（机械工程专业论文）蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组电脑控制器下位机设计.pdf

山东大学硕士学位论文 g ! ! i ；。；= ：。；。；= ；。，i i e e s 蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组电脑控制器下位机设计 摘要 本文通过详细研究蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组系统运行状况的基础上， 明确了控制器的各项功能。确立电脑控制器由工业控制计算机( 上位机) 和单 片机( 下位机) 组成，并由此设计出控制器下位机由两片单片机8 9 c 5 1 为核心， ， 辅以外围电路和软件构成的总体方案。少 本文主要介绍下位枫的硬件电路设计、软件设计以及相应的抗干扰设计。 从硬件电路功能出发，设计了温度检测模块、故障检测模块、阀位和液位检测 模块、电流输出控制模块、继电器输出控制模块、硬件看门狗模块、上下位机 通讯模块和相应进行各种抗干扰模块硬件电路设计。详细描述了温度检测硬件 电路设计及相应抗干扰的特点。液位检测采用交流电流流过溴化锂溶液电极方 式测量，解决了直流引起电极腐蚀的问题。并且详述了液位采集的方法。软件 设计介绍各功能程序和串行通讯中断程序流程以及智能a d 芯片a d 7 7 1 5 软件编 程使用。并相应说明了软件采取的各种抗干扰措施。详细描述继电器运用时闻 控制蒸汽阀开度程序流程。分析了由软件完成的温度、阀位标度变换( 校准) 原理和电流输出校准原理。 最后，简要介绍了系统调试和控制器的使用情况。 关键词：冷水机组控制器，看门狗，温瘦，液位，抗干扰 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do ns t u d yo ft h es t e a ml i b ra b s o r p t i o nl i q u i dc h i l l e ro p e r a t i o ns t a t e ，t h e f u n c t i o no ft h ec o n t r o l l e ri sd e c i d e di n t h i s p a p e r n l e c o n t r o l l e rd e v e l o p e di s c o m p o s e do f t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e r ( u p p e ru n i t ) a n dm o n o l i t h i cc o m p u t e r ( 1 0 w e r u n i t ) b a s e do nt h i s ，t h eg e n e r a lp r o j e c to f t h e l o wu n i ti sd e s i g n e d ，w h i c ht a k e st w o p i e c eo ft 1 1 e 8 9 c 5lm o n o l i t h i cc o m p u t e ra si t sc o r ea n di sa l s op r o v i d e dw i t h p e r i p h e r a l h a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o t t w a r e t 1 1 i s p a p e rm a i n l yp r e s e n t s t h ed e s i g no fh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dr e l a t i v e a n t i - j a m m i n g i nt h el o w e ru n i t , i n c l u d i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，m e 船嘶n g e r r o r 。m e a s u r e m e mo ft h ev a l v el e v e la n dl i q u i dl e v e l ，c o n t r o l l i n go fe l e c t r i c c u r r e n to u t p u t ，h a r d w a r ew a t c h d o g ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e ru n i ta n dt h e l o w e ru n i t t h ep a p e rp u t ss t r e s so nt h ed e s c r i p t i o no ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t c i r c u i ta n da n t i - j a m m i n gd e s i g n l i q m dl e v e lm e a s u r e m e n tm a k e su s eo f t l l em e t h o d o fa l t e m a t i n gc u r r e n tf l o wt h r o u g l lt h el i b rs o l u t i o nw i t he l e c t r o d e ，w h i c hh a s s o l v e de l e c t r o d ec o r r o s i o np r o b l e mc a u s e db yd i r e c tc u r r e n t n l el i q u i dl e v e ld a t a c o l l e c t i o np d n c i p l ei sd e s c d b e di nd e t a i l s o f t w a r e d e s i g