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(jī)設(shè)計(jì)出一個(gè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng),該系統(tǒng)基于被控對(duì)象的特性設(shè)計(jì)了循環(huán)水流量和蒸汽溫度時(shí)滯補(bǔ)償控制系統(tǒng),同時(shí)該系統(tǒng)通過(guò)在線(xiàn)測(cè)定計(jì)算出實(shí)時(shí)熱阻,并能進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示與打印。由于采用了高集成度的SPCE061A 單片機(jī)芯片核心設(shè)計(jì)《換熱器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀》,使得外圍芯片相對(duì)減少,不僅帶來(lái)整個(gè)儀器體積減小,而且實(shí)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(jī);集成化;在線(xiàn)監(jiān)測(cè)X

　　隨著我國(guó)人口的不斷增加和工農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展,國(guó)內(nèi)淡水資源日益緊張。為了節(jié)約用水,我國(guó)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(zhǎng)期使用后,必然會(huì)帶來(lái)沉積物附著,金屬腐蝕和微生物滋生問(wèn)題,導(dǎo)致?lián)Q熱器效率降低,影響生產(chǎn),嚴(yán)重能使換熱器損害,所以必須加強(qiáng)對(duì)循環(huán)冷卻水的水質(zhì)處理[1 ] 。為提高對(duì)水質(zhì)處理的監(jiān)管水平,我們用SPCE061A 單片機(jī)設(shè)計(jì),研制了《換熱器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(cè)儀器測(cè)量進(jìn)出口溫度、蒸汽溫度和流量并對(duì)流量和蒸汽進(jìn)行控制。測(cè)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊,完成測(cè)量的數(shù)據(jù)報(bào)表和曲線(xiàn)的打印并存儲(chǔ)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(hào)采用進(jìn)口轉(zhuǎn)輪式流量傳感器,輸出4～20 mA 的信號(hào),測(cè)量范圍011～6 m/ s ,精度015 %。調(diào)節(jié)閥好選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥,適合長(zhǎng)期運(yùn)行;減壓閥應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(jì)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(zhǎng)度; G 為單位時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量;Cp 為水的比熱; t12為冷卻水進(jìn)口溫度; t22為冷卻水出口溫度; t11為Rs 等于零時(shí)冷卻水進(jìn)口溫度; t21為
Rs 等于零時(shí)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(shí)現(xiàn)
如圖1 所示,根據(jù)換熱器瞬時(shí)污垢熱阻測(cè)定的需求[2 ] ,設(shè)計(jì)了兩個(gè)控制回路,一個(gè)為換熱器飽和蒸汽的控制,即通過(guò)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)飽和蒸汽的調(diào)節(jié);一個(gè)為換熱器進(jìn)水流量控制,即通過(guò)圖1 所示的流量信號(hào)檢測(cè),并與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成流量閉環(huán)控制回路實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù)換熱器飽和蒸汽的調(diào)節(jié)過(guò)程及氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)流量調(diào)節(jié)的性能可知[3 ] ,這兩個(gè)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(duì)象的傳函( i 分別表示為G、T) ,由于這兩個(gè)控制回路都含有純滯后環(huán)節(jié),實(shí)際控制中我們采用了基于時(shí)滯補(bǔ)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(shí)間, KG 為被控對(duì)象的穩(wěn)態(tài)增益, TG 為對(duì)象的時(shí)間常數(shù), Gc ( s ) 為PID 調(diào)節(jié)器, gτ( t) 為補(bǔ)償器的輸出, gG ( s) (1 - eτGS ) 為補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(guò)這種基于時(shí)滯補(bǔ)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(cè)儀硬件電路組成[4]
監(jiān)測(cè)儀硬件電路以凌陽(yáng)SPCE061A 單片機(jī)芯片為核心而組成,如圖3。SPCE061A 單片機(jī)是一個(gè)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(shí)鐘為0132～491152 MHz ,內(nèi)置2 K字SRAM 、32 K閃存FLASH ,2 個(gè)16 位可編程定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器,2 個(gè)10 位DAC 輸出通道,32 位通用可編程輸入/ 輸出端口,14 個(gè)中斷源,32768 Hz 實(shí)時(shí)時(shí)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(mén)狗監(jiān)視等功能。另外含有內(nèi)置在線(xiàn)仿真電路。

