史洪宇,鄭 毅

(1.惠州學(xué)院電子科學(xué)系,廣東惠州516007;2.上海交通大學(xué)自動(dòng)化系,上海 200030)

冷凍機(jī)蒸發(fā)溫度控制智能儀表設(shè)計(jì)

史洪宇1,鄭 毅2

(1.惠州學(xué)院電子科學(xué)系,廣東惠州516007;2.上海交通大學(xué)自動(dòng)化系,上海 200030)

以PIC16C73A微控制器為核心,采用軟件濾波、低通濾波等技術(shù),著眼于可靠性,設(shè)計(jì)了一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用溫度智能儀表.該智能儀表可通過(guò)控制冷凍機(jī)冷卻水流量對(duì)冷凍機(jī)蒸發(fā)溫度進(jìn)行控制,并且具有顯示、報(bào)警等功能,可靠性強(qiáng),易于升級(jí),還可以應(yīng)用于中央空調(diào)冷水機(jī)組.

智能儀表;冷凍機(jī);可靠性;抗干擾;蒸發(fā)溫度

0 引言

目前,國(guó)內(nèi)大型空氣分離(空分)裝置大多采用全低壓空分流程.而這類(lèi)空分流程在空氣進(jìn)入分子篩吸附器之前,都需要冷凍機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)冷,預(yù)冷后的空氣溫度要求比較嚴(yán)格,如果溫度過(guò)高會(huì)引起空分跳車(chē).這就需要控制好冷凍機(jī)的蒸發(fā)溫度,加之空分裝置一般屬于鋼鐵、化工企業(yè)的公用工程,故對(duì)冷凍機(jī)蒸發(fā)溫度控制可靠性要求較高.冷凍機(jī)的蒸發(fā)溫度通常通過(guò)冷凍機(jī)的冷凝器冷卻水流量控制,但一般情況下冷凍機(jī)的供貨商與空分裝置的工程承包單位為不同的單位,所以在冷凍機(jī)的控制柜中并沒(méi)有包含這部分.在日常工作中一般由操作工手動(dòng)操作.手動(dòng)操作降低了空分裝置運(yùn)行的可靠性和安全性,同時(shí)也增加了操作人員的工作量.

智能儀表在工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)與控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用.它集被測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示和控制報(bào)警為一體,是一種通用型二次儀表[1].目前國(guó)內(nèi)流行的數(shù)顯控制儀多是20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的,在實(shí)際應(yīng)用中用戶已發(fā)現(xiàn)有以下不足:①精度低.顯示精度一般為0.5%FS,最高達(dá)到0.2%FS,模擬輸出精度不超過(guò)0.5%FS,這是因?yàn)樵摦a(chǎn)品多采用8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832實(shí)現(xiàn)受控恒壓、恒流輸出,D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為0.4%FS,而調(diào)節(jié)余量要求D/A轉(zhuǎn)換器量程不能用滿,再加上D/A轉(zhuǎn)換器本身的誤差,故精度已很難超過(guò)0.5%FS.②可靠性不高,由于電路(除微控制器外)大量采用分立元件,其性能的一致性無(wú)法保證,必然降低整個(gè)產(chǎn)品的可靠性,同時(shí)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高.

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀表功能要求的不斷提高,高顯示精度及可靠性已成為一個(gè)重要的發(fā)展方向[2].一些著名公司如西門(mén)子、羅斯蒙特、Smar等所生產(chǎn)的智能變送器等一次儀表,精度一般為0.1%FS,高的可達(dá)到0.05%FS甚至0.02%FS[3].

1 冷凍機(jī)蒸發(fā)溫度分析

1.1 冷凍機(jī)流程

圖1為一臺(tái)二次節(jié)流的冷凍機(jī)流程,制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī),被壓縮到1.3MPa左右,進(jìn)入冷凝器.在冷凝器中制冷劑被冷卻水冷卻到30℃左右液化,然后通過(guò)節(jié)流閥Ⅱ節(jié)流,節(jié)流后氣體導(dǎo)入壓縮機(jī)吸氣口,液體經(jīng)節(jié)流閥Ⅲ節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器,壓力約為0.42 MPa.在蒸發(fā)器中制冷劑被冷凍水加熱蒸發(fā)(蒸發(fā)溫度8℃～12℃),變?yōu)闅鈶B(tài)的制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口繼續(xù)進(jìn)行熱力循環(huán).