n e dg i v eag o o d a c c o u n to f e v e r yf u n c t i o np r o g r a mb l o c k ，s u c h a st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp r o g r a mb l o c k as e r i a lc o i r u n u n i c a t i o ni n t e r r u p t i o n p r o g r a mb l o c k ，t h ei n t e l l i g e n ta dc h i pa d 7 7 1 5a p p l i c a t i o np r o g r a mb l o c k ，e t c 1 1 1 e p r o 叠r a mf l o wt h a tr e l a yc o n t r o lt h es t e a mv a l v el e v e lb ym e a n so f t i m ei sd e s c r i b e d i nd e t a i l m e a n w h i l em a n ye f f e c t i v ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e si nv i e wo fs o f t w a r ea l e a l s od i s c u s s e d a n dt h e n ，t h e p r i n t i p l e o f t e m p e r a t u r e 。v a l v e l e v e ls c a l e t r a n s f o r m a t i o n ( c a l i b r a t i o n ) a sw e l la se l e c t r i cc u r r e n tc a l i b r a t i o na r ea n a l y z e d a tl a s t ，t h es i t u a t i o n so ft h es y s t e md e b u ga n dt h ec o n t r o l l e ra p p l i c a t i o na r e c o n c l u d e d k e y w o r d ： c h i l l e rc o n t r o l l e r w a t c h d o g t e m p e r a t u r el i q u i dl e v e la n t i - j a m m i n g 山东大学硕士学位论文 ! ! 目_ 目e ! e ! 自目自l 目| _ | _ 目_ _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ 目| _ _ i _ - _ _ _ _ e _ _ _ _ _ _ _ _ 1 绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的发展，人民生活水平提高，对环境条件要求越来越高。 因此中央空调得到了迅猛的发展，蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组异军突起。其 毛要优势： 以蒸汽和废热蒸汽为能源动力，特别在能源的综合利用方面有其独特的优 点，比传统压缩式冷水机节能3 0 。在具有大量热能或余热资源部门，如生产 氨、橡胶等企业，利用热资源，夏季冷水，冬季制热，既可以减少企业的排热 污染，又节省能源，电动冷水机与吸收式冷水机组配是复合能源的发展趋势， 可有效地缓解电力供应，昼夜峰谷差，可以保证大楼空调安全稳定运行。 以溴化锂水溶液为工质，无味、无毒，对环境和大气层无害，特别是当今 在国际蒙特利尔公约签订后，国际上禁用氟利昂冷水剂的情况下，就更加促进 了溴化锂吸收冷水机作为集中式空调冷水机发展的主流机种。 随着该类型机组广泛生产和运用，其自动控制系统会越来越占有重要地位， 人们对机组的自动控制提高了更高的要求，其水平直接影响机组的运行效率， 受到越来越多局内人士的关注。“3 1 2 溴化锂吸收式冷水机组自动运行控制器现状分析 溴化镪冷水机组自动运行的控制，目前市场上，一般采用三种方式：继电 器与其它控制仪表组成自动控制、模块式结构的p l c 与工业控制计算机组成全 自动控制系统以及单片机与工业控制计算机组成全自动控制系统。三种类型原 理不同，因而各具特点： ( 1 ) 继电器控制 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串并联以及延时 继电器的滞后动作等，组合成控制逻辑，连线多而复杂、体积大、功耗大，一 山东大学硕士学位论文 目系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电器触点数目有限，每 个只有4 8 对触点。因此灵活性和扩展性很差。这种控制只能进行常规乘i 基本 的控制。随蓿冷水机组在技术上与应用上的巧i 断发展，人们对机组的自动控制 提出了更高的要求。因此出现工控机分别于p l c 、单片机组合的两种形式。它 们在实现常规的控制功能的基础上，增加了机组运行自我完善功能。使机组的 运行参数能够长期稳定在合理的工况范围内，更经济可靠地运行。 ( 2 ) 工控机与模块p l c 的组合控制 模块式结构的p l c 采用搭积木的方式组成自控系统的下位机，是目前常用 的方式。它由c p u 模块、输入模块、输出模块、温度模块、通讯模块、模数转 化模块、数模转化模块、电源模块和液位控制仪表等组成。工控机作为上位机。 由于这种自控系统的下位机是模块式的组合，硬件设计简单，抗干扰能力强， 但价位非常商。 ( 3 ) 工控机与单片机组合控制 以单片机为核心，加上外围硬件电路作为下位机，工控机作为上位机，是 现在溴化锂冷水机组控制器发展的主流之。这种下位机以单片机为主的下位 机，结构及界面灵活。由于具有丰富的软件支持，使溴化锂冷水系统运行更智 能化。性能价格比与前两者相比最高。只要作好抗干扰设计，增加控制器的可 靠性，它在市场上最具实力。 