　　IOA0～I(xiàn)OA7 作為低8 位的地址線(xiàn)和8 位數(shù)據(jù)線(xiàn),IOA8～I(xiàn)OA15 作為高8 位的地址線(xiàn),8255 芯片、74245 芯片、A \ D 轉(zhuǎn)換和液晶顯示的選通信號(hào)分別由IOB0～I(xiàn)OB6L 來(lái)控制,AUD1H 和AUD2 分別輸出兩路D \ A 控制信號(hào), IOB10 向232 口發(fā)送信號(hào),IOB7 設(shè)置為接受信號(hào),完成與計(jì)算機(jī)通訊。
3．1 　輸入通道
　　輸入通道由多路選擇器4051、運(yùn)算放大器OP07和A/ D14433 組成,如圖4 所示。

　　A/ D MC14433 抗干擾能力強(qiáng),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(gè)數(shù)碼。當(dāng)測(cè)溫范圍在0～100 ℃,則A/ D 轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0105 ℃/ bit ,能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
　　測(cè)量放大器主要由3 個(gè)運(yùn)算放大器(OP07) 組成,信號(hào)分別從2 個(gè)運(yùn)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(kāi)關(guān)4051 由SPCE061A 單片機(jī)控制自動(dòng)切換,不僅分別能夠采集進(jìn)口溫度、出口溫度、蒸汽溫度和流量信號(hào),而且還能接收電導(dǎo)率、PH 信號(hào),擴(kuò)展了儀器應(yīng)用范圍。對(duì)儀器的零點(diǎn)和增益標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)也進(jìn)行了采集,通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了測(cè)量誤差的自動(dòng)校正,從而保證了測(cè)量精度。
3.2 　輸出通道
　　SPCE061A 單片機(jī)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(guò)IC1 , IC2 轉(zhuǎn)換成0～20 mA 控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸出。信號(hào)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(guò)在R6 中串個(gè)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(jī)的高度集成使得外圍器件減少。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存放在SPCE061A 單片機(jī)的內(nèi)置2 K 字SRAM,程序存放在SPCE061A 單片機(jī)的內(nèi)置32 K閃存FLASH中。計(jì)算機(jī)采用RS232 串口通訊,低電壓復(fù)位,看門(mén)狗監(jiān)視也都含在SPCE061A 單片機(jī)內(nèi)。
4 　軟件設(shè)計(jì)[5]
　　編程所用的軟件是用μ’nSPTM 單片機(jī)的匯編指令系統(tǒng),整個(gè)程序就固化在SPCE061A 單片機(jī)內(nèi)的32KROM中,程序設(shè)計(jì)采用模塊化特點(diǎn)。
411 　主運(yùn)行模塊
　　主運(yùn)行模塊是由初始化程序和10 個(gè)子程序組成。儀器運(yùn)行時(shí),這些子程序不斷地被調(diào)用。主運(yùn)行模塊框圖如圖6 所示。

4．2 　運(yùn)算子程序
　　數(shù)值計(jì)算采用μ’nSPTM float 浮點(diǎn)型。它完全滿(mǎn)足測(cè)試精度的要求,在內(nèi)存中存放格式如下:

　　其中,S 為符號(hào)位,存放在高字節(jié)的高位。“1”表示負(fù)“, 0”表示正。E 為階碼,占用8 位二進(jìn)制數(shù),存放在高兩個(gè)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(fù)的階碼值,而指數(shù)是可正可負(fù)的。階碼E的正常取值范圍1～254 ,而實(shí)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(jìn)制數(shù)表示,存放在低三個(gè)字節(jié)中。尾數(shù)的整數(shù)部分永遠(yuǎn)為1 ,因此不予保存,但它是隱含存在的。小數(shù)點(diǎn)位于隱含的整數(shù)位“1”的后面。一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)值是

　　例如,浮點(diǎn)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(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)能即時(shí)傳送到遠(yuǎn)處的計(jì)算機(jī),SPCE061A 單片機(jī)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(jì)算機(jī)232 串口直接相連進(jìn)行通訊,通訊距離超過(guò)100 m ,可以串接長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器。軟件采用查詢(xún)方式,發(fā)送10 個(gè)數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖7 所示。
5 　結(jié)束語(yǔ)
值得一說(shuō)的是通過(guò)SPCE061A 單片機(jī)的開(kāi)發(fā)是用一個(gè)名叫PROBE 的在線(xiàn)調(diào)試器實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)仿真和程序燒寫(xiě)。它利用了SPCE061A 片內(nèi)置的在線(xiàn)仿真電路和在線(xiàn)串行編程技術(shù)。PROBE 工作于凌陽(yáng)集成開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)25 針打印機(jī)接口,直接連接到計(jì)算機(jī)打印口與上位機(jī)通訊,完成在線(xiàn)調(diào)試功能,使用非常方便。目前換熱器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀正在推廣應(yīng)用。