。測試中對(duì)蒸汽溫度和進(jìn)水流量分別設(shè)置了5個(gè)目標(biāo)值，通過PID調(diào)節(jié)使其穩(wěn)定后，對(duì)比現(xiàn)場監(jiān)測換熱器中的水銀溫度計(jì)和電磁流量計(jì)顯示值，測試結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 測試結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of th testing results

監(jiān)測儀對(duì)蒸汽溫度調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定值和水銀溫度計(jì)讀數(shù)對(duì)比表明，該監(jiān)測儀對(duì)蒸汽溫度的測量精度較高;對(duì)進(jìn)水流量調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定值與電磁流量計(jì)讀數(shù)對(duì)比表明，該監(jiān)測儀對(duì)4～20 mA信號(hào)的轉(zhuǎn)換也有較高精度，可以很好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠?？梢?，本監(jiān)測儀能很好地實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度和進(jìn)水流量的PID調(diào)節(jié)，避免其產(chǎn)生較大波動(dòng)，以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語

本污垢熱阻在線監(jiān)測儀對(duì)以往污垢熱阻在線監(jiān)測儀進(jìn)行了改進(jìn)，通過高集成度芯片的使用，將儀器體積控制在了12 cm×12 cm×9 cm，便于現(xiàn)場安裝和使用。經(jīng)現(xiàn)場使用后證實(shí)，該監(jiān)測儀性能表現(xiàn)良好，且穩(wěn)定可靠，能夠很好地配合現(xiàn)場監(jiān)測換熱器對(duì)冷卻循環(huán)水結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行在線監(jiān)測，對(duì)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的科學(xué)監(jiān)測與管理起到了極大的幫助。

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