氨冷却器出口温度控制系统设计.doc

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1、摘要氨冷器主要的作用是为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。为了达到生产过程对控制系统的要求,在简单温度控制系统基础上叠加一个液位超驰系统,即温度控制系统。该控制系统中需要用到温度,传统的调节器采用DDZ-型电动组合仪表,而随着单片机在控制领域广泛应用, 利用计算机软件实现控制算法, 具有更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果。因此,本论文主要设计智能化的温度控制系统,该系统以AT89C51单片机为主控单元,采用温度传感器DS18B20进行温度采集,使用液位变送器采集液位信号,使用ADC0809作为A/D转化器,具有温度的自动调节功能,采用LCD12864液晶模块进行数字显示。同时,本文还详细的给出

2、了部分相关的硬件电路图和软件流程图,并编制了汇编程序。关键词：超驰控制系统;89C51单片机;DS18B20;A/D转化器目录第1章绪论1第2章课程设计方案32.1 系统工作原理32.2 显示电路方案的选择32.3 声光报警电路的选择42.4 系统总体设计4第3章硬件电路设计53.1AT89C51单片机53.2 温度采集模块的设计53.4 AD和DA转换器6第4章软件设计74.1 主程序的设计74.2 T0中断模块84.3 PID算法的设计94.4各功能模块子程序的设计114.5 显示程序12第5章系统测试与分析/实验数据及分析13第6章总结14参考文献16第1章 绪论在合成氨生产过程中,采用

3、醋酸铜氨液吸收变化气体中的一氧化碳和二氧化碳,吸收是一个放热反应,吸收一氧化碳与二氧化碳的醋酸铜氨液温度高达80以上,为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。其关键性的一个步骤就是将饱和的醋酸铜氨液冷却到810,其冷却过程主要是借助于氨冷器来实现的,氨冷器是依靠液氨汽化吸收醋酸铜氨液的热量,使铜氨液的温度下降这一原理进行的,液氨在氨冷器中汽化需要一定的时间,氨冷器在某一个液位高度上汽化面积为最大,因此,当液氨高度超过最大的汽化面积高度后,液位越高汽化面积越小,调节过程会出现反常现象,这是氨冷器调节的一个重要特点。为了达到生产过程对控制系统的要求,在简单温度控制系统的基础上叠加上一个液位超驰调节系统。

4、正常工况下,如果温度升高,温度控制器输出控制液氨流量。增加液氨量,经液氨的蒸发,使出口温度下降。如果液位上升到软限液位设定仍不能降低温度,由液位控制器取代温度控制器,根据液位控制进氨量,保护了后续设备,一旦温度下降,温度控制器输出与液位控制器输出相等,并继续下降时,温度控制器就自动取代液位控制器,工艺操作恢复到正常工况。在该控制系统中,调节器既可安装在液氨管线上,也可安装在氨气管线上,调节阀安装在氨气管线上对象迟后较小,反应比较灵敏,但缺点是需要用一个较的气体阀门,这种阀门成本比较高,而且受氨气的腐蚀比液氨严重得多,所以调节阀一般是安装在液氨管线上。无论在正常工况下,还是在异常工况下,总是有调

5、节器处于开环待命状态。对于处于开环的调节器,其偏差长时间存在,如果有积分控制作用,其输出将进入深度饱和状态。一旦选择器选中这个调节器工作,调节器因处于饱和状态而失去控制能力,只能等到退出饱和以后才能正常工作。所以在超驰控制系统中,对有积分作用的调节器必须采取抗积分饱和措施。而对于计算机在线运行的控制系统,只要利用计算机的逻辑判断功能进行适时切换即可。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口

6、。控制器的输出经过输出接口、执行机构,加到被控系统上；控制系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。不同的控制系统,其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统采用的传感器是温度传感器。传统的PID调节器多为模拟调节器, 这种调节器多用电动或气动单元组合仪表来完成,随着微机的不断发展和应用,特别是单片机在控制领域广泛应用, 利用计算机软件实现控制算法, 具有更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果。因此, 以单片微机为中心、采用数字算法的数字调节器正不断代替模拟调节器。自从80年代初期数字调节器推出以来,随着微处理机技术的发展,数字调节器不

