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        基于PLC的采暖爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制

        2012-08-26 08:05:56武冬梅
        制造業(yè)自動(dòng)化 2012年19期
        關(guān)鍵詞:鍋爐單片機(jī)誤差

        武冬梅

        WU Dong-mei

        (內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政與路橋?qū)W院,呼和浩特 010070)

        0 引言

        在中國,采用鍋爐取暖主要以煤為燃料,不僅是鍋爐取暖,我國能源的供應(yīng)也是以煤為主。燃?xì)獯嫒济翰膳歉纳票狈降貐^(qū)冬季環(huán)境質(zhì)量的重要措施。我國北方城市多年來一直采用集中供熱方式,國內(nèi)外的運(yùn)行情況說明,這種供熱方式技術(shù)上成熟[1],也是比較經(jīng)濟(jì)的。但近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和體制的改革,使集中供熱面臨著一些社會(huì)矛盾,主要是包燒費(fèi)收繳困難及因此帶來的供熱質(zhì)量得不到保證。因此,家庭燃?xì)獠膳绞皆絹碓绞艿郊彝ビ脩舻那嗖A而得到發(fā)展。

        在鍋爐汽包燃燒系統(tǒng)中安全是首要指標(biāo),在安全體現(xiàn)中溫度是核心因素,溫度過高或者過低都不利于鍋爐汽包燃燒系統(tǒng)的正常運(yùn)行。溫度過高則會(huì)引起管壁結(jié)垢從而傳熱量效率變低,過低則會(huì)影響部分水冷壁的水循環(huán),嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起爆炸,所以在鍋爐運(yùn)行中,保證溫度在正常范圍是非常重要的。

        1 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

        1.1 采暖系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        如圖1中主要加熱系統(tǒng)主要有:電暖器、電鍋爐、大型熱泵、家用熱泵。

        1.2 溫度控制系統(tǒng)

        圖1 各種形式的采暖供熱系統(tǒng)

        系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。溫度采集器中爐出口溫度調(diào)節(jié)器輸出的溫度值傳給爐膛溫度調(diào)節(jié)器,爐膛溫度調(diào)節(jié)器把把該輸入值作為把本省調(diào)節(jié)器溫度設(shè)定值值[2],同時(shí)在這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中爐出口溫度為主被控參數(shù),爐膛溫度為副被控參數(shù)。溫度信號(hào)可輸入溫度信號(hào)采集電路,進(jìn)入到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),其系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有A/D和 D/A轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)采用溫度串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)以及在材料上采用了高精度的鉑電阻傳感器進(jìn)行溫度測量與控制,且以單片機(jī)作為核心進(jìn)行溫度控制,在軟件控制中采用通用PID算法,由PID運(yùn)算進(jìn)行數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。最有通過模型信號(hào)進(jìn)行可控硅控制,最終實(shí)現(xiàn)對爐溫的高精度控制[3]。

        圖2 溫度控制系統(tǒng)邏輯框圖

        溫度控制部分采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,它能夠?qū)囟戎苯愚D(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),可以通過一根數(shù)據(jù)線與單片機(jī)進(jìn)行通信,而且它不需要外部元件,在-10℃~85℃范圍內(nèi)可以精確到+0.5℃。完全滿足設(shè)計(jì)要求。這樣設(shè)計(jì)就可以不使用A/D轉(zhuǎn)換器,從而使系統(tǒng)的精度得以提高,也能夠大大節(jié)省單片機(jī)得系統(tǒng)資源,所以我又加了DS1302時(shí)鐘模塊電路,使時(shí)間能夠?qū)崟r(shí)顯示。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        2.1 總體電路框圖

        本設(shè)計(jì)以STC89C52RC單片機(jī)為主控核心設(shè)計(jì)的一個(gè)溫度控制系統(tǒng),低溫時(shí)可控制加熱設(shè)備,高溫時(shí)控制風(fēng)扇,超出設(shè)定最高溫度值時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲響報(bào)警。

        STC89C52RC單片機(jī)為40引腳雙列直插芯片,有四個(gè)I/O口P0,P1,P2,P3, MCS-51單片機(jī)共有4個(gè)8位的I/O口(P0、P1、P2、P3),每一條I/O線都能獨(dú)立地作輸出或輸入。

