氨冷卻器出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、氨冷卻器出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要氨冷器主要的作用是為了使醋酸銅氨液再生以便循環(huán)使用。為了達(dá)到生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)的要求，在簡單溫度控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上疊加一個液位超馳系統(tǒng)，即溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)中需要用到溫度，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用DDZ-型電動組合儀表，而隨著因此，本論文主要設(shè)計智能化的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為主控單元，采用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集，使用液位變送器采集液位信號，使用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)化器，具有溫度的自動調(diào)節(jié)功能，采用LCD12864液晶模塊進(jìn)行數(shù)字顯示。同時，本文還詳細(xì)的給出了部分相關(guān)的DS18B20目 錄第1章 緒論1第2章 課程設(shè)計方案32

2、.1 系統(tǒng)工作原理32.2 顯示電路方案的選擇32.3 聲光報警電路的選擇42.4 系統(tǒng)總體設(shè)計4第3章 硬件電路設(shè)計53.1 AT89C51單片機(jī)53.2 溫度采集模塊的設(shè)計53.4 AD和DA轉(zhuǎn)換器6第4章 軟件設(shè)計74.1 主程序的設(shè)計74.2 T0中斷模塊84.3 PID算法的設(shè)計94.4 各功能模塊子程序的設(shè)計114.5 顯示程序12第5章 系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析13第6章 總結(jié)14參考文獻(xiàn)16緒論在合成氨生產(chǎn)過程中，采用醋酸銅氨液吸收變化氣體中的一氧化碳和二氧化碳，吸收是一個放熱反應(yīng)，吸收一氧化碳與二氧化碳的醋酸銅氨液溫度高達(dá)80以上，為了使醋酸銅氨液再生以便循環(huán)使用。其關(guān)

3、鍵性的一個步驟就是將飽和的醋酸銅氨液冷卻到810，其冷卻過程主要是借助于氨冷器來實現(xiàn)的，氨冷器是依靠液氨汽化吸收醋酸銅氨液的熱量，使銅氨液的溫度下降這一原理進(jìn)行的，液氨在氨冷器中汽化需要一定的時間，氨冷器在某一個液位高度上汽化面積為最大，因此，當(dāng)液氨高度超過最大的汽化面積高度后，液位越高汽化面積越小，調(diào)節(jié)過程會出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，這是氨冷器調(diào)節(jié)的一個重要特點。為了達(dá)到生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)的要求，在簡單溫度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上疊加上一個液位超馳調(diào)節(jié)系統(tǒng)。正常工況下，如果溫度升高，溫度控制器輸出控制液氨流量。增加液氨量，經(jīng)液氨的蒸發(fā)，使出口溫度下降。如果液位上升到軟限液位設(shè)定仍不能降低溫度，由液位控制器取代溫

4、度控制器，根據(jù)液位控制進(jìn)氨量，保護(hù)了后續(xù)設(shè)備，一旦溫度下降，溫度控制器輸出與液位控制器輸出相等，并繼續(xù)下降時，溫度控制器就自動取代液位控制器，工藝操作恢復(fù)到正常工況。在該控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器既可安裝在液氨管線上，也可安裝在氨氣管線上，調(diào)節(jié)閥安裝在氨氣管線上對象遲后較小，反應(yīng)比較靈敏，但缺點是需要用一個較的氣體閥門，這種閥門成本比較高，而且受氨氣的腐蝕比液氨嚴(yán)重得多，所以調(diào)節(jié)閥一般是安裝在液氨管線上。無論在正常工況下，還是在異常工況下，總是有調(diào)節(jié)器處于開環(huán)待命狀態(tài)。對于處于開環(huán)的調(diào)節(jié)器，其偏差長時間存在，如果有積分控制作用，其輸出將進(jìn)入深度飽和狀態(tài)。一旦選擇器選中這個調(diào)節(jié)器工作，調(diào)節(jié)器因處于飽和狀

5、態(tài)而失去控制能力，只能等到退出飽和以后才能正常工作。所以在超馳控制系統(tǒng)中，對有積分作用的調(diào)節(jié)器必須采取抗積分飽和措施。而對于計算機(jī)在線運行的控制系統(tǒng)，只要利用計算機(jī)的邏輯判斷功能進(jìn)行適時切換即可。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)

