摘　要: 在深入研究換熱和熱阻基本原理的基礎(chǔ)上,利用SPCE061A 單片機設(shè)計出一個在線監(jiān)測與控制系統(tǒng),該系統(tǒng)基于被控對象的特性設(shè)計了循環(huán)水流量和蒸汽溫度時滯補償控制系統(tǒng),同時該系統(tǒng)通過在線測定計算出實時熱阻,并能進行實時存儲、顯示與打印。由于采用了高集成度的SPCE061A 單片機芯片核心設(shè)計《換熱器在線監(jiān)測儀》,使得外圍芯片相對減少,不僅帶來整個儀器體積減小,而且實際應(yīng)用表明儀器的可靠性也得到了提高。
關(guān)鍵詞: SPCE061A 單片機;集成化;在線監(jiān)測X

　　隨著我國人口的不斷增加和工農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展,國內(nèi)淡水資源日益緊張。為了節(jié)約用水,我國石油、化工、電力、冶金等企業(yè)正在逐步采用循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。但冷卻水長期使用后,必然會帶來沉積物附著,金屬腐蝕和微生物滋生問題,導(dǎo)致?lián)Q熱器效率降低,影響生產(chǎn),嚴重能使換熱器損害,所以必須加強對循環(huán)冷卻水的水質(zhì)處理[1 ] 。為提高對水質(zhì)處理的監(jiān)管水平,我們用SPCE061A 單片機設(shè)計,研制了《換熱器在線監(jiān)測儀》,取得了良好的效果。
1 　系統(tǒng)的組成和原理
1. 1 　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)要求監(jiān)測儀器測量進出口溫度、蒸汽溫度和流量并對流量和蒸汽進行控制。測溫精度小于013 % ,流量精度015 % ,控制精度小于1 %。儀器能夠保存100 d 的污垢熱阻數(shù)據(jù)。要求能和計算機實現(xiàn)實時通訊,完成測量的數(shù)據(jù)報表和曲線的打印并存儲大量的數(shù)據(jù)。
1. 2 　器材選用
　　溫度傳感器采用Pt100 不銹鋼封裝。流量信號采用進口轉(zhuǎn)輪式流量傳感器,輸出4～20 mA 的信號,測量范圍011～6 m/ s ,精度015 %。調(diào)節(jié)閥好選用氣動調(diào)節(jié)閥,適合長期運行;減壓閥應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場蒸汽壓力大小選型,模擬換熱器工作壓力011 MPa 。
1. 3 　污垢熱阻計算
由管壁兩側(cè)為流體的傳熱基本方程Q = RCp ·( Tout - Tin) 可以導(dǎo)出污垢熱阻的計算公式(1) [2 ]Rs =πdL/ GCp [ ( T - t12 ) / ( t22 - t12 ) - ( T -t11) / ( t21 - t11) ] (1)式中: T 為飽和蒸汽溫度; d 為換熱管直徑; L 為換熱管的有效總長度; G 為單位時間內(nèi)冷卻水的流量;Cp 為水的比熱; t12為冷卻水進口溫度; t22為冷卻水出口溫度; t11為Rs 等于零時冷卻水進口溫度; t21為
Rs 等于零時冷卻水出口溫度。Rs 反映了冷卻水中各種沉積物在換熱器水側(cè)影響傳熱效果的阻力。
2 　系統(tǒng)控制實現(xiàn)
如圖1 所示,根據(jù)換熱器瞬時污垢熱阻測定的需求[2 ] ,設(shè)計了兩個控制回路,一個為換熱器飽和蒸汽的控制,即通過氣動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)對飽和蒸汽的調(diào)節(jié);一個為換熱器進水流量控制,即通過圖1 所示的流量信號檢測,并與氣動調(diào)節(jié)閥構(gòu)成流量閉環(huán)控制回路實現(xiàn)對流量的自動調(diào)節(jié)。根據(jù)換熱器飽和蒸汽的調(diào)節(jié)過程及氣動調(diào)節(jié)閥對流量調(diào)節(jié)的性能可知[3 ] ,這兩個控制回路都可近似表示為含有純滯后
的一階慣性環(huán)節(jié),即

Gi ( s) 為被控對象的傳函( i 分別表示為G、T) ,由于這兩個控制回路都含有純滯后環(huán)節(jié),實際控制中我們采用了基于時滯補償?shù)目刂撇呗?如圖2 所示的流量控制。

圖2 中:τG 為純滯后時間, KG 為被控對象的穩(wěn)態(tài)增益, TG 為對象的時間常數(shù), Gc ( s ) 為PID 調(diào)節(jié)器, gτ( t) 為補償器的輸出, gG ( s) (1 - eτGS ) 為補償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。對系統(tǒng)進行采樣離散化后可以推得

式中: Kp , KI , KD 分別表示為比例、積分和微分系數(shù),通過這種基于時滯補償?shù)腜ID 控制算法,使系統(tǒng)得到了良好的控制特性(蒸汽的控制這里從略) 。
3 　監(jiān)測儀硬件電路組成[4]
監(jiān)測儀硬件電路以凌陽SPCE061A 單片機芯片為核心而組成,如圖3。SPCE061A 單片機是一個16位微處理器。可以在較寬的電源電壓下工作,其VDD 為216～316 V(CPU) 、VDDH 為0～515 V( I/ O) 。CPU 時鐘為0132～491152 MHz ,內(nèi)置2 K字SRAM 、32 K閃存FLASH ,2 個16 位可編程定時器/ 計數(shù)器,2 個10 位DAC 輸出通道,32 位通用可編程輸入/ 輸出端口,14 個中斷源,32768 Hz 實時時鐘,7 通道的A/ D 轉(zhuǎn)換器和單通道聲音模- 數(shù)轉(zhuǎn)換器,具有串行設(shè)備接口、低電壓復(fù)位、看門狗監(jiān)視等功能。另外含有內(nèi)置在線仿真電路。