7、断向智能化、微型化调节器发展,调节器的功能也不断进步,由于数字设定、运算功能的增强,不仅使调节器的功能大幅度提高,而且由PID自整定、多种信号制输入、自由电源、EEPROM等新技术的使用,使用户操作变得简单化,并且减少了库存,方便了备品备件的管理。PID控制及其控制器或智能PID控制器仪表已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器,其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。通过本次毕业设计对掌握电路设计和89C51程序设计的思路与方法,掌握氨冷器控制系统的意义与运用,结合单片机

8、与传感器技术对温度及液位进行检测和控制以使系统的响应速度加快,超调量减少,过渡过程时间缩短,振荡次数减少控制,生产安全成为本系统研究的主要目的和意义。第2章 课程设计方案2.1 系统工作原理在温控部分,用89C51单片机为中央处理器,通过温度传感器DS18B20采集温度信号,ADC0809将采集到的温度信号传输给单片机,再由单片机控制显示器,并进行PID处理,然后经DAC0832输出模拟信号驱动电气转换器QZD-1000,继而控制液氨调节阀,调节液氨的进出量,实现对温度的控制。总体设计方案方案一：采用传统的热电阻传感器测量温度值,再将信号送入温度变送器,输出标准电信号,经ADC0809转化为数

9、字信号送入单片机。成本简单,但结构较复杂,涉及多个元器件。方案二：采用集成温度传感器DS18B20,DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信,不需经过ADC转换再送入单片机中综合各项因素,选择方案二。2.2 显示电路方案的选择方案一：显示电路采用4位共阳LED数码管,从P3口RXD,TXD串口输出段码。显示电路是使用的串口显示,最大的优点就是使用口资源比较少,该显示电路只使用单片机的3个端口P

10、1.7,P3.0,P3.1。并配以4片串入并出移位寄存器74LS164LED驱动四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动,显示比较清晰。但结构为复杂。方案二：采用LCD12864作为显示信息器件,与用户进行友好交互。LCD12864是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块,具有功耗低、体积小、显示内容丰富等诸多优点,在低功耗应用系统中得到很广泛。LCD12864,即像素为128*64的显示液晶。其每一行最多可以显示8个中文,16个半宽字体。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。2.3 声光报警电路的选择方案一：采用蜂鸣器和

11、高亮发光二极管组成声光报警电路。它是高电平报警,一旦监测到温度、液位值达到报警限时,就发出报警。该电路简单、可靠。方案二：采用语音芯片,在超过上下限时能够通过语音进行报警,其人机交互友好,但控制复杂,成本较高。综合考虑,选用方案一。2.4 系统总体设计本系统通过温度采集模块对氨冷器出口温度信号进行采样,同时液位采集模块也对氨冷器中液氨高度进行采样,将采集到的信号送到89C51单片机进行处理,当在正常工况时,采用温度调节程序,最后单片机将处理过的数字信号通过D/A转换为模拟信号输出,驱动电气转换器,将电流信号转化为标准气压信号,推动执行机构,控制液氨的进入量,从而实现温度的调节；在液位超过最大汽

12、化面积高度时,单片机自动转向液位调节程序,使液位高度恢复正常值,又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控制。另外,本设计实现了当前温度值和液位值超限的报警等功能。图2.1 总体设计图第3章 硬件电路设计3.1AT89C51单片机AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器PEROM和128 bytes的随机存取数据存储器RAM ,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元,功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应

13、用场合,可灵活应用于各种控制领域。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个 IO口线,两个16位定时计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.2 温度采集模块的设计DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热

14、敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装,64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前面56位的CRC检验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图3-5所示。头2个字节包含测得的温度信息,第3和第4字节TH和TL的拷

15、贝,是易失的,每次上电复位时被刷新。第5个字节,为配置寄存器,它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3-5所示。低5位一直为,TM是工作模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式,DS18B20出厂时该位被设置为0,用户要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,来设置分辨率。3.4 AD和DA转换器液位变送器采集到的信号需经过AD转换送入单片机中进行处理,而由单片机处理过的数字信号,需经过DA转换送入执行机构,驱动调节阀调节液氨的流量。本系统分别采用ADC0809和DAC0832作为模数转化器。它

16、们都是较为通用的转换器,性能稳定。ADC0809是8位8通路逐次逼近式AD转换器,输入电压在V,最大不可调误差小1LSB,它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等优点。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件,其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器,一个带有模拟开关树组的256电阻分压器,以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制,可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码,而且三态TTL输出也可以锁存,所以它易