        2.2 溫度采集設(shè)計(jì)

        DS18B20在惡劣環(huán)境中具有抗干擾性的特點(diǎn),其主要原因是支持一線總線,該技術(shù)比較適合在惡劣的環(huán)境溫度測量.它具有體積小等特點(diǎn),在微小體積重集成了各類型傳感器和各種轉(zhuǎn)換電路。同時(shí)DS18B20的測量溫度范圍為-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃范圍內(nèi),精度為±0.5℃,9~12位分辨率設(shè)置,精度為±0.5℃。以及報(bào)警溫度值設(shè)置固化入EEPROM。

        DS18B20的主要特點(diǎn):

        1)電源:電源接入方式以及電源范圍更靈活與寬,支持?jǐn)?shù)據(jù)線電源供電。

        2)微處理器與DS18B20通信通信更加方便:支持通過單線鏈接實(shí)現(xiàn)雙向通信的功能;

        3)組網(wǎng)方式更加靈活:支持多點(diǎn)組網(wǎng),可以實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)監(jiān)控與測溫度。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上只需要采用多個(gè)設(shè)備并聯(lián)在三線上即可。

        4)高度集成:DS18B20體積小,但其內(nèi)部已經(jīng)集成了各類型的傳感器和轉(zhuǎn)換器。在于外界鏈接時(shí)候,不在需要單獨(dú)加入其它轉(zhuǎn)換器設(shè)備。

        在溫度控制范圍以及可編程分別率范圍更寬,可以滿足高精度測溫的要求。

        在可編程分別率中9位分別率和12位分別率在溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字速率可以達(dá)到93.75ms和75ms就可以實(shí)現(xiàn)溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

        結(jié)果顯示更直觀和在抗干擾、糾錯(cuò)能力上更強(qiáng)勁。直接進(jìn)行數(shù)字溫度信號(hào)輸出與CRC校驗(yàn)碼。

        5)負(fù)壓特性:電源極性接反時(shí),芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作[5]。

        DS18B20中的VDD引腳可以解決電源電流不足的問題,可以保證設(shè)備的轉(zhuǎn)換精度,但需要注意的是在這種模式下GND引腳不能為空,負(fù)責(zé)會(huì)影響到設(shè)備的轉(zhuǎn)換。

        在溫度數(shù)據(jù)采集過程中,設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸分為并行傳輸和串行傳輸,在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要采用并行數(shù)據(jù)傳輸,以字或字節(jié)為單位,這樣可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        3.1 總體軟件框圖

        總體軟件框圖如圖3所示。

        圖3 總體軟件框圖

        3.2 溫度數(shù)據(jù)采集

        單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換需要進(jìn)行三個(gè)操作,第一個(gè)是復(fù)位操作,然后是發(fā)出ROM指令,最后進(jìn)行RAM指令。當(dāng)設(shè)備發(fā)出60~240微秒低脈沖后表示復(fù)位成功。

        3.3 PID控制程序設(shè)計(jì)

        PID控制技術(shù)是在模擬量閉環(huán)控制工業(yè)領(lǐng)域中是最歷史悠久,最成熟的技術(shù)。其內(nèi)容包含:P(比例控制)、I(在積分控制)、D(微分控制)。

        1)比例控制(P):其具有能快速反應(yīng)的特點(diǎn),雖誤差不能消除,但可以減少到最低,在內(nèi)容上控制器的輸出誤差與輸入誤差信號(hào)成正比。

        2)在積分控制(I):它具有消除余差的功能,但同時(shí)具有滯后性。其在控制關(guān)系上控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比。

        3)在微分控制(D)中,具有誤差預(yù)測功能,但無法消除余差,其控制關(guān)系與輸入、輸出誤差信號(hào)微分成正比。

        PID控制,中P,I,D 三者相互作用,只有當(dāng)找到P,I,D合理的平衡點(diǎn),才可以發(fā)揮其最好搞的質(zhì)量控制。

        3.3.1 PID控制算法

        在本控制系統(tǒng)中,出口溫度傳感器的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)提供給爐膛溫度傳感器,同時(shí)爐膛溫度傳感器的溫度傳輸給DS18B20進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換。然后將兩路模擬信號(hào)經(jīng)通過PID模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制。