1.2 蒸發(fā)溫度控制物理原理

結(jié)合圖1及冷凍機(jī)熱力循環(huán)T-S圖知,在冷凍水流量保持不變(約40 t/h),由動(dòng)力裝置提供的冷卻水溫度不變的情況下,如果增加冷卻水流量,由于冷卻水流速增加,使冷卻器換熱系數(shù)提高,熱流密度增加,結(jié)果冷凝器中的制冷劑向冷卻水傳遞的熱量增加,制冷劑溫度下降.節(jié)流后制冷劑液汽比增加,如果提供相同冷量,即冷凍水流量、出口溫度不變的情況下,制冷劑蒸發(fā)壓力降低,故蒸發(fā)溫度也要降低,冷凍水溫度也要隨之下降,冷凍機(jī)制冷量增加.簡(jiǎn)言之,冷卻水流量增加,冷凍機(jī)制冷量增加,冷凍水溫度下降.反之,如果減少冷卻水流量,冷凝壓力升高,冷凍機(jī)制冷量減少,冷凍水溫度升高.這樣,我們就可以通過(guò)控制冷凍機(jī)冷凝器中冷卻水流量來(lái)控制冷凍機(jī)冷凍水出口溫度.

圖1 冷凍機(jī)流程Fig.1 Refrigerator process

2 冷凍機(jī)蒸發(fā)溫度控制器

2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖2所示.考慮到所測(cè)量的溫度范圍為0℃～20℃,控制范圍為8℃～12℃,并且Pt100價(jià)格較低.所以選擇Pt100作為溫度傳感器,其信號(hào)輸出范圍0～20 mA.

圖2 冷凍機(jī)蒸發(fā)溫度控制器系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of evaporation temperature control of refrigerator

為保證冷凝器水側(cè)不出現(xiàn)大的死區(qū)(即冷凝器頂部被空氣占用,使冷凝效果下降,冷凝器工作不正常),選擇在冷凝器冷卻水出口安裝調(diào)節(jié)閥.在空分裝置緊急停車(chē)或配電出故障等緊急情況下,工藝要求冷凝器殼側(cè)充滿水,這就要求在掉電或斷氣(儀表氣)情況下冷凝器冷卻水出口調(diào)節(jié)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài),因此調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)式.

2.2 技術(shù)要求

①要求模擬量輸入通道≥4個(gè);②具有5位LED;③狀態(tài)參數(shù)具有掉電保護(hù);④輸出一路電壓信號(hào)0～5 V;⑤系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境下能可靠工作;⑥具有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)功能;⑦系統(tǒng)設(shè)備之間的信號(hào)為開(kāi)關(guān)量,4路輸入,4路輸出.

3 硬件設(shè)計(jì)

(1)主機(jī)芯片選擇

高頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中,會(huì)伴隨電磁波的輻射,引起電路板上元件間的相互干擾,因此選用外時(shí)鐘頻率低的單片機(jī)可以降低干擾程度,提高系統(tǒng)的可靠性[4].由于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性有一定要求,因此應(yīng)以運(yùn)行速度快的單片機(jī)為首選方案,而不是提高系統(tǒng)的時(shí)鐘.PIC系列采用長(zhǎng)字節(jié)指令,所有指令均為單字長(zhǎng),除跳轉(zhuǎn)指令為雙周期指令外均為單周期(4個(gè)時(shí)鐘周期)指令.相對(duì)其他系列單片機(jī)而言,PI C單片機(jī)運(yùn)行速度是很快的,在運(yùn)行速度相同的前提下,可選擇外時(shí)鐘頻率低的PI C單片機(jī),以提高抗干擾能力[5].

女人說(shuō)，本來(lái)是雇了保姆照看父親的?？墒?，父親醒來(lái)那天，保姆卻不在身邊，等下班回來(lái)才知道父親醒了，他說(shuō)他不認(rèn)識(shí)我們，他要回工地。我和哥哥反復(fù)說(shuō)了幾十次，又把我們不同時(shí)期的照片和母親的照片給他看，他這才相信現(xiàn)在是二十一世紀(jì)，不是一九八一年了。坐了幾天輪椅，他就吵著要回古家莊去。我們又不敢勸得太狠，怕他病情出現(xiàn)反復(fù)。