　　IOA0～IOA7 作為低8 位的地址線和8 位數(shù)據(jù)線,IOA8～IOA15 作為高8 位的地址線,8255 芯片、74245 芯片、A \ D 轉(zhuǎn)換和液晶顯示的選通信號分別由IOB0～IOB6L 來控制,AUD1H 和AUD2 分別輸出兩路D \ A 控制信號, IOB10 向232 口發(fā)送信號,IOB7 設(shè)置為接受信號,完成與計算機通訊。
3．1 　輸入通道
　　輸入通道由多路選擇器4051、運算放大器OP07和A/ D14433 組成,如圖4 所示。

　　A/ D MC14433 抗干擾能力強,3.5位精度,轉(zhuǎn)換速度約1～10 次/ s ,它采用掃描方式,BCD 碼形式輸出,以0 000～1 999共2 000個數(shù)碼。當測溫范圍在0～100 ℃,則A/ D 轉(zhuǎn)換精度可達0105 ℃/ bit ,能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。
　　測量放大器主要由3 個運算放大器(OP07) 組成,信號分別從2 個運放的同相端輸入,使得輸入阻抗很高,抑制溫漂性能好。
　　多路選擇開關(guān)4051 由SPCE061A 單片機控制自動切換,不僅分別能夠采集進口溫度、出口溫度、蒸汽溫度和流量信號,而且還能接收電導(dǎo)率、PH 信號,擴展了儀器應(yīng)用范圍。對儀器的零點和增益標準信號也進行了采集,通過軟件實現(xiàn)了測量誤差的自動校正,從而保證了測量精度。
3.2 　輸出通道
　　SPCE061A 單片機內(nèi)含有AUD1 和AUD2 雙通道的10 位數(shù)模D/ A 輸出口, 輸出電壓0 ～ 313 V。DAC1 通過IC1 , IC2 轉(zhuǎn)換成0～20 mA 控制氣動調(diào)節(jié)閥輸出。信號輸出要求R3 = R4 , R5 = R6 , R3 , R4 ,R5 , R6 之間的誤差直接影響Iout精度,通過在R6 中串個電阻,可以提高精度。硬件電路如圖5 所示

(DAC2 輸出通道省略) 。
　　從以上硬件電路描述可以看出,由于SPCE061A單片機的高度集成使得外圍器件減少。本系統(tǒng)實時動態(tài)數(shù)據(jù)存放在SPCE061A 單片機的內(nèi)置2 K 字SRAM,程序存放在SPCE061A 單片機的內(nèi)置32 K閃存FLASH中。計算機采用RS232 串口通訊,低電壓復(fù)位,看門狗監(jiān)視也都含在SPCE061A 單片機內(nèi)。
4 　軟件設(shè)計[5]
　　編程所用的軟件是用μ’nSPTM 單片機的匯編指令系統(tǒng),整個程序就固化在SPCE061A 單片機內(nèi)的32KROM中,程序設(shè)計采用模塊化特點。
411 　主運行模塊
　　主運行模塊是由初始化程序和10 個子程序組成。儀器運行時,這些子程序不斷地被調(diào)用。主運行模塊框圖如圖6 所示。

4．2 　運算子程序
　　數(shù)值計算采用μ’nSPTM float 浮點型。它完全滿足測試精度的要求,在內(nèi)存中存放格式如下:

　　其中,S 為符號位,存放在高字節(jié)的高位。“1”表示負“, 0”表示正。E 為階碼,占用8 位二進制數(shù),存放在高兩個字節(jié)中。階碼E 值是以2 為底的指數(shù)再加上偏移量127 ,這樣處理的目的是為了避免出現(xiàn)負的階碼值,而指數(shù)是可正可負的。階碼E的正常取值范圍1～254 ,而實際指數(shù)的取值范圍-126～ + 127。M為尾數(shù)的小數(shù)部分,用23 位二進制數(shù)表示,存放在低三個字節(jié)中。尾數(shù)的整數(shù)部分永遠為1 ,因此不予保存,但它是隱含存在的。小數(shù)點位于隱含的整數(shù)位“1”的后面。一個浮點數(shù)的數(shù)值是

　　例如,浮點數(shù)175125 = 432F4000H ,在內(nèi)存中的存放格式為:

4．3 　通訊子程序
現(xiàn)代化的科學(xué)管理要求實測的數(shù)據(jù)能即時傳送到遠處的計算機,SPCE061A 單片機為提供數(shù)據(jù)接收端口RX和發(fā)送端口TX,分別是IOB7 和IOB10 端口,可以和計算機232 串口直接相連進行通訊,通訊距離超過100 m ,可以串接長線驅(qū)動器。軟件采用查詢方式,發(fā)送10 個數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖7 所示。
5 　結(jié)束語
值得一說的是通過SPCE061A 單片機的開發(fā)是用一個名叫PROBE 的在線調(diào)試器實現(xiàn)在線實時仿真和程序燒寫。它利用了SPCE061A 片內(nèi)置的在線仿真電路和在線串行編程技術(shù)。PROBE 工作于凌陽集成開發(fā)環(huán)境軟件包下,其5 芯的仿真頭直接連接到SPCE061A 相應(yīng)的管腳上, PROBE 的另一頭是標準25 針打印機接口,直接連接到計算機打印口與上位機通訊,完成在線調(diào)試功能,使用非常方便。目前換熱器在線監(jiān)測儀正在推廣應(yīng)用。