6、構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)采用的傳感器是溫度傳感器。傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器自從80年代初期數(shù)字調(diào)節(jié)器推出以來,隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字調(diào)節(jié)器不斷向智能化、微型化調(diào)節(jié)器發(fā)展，調(diào)節(jié)器的功能也不斷進(jìn)步,由于數(shù)字設(shè)定、運算功能的增強(qiáng),不僅使調(diào)節(jié)器的功能大幅度提高,而且由PID自整定、多種信號制輸入、自由電源、EEPROM等新技術(shù)的使用,使用戶操作變得簡單化,并且減少了庫存,方便了備品備件的管理。PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器

7、(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。89C51結(jié)合單片機(jī)與傳感器技術(shù)對溫度及液位進(jìn)行檢測和控制以使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減少，過渡過程時間縮短，振蕩次數(shù)減少控制，生產(chǎn)安全成為本系統(tǒng)研究的主要目的和意義。第1章 課程設(shè)計方案1.1 系統(tǒng)工作原理在溫控部分，用89C51單片機(jī)為中央處理器，通過溫度傳感器DS18B20采集溫度信號，ADC0809將采集到的溫度信號傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制顯示器，并進(jìn)行PID處理，然后經(jīng)DAC0832輸出模擬信號驅(qū)動電氣轉(zhuǎn)換器QZD-1000，繼而控制液氨調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)液氨的進(jìn)

8、出量，實現(xiàn)對溫度的控制。 總體設(shè)計方案方案一：采用傳統(tǒng)的熱電阻傳感器測量溫度值，再將信號送入溫度變送器，輸出標(biāo)準(zhǔn)電信號，經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入單片機(jī)。成本簡單，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，涉及多個元器件。方案二：采用集成溫度傳感器DS18B20，DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信，不需經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換再送入單片機(jī)中綜合各項因素，選擇方案二。1.2 顯示電路方案的選擇方案一：顯示電路采用4位共

9、陽LED數(shù)碼管，從P3口RXD,TXD串口輸出段碼。顯示電路是使用的串口顯示，最大的優(yōu)點就是使用口資源比較少，該顯示電路只使用單片機(jī)的3個端口P1.7，P3.0,P3.1。并配以4片串入并出移位寄存器74LS164（LED驅(qū)動）四只數(shù)碼管采用74LS164右移寄存器驅(qū)動，顯示比較清晰。但結(jié)構(gòu)為復(fù)雜。方案二：采用LCD12864作為顯示信息器件，與用戶進(jìn)行友好交互。LCD12864是專門用于顯示漢字、字母、數(shù)字、符號的顯示模塊，具有功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富等諸多優(yōu)點，在低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到很廣泛。LCD12864，即像素為128*64的顯示液晶。其每一行最多可以顯示8個中文，16個半寬字體。

10、由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多。1.3 聲光報警電路的選擇方案一：采用蜂鳴器和高亮發(fā)光二極管組成聲光報警電路。該電路簡單、可靠。1.4 方案二： 系統(tǒng)總體設(shè)計本系統(tǒng)通過溫度采集模塊對氨冷器出口溫度信號進(jìn)行采樣，同時液位采集模塊也對氨冷器中液氨高度進(jìn)行采樣，將采集到的信號送到89C51單片機(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)在正常工況時，采用溫度調(diào)節(jié)程序，最后單片機(jī)將處理過的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出，驅(qū)動電氣轉(zhuǎn)換器，將電流信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號，推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制液氨的進(jìn)入量，從而實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)；在液位超過最大汽化面積高度時，單片機(jī)自動

11、轉(zhuǎn)向液位調(diào)節(jié)程序，使液位高度恢復(fù)正常值，又重新由溫度調(diào)節(jié)程序?qū)σ喊闭{(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。另外，本設(shè)計實現(xiàn)了當(dāng)前溫度值和液位值超限的報警等功能。圖2.1 總體設(shè)計圖第2章 硬件電路設(shè)計3.1 AT89C51單片機(jī) AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，

12、可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個 IO口線，兩個16位定時計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。3.2 溫度采集模塊的設(shè)計DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等

13、測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，64位ROM的結(jié)構(gòu)開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易

14、失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3-5所示。低5位一直為，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。3.4 AD和DA轉(zhuǎn)換器液位變送器采集到的信號需經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，而由單片機(jī)處理過的數(shù)字信號，需經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)液氨的流量。本系統(tǒng)分別采用ADC0809和DAC0832作為模數(shù)轉(zhuǎn)化器。它們都是較