微處理器選用PI C16C73A,它具有功耗低、運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)等特點(diǎn),采用長(zhǎng)字節(jié)指令,所有指令均為單字長(zhǎng),除跳轉(zhuǎn)為雙周期指令外均為單周期(4個(gè)時(shí)鐘周期)指令.內(nèi)含看門(mén)狗、8級(jí)硬件堆棧、192×8 RAM、3個(gè)定時(shí)器、2個(gè)捕捉器、5路8位A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)SPI/I2C共用同步串行口、一個(gè)異步發(fā)送/接收串口US-ART、多種中斷功能(包括B口的RB4～RB7輸入電平變化中斷).其中,PI C16C73A高度集成看門(mén)狗、A/D轉(zhuǎn)換器等器件,可以大大提高儀表的可靠性.因?yàn)镻IC16C73A屬于PI C系列芯片的低檔產(chǎn)品,價(jià)格較便宜,并且該芯片投放市場(chǎng)經(jīng)過(guò)了眾多用戶的應(yīng)用和測(cè)試,所以在PI C系列芯片中選用該芯片.

輸入通道A/D采用8位PIC16C73A自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器.本文中冷凍機(jī)冷卻水溫度傳感器測(cè)量溫度范圍為0℃～20℃,則

(2)配置擴(kuò)展8255 I/O芯片,掛接功能鍵及報(bào)警揚(yáng)聲器.

(3)鍵盤(pán)初步定義為:復(fù)位、自診斷、增量、位移、設(shè)置、停止、確認(rèn),本地/遠(yuǎn)程.

(4)顯示電路模塊由一片MC14489(5位LED譯碼、鎖存、驅(qū)動(dòng)器)外加一限流電阻即可完成5位LED數(shù)碼管的顯示工作.MPU通過(guò)SPI串行總線發(fā)送控制信號(hào)和數(shù)據(jù),控制MC14489工作.

(5)D/A用12位串行輸出特性TLC5615分辨率為1/4 096,提高了系統(tǒng)精度,可以滿足設(shè)計(jì)要求.

(6)配置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口,采用Device-Net或Profibus.

(7)存儲(chǔ)器配置:采用E2PROM或者帶有電池的RAM(2 KB～4 KB).

(8)穩(wěn)壓電源:各種干擾會(huì)引起系統(tǒng)失效和硬件損壞,實(shí)踐證明,電源的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的影響相當(dāng)大.目前有以下幾種電源:①阻容分壓式:采用簡(jiǎn)單的電阻電容分壓、濾波,穩(wěn)壓性能差、電源波動(dòng)大、帶負(fù)載能力小,電網(wǎng)干擾極易串入;②開(kāi)關(guān)電源:穩(wěn)壓性能好、電源波動(dòng)小,但成本較高;③線性電源:穩(wěn)壓性能好,隔離特性好,價(jià)格適中,在智能儀表中多采用線性電源.因此,本溫度智能儀表采用線性電源.

(9)其他 在信號(hào)線上包一層金屬導(dǎo)體屏蔽層,并將屏蔽層端點(diǎn)接地,消除靜電感應(yīng)噪聲.對(duì)于電磁感應(yīng)噪聲,配線時(shí)盡量使信號(hào)線遠(yuǎn)離強(qiáng)電線,以減少互感和電磁感應(yīng)噪聲.傳感器到A/D轉(zhuǎn)換(PIC16C73A單片機(jī))間加低通濾波電路,過(guò)濾掉高頻噪音,消除串模干擾.配備一個(gè)揚(yáng)聲器,用于溫度超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)報(bào)警.

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)總體思路

設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計(jì)原則,主要有監(jiān)控程序、中斷服務(wù)程序及子程序集.

(1)監(jiān)控程序:系統(tǒng)初始化(堆棧設(shè)置、中斷入口、寄存器初始化、顯示器顯示標(biāo)志符、輸出口初始處理、定時(shí)器初始化、I/O口的初始化、啟動(dòng)采樣、數(shù)字濾波程序、運(yùn)行控制輸出、顯示器刷新顯示);

(2)中斷服務(wù)程序: INTO鍵中斷服務(wù)程序;

(3)若干子程序.