17、于与微型计算机接口。DAC0832是美国资料公司研制的8位双缓冲器D/A转换器。芯片内带有资料锁存器,可与数据总线直接相连。电路有极好的温度跟随性,使用了COMS电流开关和控制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误差。芯片采用R-2RT型电阻网络,对参考电流进行分流完成D/A转换。转换结果以一组差动电流IOUT1和IOUT2输出。液晶显示模块执行机构报警模块AT89C51键盘输入液位传感器温度传感器DAC0832主要性能参数：分辨率8位；转换时间1s；参考电压10V；单电源+5V+15V；功耗20mW。图3.1硬件连接图第4章 软件设计本设计软件所要实现的功能：实时控制液氨调节阀；实时检测是否超

18、温度液位出上下限；低选；实时显示检测的数据、上下限数值；实时监控键盘输入；报警控制。4.1 主程序的设计本系统各功能模块子程序主要包括：温度处理程序、A/D转换程序、液位处理程序、低选、D/A转化程序、显示程序、温度液位设定程序。主程序完成整个系统的初始化工作,包括堆栈设置及有关标志,内存地址单元分配,暂存单元和动态显示缓冲区数据清零等,主程序还需要调用T0中断程序。主程序软件流程图如图4-1所示。开始初始化参数设置TO初始化开中断等待TO中断图4.1 主程序软件流程图4.2 T0中断模块T0中断程序主要完成整个系统的温度液位控制工作,包括A/D转换,报警处理,调用PID子程序,D/A转换等。

19、T0中断模块的程序流程图如图4-2所示。YNYNNY开始关中断保护现场读取温度值计算偏差温度有偏差计算控制量PID调节低于液位输出D/A转化温度显示圣光报警AD转换有偏差计算控制量PID调节D/A转化液位显示声光报警返回图4.2 T中断模块图4.3 PID算法的设计氨冷器这样的设备可以选择积分外反馈型的比例积分调节器,在一个控制系统中至少由被控对象、测量变送器、控制器及执行器等部分组成。由于外界的各种扰动不断产生,被控对象在各种扰动作用下,使得被控信号偏离给定值SV,要想达到被控信号的恒定值,首先由变送器对被测值进行检测,电流信号送给执行器,最后执行器自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入

20、被控对象的液氨量,克服扰动的影响,最终实现PID控制要求。PID控制也就是比例积分微分控制,它是控制器控制规律中的一种。把变送器送来的信号与给定值进行比较,得到偏差信号,并以预先设定的参数 进行运算。且将运算结果送至执行器,本设计中的执行器是小气动调节阀,温度测量采用DS18B20智能型温度测量仪测量温度变化,液位测量变送器为静压采集。本系统的PID程序采用的是增量型算法如图4-3所示。采用增量型算法的原图4.3 PID流程图因是增量型算法具有很多优点：(1) 由于计算机输出增量,所以误动作影响小,必要时可用逻辑判断的方法去掉。(2) 在位置型控制算法中,由手动到自动切换时,必须首先使计算机的

21、输出值等于阀门的原始开度,才能保证手动/自动无扰动切换,这将给程序设计带来困难。而增量设计只与本次的偏差值有关,与阀门原来的位置无关,因而增量算法易于实现手动/自动无扰动切换；(3) 不产生积分失控,所以容易获得较好的调节效果。这些特点已经得到了广泛的应用。但是,这种控制也有不足之处：积分截断效应大,有静态误差；溢出的影响大。所以,本设计结合位置型PID控制算法和增量型控制算法二者的优点,将二者结合起来,相互补充其不足。利用增量型算法其算法简单,使用的数据少,只要采集连续三次的数据偏差,就可以算出输出量,再结合位置型算法使输出值等于上次的输出值加上这次采样的偏差值。输出的信号给到电动调节阀上,

22、就是这次采样后,实际要输出的值。模拟PID调节器,其控制规律如公式4-1所示。式中,KP为比例系数,TI为积分时间常数,TD为微分时间常数。还有一种是数字PID调节器,其算法是利用偏差增量,比位置型算法一直累加历史偏差要简单的多。增量型算法只需知道连续三个采样值的偏差值就能计算增量输出。增量输出入公式4-2所示。= u-u= KPe-e+KIe+KDe-2e+e 最小拍设计中,若G中有j个极点在单位圆上,当时,有若Gz中有j个极点在单位圆上,当jq时,有假设传递函数为令采样周期T=1s当系统为单位阶跃输入时,d=0,w=0,v=1,j=1,q=1,则有m=w+d=1,n=v-j+q=1于是,于