15、為通用的轉(zhuǎn)換器，性能穩(wěn)定。DAC0832是美國資料公司研制的8位雙緩沖器D/A轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)帶有資料鎖存器，可與數(shù)據(jù)總線直接相連。電路有極好的溫度跟隨性，使用了COMS電流開關(guān)和控制邏輯而獲得低功耗、低輸出的泄漏電流誤差。芯片采用R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，對參考電流進(jìn)行分流完成D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動電流IOUT1和IOUT2輸出。液晶顯示模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)報警模塊AT89C51鍵盤輸入液位傳感器溫度傳感器DAC0832主要性能參數(shù)：分辨率8位；轉(zhuǎn)換時間1s；參考電壓±10V；單電源+5V+15V；功耗20mW。 圖3.1 硬件連接圖第3章 軟件設(shè)計本設(shè)計軟件所要實現(xiàn)的功能：實時控制液氨

16、調(diào)節(jié)閥；實時檢測是否超溫度液位出上下限；低選；實時顯示檢測的數(shù)據(jù)、上下限數(shù)值；實時監(jiān)控鍵盤輸入；報警控制。3.1 主程序的設(shè)計本系統(tǒng)各功能模塊子程序主要包括：溫度處理程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、液位處理程序、低選、D/A轉(zhuǎn)化程序、顯示程序、溫度液位設(shè)定程序。主程序完成整個系統(tǒng)的初始化工作，包括堆棧設(shè)置及有關(guān)標(biāo)志，內(nèi)存地址單元分配，暫存單元和動態(tài)顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)清零等，主程序還需要調(diào)用T0中斷程序。主程序軟件流程圖如圖4-1所示。開始初始化參數(shù)設(shè)置TO初始化開中斷等待TO中斷圖4.1 主程序軟件流程圖3.2 T0中斷模塊T0中斷程序主要完成整個系統(tǒng)的溫度液位控制工作，包括A/D轉(zhuǎn)換，報警處理，調(diào)用PID

17、子程序，D/A轉(zhuǎn)換等。T0中斷模塊的程序流程圖如圖4-2所示。YNYNNY開始關(guān)中斷保護(hù)現(xiàn)場讀取溫度值計算偏差溫度有偏差計算控制量PID調(diào)節(jié)低于液位輸出D/A轉(zhuǎn)化溫度顯示圣光報警AD轉(zhuǎn)換有偏差計算控制量PID調(diào)節(jié)D/A轉(zhuǎn)化液位顯示聲光報警返回圖4.2 T中斷模塊圖3.3 PID算法的設(shè)計氨冷器這樣的設(shè)備可以選擇積分外反饋型的比例積分調(diào)節(jié)器，在一個控制系統(tǒng)中至少由被控對象、測量變送器、控制器及執(zhí)行器等部分組成。由于外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，被控對象在各種擾動作用下，使得被控信號偏離給定值SV，要想達(dá)到被控信號的恒定值，首先由變送器對被測值進(jìn)行檢測，電流信號送給執(zhí)行器，最后執(zhí)行器自動地根據(jù)控制器送來

18、的信號值相應(yīng)地改變流入(或流出)被控對象的液氨量，克服擾動的影響，最終實現(xiàn)PID控制要求。PID控制也就是比例積分微分控制(本系統(tǒng)只使用比例和積分兩個參數(shù)進(jìn)行控制)，它是控制器控制規(guī)律中的一種。把變送器送來的信號與給定值進(jìn)行比較，得到偏差信號，并以預(yù)先設(shè)定的參數(shù) (比例系數(shù)、積分時間)進(jìn)行運算。且將運算結(jié)果送至執(zhí)行器，本設(shè)計中的執(zhí)行器是小氣動調(diào)節(jié)閥，溫度測量采用DS18B20智能型溫度測量儀測量溫度變化，液位測量變送器為靜壓采集。本系統(tǒng)的PID程序采用的是增量型算法如圖4-3所示。采用增量型算法的原圖4.3 PID流程圖因是增量型算法具有很多優(yōu)點：(1) 由于計算機(jī)輸出增量，所以誤動作影響小，