4.2 信號(hào)處理

用軟件措施抗干擾——采用數(shù)字濾波程序[6].為提高模數(shù)轉(zhuǎn)換精度和儀表工作的可靠性,需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理.用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波是經(jīng)濟(jì)、有效的方法.軟件方法主要有:抗脈沖干擾平均法、比較舍取法、中(位)值法、限幅濾波法、低通數(shù)字濾波法、滑動(dòng)平均濾波法、加權(quán)滑動(dòng)平均濾波法等.這里先用限幅濾波法然后用滑動(dòng)平均濾波法進(jìn)行數(shù)字濾波.

(1)限幅濾波法 用當(dāng)前采樣值與上一次采樣值進(jìn)行比較,若差值超過(guò)最大可能的變化范圍,則當(dāng)前采樣值無(wú)效,仍取上次采樣值.差值的最大變化范圍可由被測(cè)量的最大變化率和采樣周期的乘積決定.該方法可消除偶然脈沖的干擾.

(2)滑動(dòng)平均濾波法 每采樣一次,就與最近m次的歷史采樣值相加,再取其平均值為本次采樣值,

可見(jiàn),該方法可削弱瞬態(tài)干擾的影響,對(duì)頻繁振蕩型干擾有很好的抑制能力,可以消除周期性干擾.

4.3 控制算法

控制算法采用P ID調(diào)節(jié),應(yīng)用積分分離法.基本思想是當(dāng)偏差大的時(shí)候不進(jìn)行積分,當(dāng)偏差的絕對(duì)值小于某一預(yù)定門(mén)限時(shí),才進(jìn)行積分積累,這樣既防止了大偏差時(shí)有過(guò)大的控制量,又避免過(guò)積分現(xiàn)象,還可以清除靜差.

4.4 軟件程序提高可靠性采取的措施

(1)謹(jǐn)慎使用堆棧操作 程序盡量避免子程序多層的嵌套,最好限制在兩層以內(nèi).這樣,一方面減小堆棧出錯(cuò)的概率,另一方面可減輕程序出錯(cuò)時(shí)的損失.

(2)系統(tǒng)元件上電的同步問(wèn)題 這個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,有多種IC芯片并存.這些IC芯片從上電到正常工作狀態(tài)的時(shí)間一般有些差距(也與電路板元器件的布置有關(guān)).由于單片機(jī)上電快,簡(jiǎn)單初始化后接著對(duì)其他IC進(jìn)行操作,這時(shí)某些IC可能還沒(méi)有進(jìn)入正常工作狀態(tài),致使它處于“死鎖”狀態(tài).在單片機(jī)初始化程序中加一段軟件延時(shí),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的上電同步,從而提高系統(tǒng)的可靠性[7-8].

(3)軟件冗余 防止信息的輸出過(guò)程及傳輸過(guò)程出錯(cuò),如對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)采用重復(fù)校驗(yàn)方式,對(duì)信息采用重復(fù)傳送并進(jìn)行校驗(yàn)等.在程序中重復(fù)鍵入一些跳轉(zhuǎn)指令,在與其他芯片數(shù)據(jù)交換時(shí)加1條到2條空指令,避免出錯(cuò).

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的智能儀表主要考慮可靠性和抗干擾等因素,采用高度集成芯片、軟件及硬件濾波及一系列抗干擾和增加可靠性的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷凍機(jī)蒸發(fā)溫度的有效調(diào)節(jié).該智能儀表可靠性強(qiáng),易于升級(jí),并可應(yīng)用于中央空調(diào)冷水機(jī)組.

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Design of Intelligent Instrument of Evaporation Temperature Control in Refrigerator

SH IHong-yu1,ZHENG Yi2

(1.Depar tm ent of Electronic Science,Huizhou University,Huizhou516007,China; 2.Depar tm ent of Automation,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200030,China)

Taking PIC16C73A micro controller as the core,with software filtrating and low-pass filtrating technology,taking reliability into account,design a kind of intelligent instrument operating in industrial environment.The intelligent instrument,with functionsof display and alarm,can control the evaporation temperature of refrigerator by controlling its cooling water flow.It perfor mances high reliability,easy to upgrade,and can be used in chillers in central air-conditioning.

intelligent instrument;refrigerator;reliability;anti-jamming;evaporation temperature

TP368.1

A

1007-0834(2011)01-0028-04

10.3969/j.issn.1007-0834.2011.01.010

2010-10-25

廣東省惠州市科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(2009B020002022)

史洪宇(1979—),女,河南南陽(yáng)人,惠州學(xué)院電子科學(xué)系講師.