23、是有,得到所以,4.4 各功能模块子程序的设计本设计在软件方面采用了模块化的设计思想,主程序主要调用了4个子程序,分别是A/D转换程序、显示程序、键盘子程序。此外,还有报警电路子程序。各主要模块功能如下：1. 温度处理程序：从DS18B20中读取数据,进行数据转换,将换算后的温度信号送去显示模块显示。2. A/D转换程序：读取ADC送入单片机的模拟量电压信号,并换算为相对应的液位信号。3. 显示程序：向LCD送数据显示,控制系统的显示部分。4. 键盘子程序：实现按键输入预设温度值。4.5 显示程序本设计采用的是液晶12864来显示相关参数,其流程图如图4-7所示。开始初始化延时显示返回图4.2

24、 显示程序图第5章 系统测试与分析/实验数据及分析对设定传递函数进行最小拍无纹波系统仿真,使用AEDK-labACT实验箱,仿真接线图如图5.1。图5.1 最少拍无纹波系统仿真接线图经计算,得到。仿真得到曲线如图5.2。图5.2 仿真曲线第6章 总结在此次设计过程当中,首先对氨冷器温度-液位超驰控制系统进行了概述,分析了智能化设计的背景和优点,其次又对它分别进行了总体方案设计、硬件设计、软件设计以及对它的编程调试,最后再把它进行进一步的完善。在整个设计的环节当中,对它的硬件设计环节相对来说比较简单,其中主处理器选用的芯片是AT89C51,A/D转换部分选用的芯片是ADC0809,它接收的模拟信

25、号来自液位变送器,将0-5V的模拟量转换成0-255的数字量。LCD显示部分选用12864液晶,八个按键实现对调节器参数的设定功能。而相对硬件设计而言,对它软件的设计及对它的编程是一个比较复杂的过程。按照设计的要求,对于本设计,它整个程序的设计和编写,主要采用了模块化的设计思想,分别将A/D转换部分完成模拟量的采集并对其进行离散化、PID计算部分、按键处理部分和LCD显示部分的程序进行模块化,在对这些程序模块以子程序调用的方式进行整体化,进而实现设计的要求。本设计的实质是基于工业过程物理模拟对象,参考自动化仪表技术、传感器技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术等,涉及温度、液位、压力等热工参

26、数来运用自动控制理论,利用单片机及其接口技术及汇编语言等实习工业模拟控制。带安全保护程序的氨冷器出口温度-液位控制系统可实现出口温度、液位的选择性控制控制,既保证了氨冷器出口气体温度的高精度调节,又实现了防止液氨液位越限的自动保护,值得在合成氨生产中推广应用。经过两个多月完成了本次毕业设计,虽然还有很多不足,比如液位变送器的选择,要使用AD转换器,使结构变得复杂了,但考虑到成本等因素,未选择智能型温度变送器,但总体还是满意的,也让我学习到很多,要学会理论联系实际,特别是单片机程序的编写,更要经常多练多写。因此本设计给我以后的工作学习带来很大的收获。对所设计内容、方法、取得的效果、问题的解决方案

27、等方面作技术方面的总结。参考文献1 王再英,刘怀霞,陈毅静.过程控制系统与仪表M.北京：机械工业出版社,2006.2 蔡杏山.Protel99SE电路设计M.北京：人民邮电出版社,2007.3 赵茂泰.智能仪器原理及应用M.北京：电子工业出版社,2004.4 厉玉鸣.化工仪表及自动化M.北京：化学工业出版社,1998.5 侯志林.过程控制与自动化仪表M. 北京：机械工业出版社,1998.6 CurtisD.Johhnson.Process control instrumentation technology. 北京：科学出版社,2002.7 金以慧.过程控制M.北京：清华大学出版社,1993.8 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社,1989.9 张玉铎等.热工自动控制系统M.北京：水利电力出版社,1985.10 Lennart Ljung.系统辨识-使用者的理论M.北京：清华大学出版社,2002.11 潘地林等.AutoCAD 2007实用教程M.XX：中国科学技术大学出版社,2007.12 邵惠鹤.工业过程高级控制M.上海：上海交通大学出版社,2003.