19、必要時可用邏輯判斷的方法去掉。(2) 在位置型控制算法中，由手動到自動切換時，必須首先使計算機(jī)的輸出值等于閥門的原始開度，才能保證手動/自動無擾動切換，這將給程序設(shè)計帶來困難。而增量設(shè)計只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門原來的位置無關(guān)，因而增量算法易于實現(xiàn)手動/自動無擾動切換；(3) 不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)效果。這些特點已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，這種控制也有不足之處：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。所以，本設(shè)計結(jié)合位置型PID控制算法和增量型控制算法二者的優(yōu)點，將二者結(jié)合起來，相互補(bǔ)充其不足。利用增量型算法其算法簡單，使用的數(shù)據(jù)少，只要采集連續(xù)三次的數(shù)據(jù)偏差，就可以算出輸

20、出量，再結(jié)合位置型算法使輸出值等于上次的輸出值加上這次采樣的偏差值。輸出的信號給到電動調(diào)節(jié)閥上，就是這次采樣后，實際要輸出的值。模擬PID調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律如公式4-1所示。式中，KP為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。 (4-1)還有一種是數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，其算法是利用偏差增量，比位置型算法一直累加歷史偏差要簡單的多。增量型算法只需知道連續(xù)三個采樣值的偏差值就能計算增量輸出。增量輸出入公式4-2所示。= u(n)-u(n-1)= KPe(n)-e(n-1)+KIe(n)+KDe(n)-2e(n-1)+e(n-2) (4-2)最小拍設(shè)計中， 若G(z)中有j個極點在單位圓上，當(dāng)

21、時，有若G（z）中有j個極點在單位圓上，當(dāng)j>q時，有假設(shè)傳遞函數(shù)為令采樣周期T=1s當(dāng)系統(tǒng)為單位階躍輸入時，d=0，w=0，v=1，j=1，q=1，則有m=w+d=1，n=v-j+q=1于是，于是有，得到所以，3.4 各功能模塊子程序的設(shè)計主程序主要調(diào)用了4個子程序，分別是A/D轉(zhuǎn)換程序、顯示程序、鍵盤子程序。此外，還有報警電路子程序。各主要模塊功能如下：1. 溫度處理程序：從DS18B20中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 將換算后的溫度信號送去顯示模塊顯示。2. A/D轉(zhuǎn)換程序：讀取ADC送入單片機(jī)的模擬量電壓信號，并換算為相對應(yīng)的液位信號。3. 顯示程序：向LCD送數(shù)據(jù)顯示，控制系統(tǒng)的顯

22、示部分。4. 鍵盤子程序：實現(xiàn)按鍵輸入預(yù)設(shè)溫度值。3.5 顯示程序本設(shè)計采用的是液晶12864來顯示相關(guān)參數(shù),其流程圖如圖4-7所示。開始初始化延時顯示返回 圖4.2 顯示程序圖 第4章 系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析對設(shè)定傳遞函數(shù)進(jìn)行最小拍無紋波系統(tǒng)仿真，使用AEDK-labACT實驗箱，仿真接線圖如圖5.1。圖5.1 最少拍無紋波系統(tǒng)仿真接線圖經(jīng)計算，得到。仿真得到曲線如圖5.2。圖5.2 仿真曲線第5章 總結(jié)在此次設(shè)計過程當(dāng)中，首先對氨冷器溫度-液位超馳控制系統(tǒng)進(jìn)行了概述，分析了智能化設(shè)計的背景和優(yōu)點，其次又對它分別進(jìn)行了總體方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及對它的編程調(diào)試，最后再把它進(jìn)行進(jìn)一步的完善。在整個設(shè)計的環(huán)節(jié)當(dāng)中，對它的硬件設(shè)計環(huán)節(jié)相對來說比較簡單，其中主處理器選用的芯片是AT89C51,A/D轉(zhuǎn)換部分選用的芯片是ADC0809，它接收的模擬信號來自液位變送器，將0-5V的模擬量轉(zhuǎn)換成0-255的數(shù)字量。LCD顯示部分選用12864液晶,八個按鍵實現(xiàn)對調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)定功能。而相對硬件設(shè)計而言，對它軟件的設(shè)計及對它的編程是一個比較復(fù)雜的過程。按照設(shè)計的要求，對于本設(shè)計，它整個程序的設(shè)計和編寫，主要采用了模塊化的設(shè)計思想，分別將A/D轉(zhuǎn)換部分（完成模擬量的采集并對其進(jìn)行離散化）、PID計算部分、按鍵處理部分和LCD顯示部分的程序進(jìn)行模塊化，在對這