        PID控制器通過回路輸出控制使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定值。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系:

        控制器的輸出為:

        u(t )為PID回路輸出;

        Kp為比例系數(shù)P;

        Ti為積分系數(shù)I;

        Td為微分系數(shù)D。

        PID調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為:

        系統(tǒng)在處理這類函數(shù)時(shí)候,首先必須做到先把連續(xù)函數(shù)進(jìn)行離散化,然后進(jìn)行對離散化結(jié)果偏差進(jìn)行周期性采樣,最后得出其結(jié)果。所以PID輸出經(jīng)過離散化后,它的輸出方程為:

        式中,

        up(n)=Kpe(n)為比例項(xiàng);

        從上面的式子可以看出積分項(xiàng)已經(jīng)包含了所有采樣周期的誤差累積值,所以當(dāng)進(jìn)行計(jì)算時(shí),所有誤差項(xiàng)不再使用,只需要保留積分累積項(xiàng)即可。所以在本系統(tǒng)中可以利用單片機(jī)中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量。

        3.3.2 回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法

        在本自動(dòng)控制中,由于溫度信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)溫度信號(hào)不是一個(gè)級(jí)別,所以首先要先將測量的穩(wěn)定信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)溫度值,這一個(gè)過程叫PV過程變量,過程變量主要和PID回路輸出有直接關(guān)系。所以溫度傳感器輸入電壓信號(hào)后經(jīng)過A/D,D/A轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換為整數(shù)值。以此同時(shí)由于PID執(zhí)行指令需要的是實(shí)數(shù)值,所以還需要通過DTR吧這個(gè)整數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)型,在本設(shè)計(jì)中主要通過IW0讀入溫度讀入改實(shí)數(shù)值,其轉(zhuǎn)換程序如下:

        3.3.3 實(shí)數(shù)歸一化處理

        由于PID對參數(shù)輸入值范圍要求很嚴(yán)格,除了PID中采用時(shí)間和P,I,D參數(shù)外,其他輸入?yún)?shù)必須在0.0~1.0之間,必須對PV、SP結(jié)果值進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理。其單極性的歸一化的公式:

        3.3.4 PID參數(shù)整定

        PID參數(shù)整定是指確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td三者指標(biāo)的調(diào)整。其P,I,D數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

        在顯示生活中一般采用,經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法進(jìn)行參數(shù)整定。

        在本論文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用經(jīng)驗(yàn)法,其原理就是根據(jù)對具體控制對象的具體要求,從典型控制電路程序的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行選擇、調(diào)試、修改梯形圖,以及通過反應(yīng)曲線進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,并總結(jié)出新規(guī)律。此種方法最大優(yōu)點(diǎn)就是不需要預(yù)先計(jì)算。

        3.3.5 整定結(jié)果及分析

        當(dāng)鍋爐鋼啟動(dòng)加熱時(shí),處于常溫,此時(shí)sppv=ΔU值很大,此時(shí)PID模塊就會(huì)采用P模式進(jìn)行控制。使鍋爐不斷加熱,當(dāng)溫度超過30℃時(shí)由于sp-pv=ΔU變?yōu)樨?fù)數(shù),通過PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行對鍋爐減壓,使?fàn)t溫降低,最終實(shí)現(xiàn)sp-pv=ΔU為零時(shí)系統(tǒng)就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

        4 結(jié)束語

        本論文中單片機(jī)按照一定的控制算法對采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到控制量,以控制電機(jī)的功率以及PID控制算法,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。當(dāng)傳感器檢測出的環(huán)境溫度偏低時(shí),控制繼電器,實(shí)現(xiàn)電暖爐的開與關(guān)的狀態(tài);當(dāng)傳感器檢測出的環(huán)境溫度偏高時(shí),隨著溫度的改變,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速作出相應(yīng)的改變;通過時(shí)鐘芯片DS1302自動(dòng)控制電機(jī),使其在某個(gè)時(shí)間段不工作。當(dāng)環(huán)境溫度超出了設(shè)定值時(shí),蜂鳴器發(fā)出聲響報(bào)警。

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