1 3 课题研究的内容 本课题的主要研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 溴化锂冷水机组电脑自动控制器功能分析。 ( 2 ) 溴化锂冷水机组电脑自动控制器总体方案设计。 ( 3 ) 滨化锂冷水机组电脑自动控制器下位机的硬件电路设计。 ( 4 ) 溴化锂冷水机组电脑自动控制器下位机的软件设计。 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 溴化锂冷水机组电脑自动控制器下位机调试、使用情况。 山东大学硕士学位论文 ! e e ! ! ! s g | ! 目自_ e ! 自_ _ _ _ _ _ _ l i _ _ _ _ _ 自_ 目_ _ | e e | il l l _ _ _ l ! | ! e ! e 2 冷水机组电脑自动控制器功能分析 为了使机组的运行参数能够长期稳定在合理的工况范围内，更经济可靠地 运行，自动控制系统不仅能够实现常规的控制功能，而且还应增加机组的多项 故障诊断与自我完善功能。 溴化锂机组的自动控制系统主要有四个部分：安全保护功能，能量调节功 能，启停及自动运行控制功能，管理显示设置功能。安全保护系统完成机组监 视与保护的任务：能量调节系统使机组的制冷量与外界热负荷相匹配，完成机 组调整的任务；肩、停及自动运行控制系统完成机组启动、停止任务以及机组 正常运行控制任务；管理显示设置指对采集信号显示和对参数设定并予管理。 2 1 安全保护系统功能 安全保护系统是实现溴化锂机组自动化的必要部分，也是使其安全可靠运 行的必要保障。它的主要功能是在系统出现异常工作状态时，能够及时预报、 警告，并能视情形恶化的程度，采取相应的保护措施，防止事故发生。此外还 可进行安全性监视等保护措施。 溴化锂吸收式机组故障发生后，按不同的停机方式保护分为两种：i 类故 障保护、i i 类故障保护。 i 类故障发生后机组不能作稀释运行而直接停机。这类故障有：冷水( 冷 却水) 流量过小( 或断水) 、溶晶管高温、泵异常。这种情况下，停机后，必须 检测设备，查出机组异常工作的原因待排除故障后，再起动才能使机组恢复正 常运行。 i i 类故障发生后机组通过稀释运行使溶液充分混合后，再停机。这类故障 有：冷( 剂) 水温度低于其设定报警值、冷却水温度超出其设定报警值范围、高 压发生器溶液温度过高超出其设定报警值、高发液位异常。 山东大学硕士学位论文 溴化锂冷水机组主要包括高压发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器和屏蔽泵 等。按照在机组各不同部件中发生的故障分下列类型，并根据各部件自身的特 点采取一系列保护措施。 ( 1 ) 蒸发器是机组制取冷量和输出冷量的设备。由于冷水机组使用水作为载 冷剂，因此就充分考虑水结冰，给机组带来的危害。通常机组处于正常工况运行 时，载冷剂所带走的冷量必须与机组的制冷量相匹配，才能维持蒸发器内的温 度和冷水的温度保持稳定。一旦载冷剂所带走的冷量小于机组的制冷量，冷水 的温度就会逐渐降低。降低到水的冰点，就会产生冻结现象而导致蒸发器管子 破裂。严重时会使蒸发器中的管子大量破损，造成重大事故。导致这种现象发 生主要有以下两个原因：一个是由于外界热负荷远远地小于机组的制冷量，热 源来不及调节而导致冷水温度下降；另一个是由于设备故障而导致冷水温度的 下降，如：冷水泵突然发生故障或冷水系统中管道阀门未打开，以及管道中杂 质过多堵塞过滤装置，使冷水的流量降到额定值的5 0 以下等。针对上述两种 情况可分别采用下列保护措施： 在冷剂水和冷水管道上安装温度传感器。当冷剂水或冷水温度低于设定给 定值时，工作热源被切断，机组转入稀释运行。当水温回升高于设定给定值， 机组可重新投入正常运行。一般冷剂水报警温度的设定给定值为3 。c ；冷水报 警温度设定给定值为5 。 在冷水管道上安装流量传感器，当冷水流量低于额定流量的5 0 时，流量 传感器动作，报警信号起动，机组停止运行。待冷水系统故障排除后，流量恢 复到额定流量的6 5 以上时，机组才可以重新起动。 ( 2 ) 高压发生器是机组溶液循环中温度、压力的最高部位。这里突出的安 全保护是溴化锂溶液的防结晶和恒液位问题。通常机组运行过程中，溴化锂溶 液温度过高或质量分数过高，都会产生结晶现象。而结晶现象的产生会使机组 循环产生障碍，无法正常工作。 山东大学硕士学位论文 在高压发生器中，温度越高，溶液质量分数也越高，因此要合理控制溶液 温度。限制高压发生器中溶液的最高温度，是保证溶液质量分数低于结晶范围 的前提。防结晶采取的安全保护措施是： 在高压发生器浓溶液出口管道上安装温度传感器，进行高压发生器溶液超 温保护。当高压发生器溶液温度高于设定值时，关闭加热源，机组进入稀释运 行。待机组故障排除后，才能重新起动运行。通常高压发生器浓溶液出口设定 温度为1 6 0 1 7 0 。 此外，高压发生器的液位必须被控制在某一稳定液位上。防止液位过高， 冷剂水被污染：液位过低，换热效率低且易结晶。液位异常转稀释运行，排除 故障。 ( 3 ) 熔晶管高温时，表示机组中可能出现了结晶现象，为此在熔晶管处安 置传感器，当温度超过设定值时，切断热源停机，排除故障。 ( 4 ) 吸收器和冷凝器与发生器所进行的安全保护相类似，吸收器中的安全 保护系统也是紧紧围绕着溶液的防结晶问题。吸收器中吸收热是通过冷却水带 走的，因此冷却水的温度及流量就直接决定了吸收器中吸收热带走情况，也就 直接决定了吸收器的吸收效果。采取的安全保护措施如下： 冷却水管道上安装流量传感器，当冷却水的流量小到一定值时( 例如减小 到额定值的7 0 以下) ，切断热源，机组进入稀释运行( 部分负荷运转时，允许 冷却水流量减小) 。 冷却水管道上安装温度传感器。控制冷却水塔风机的起停，这样可保证冷 却水管道内进水温度。 ( 5 ) 屏蔽泵是整个系统得以循环的动力，对机组的正常运行起着关键的作 用。与常规泵相同，屏蔽泵主要包括两种安全保护形式： 1 ) 吸空保护。泵的吸空现象主要是由于屏蔽泵工作时吸入高度不够而引起 的，特别是冷剂泵，其吸入高度随运行状态及运行工况丽变化，更需进行吸空 山东大学硕士学位论文 保护。保护方法之一是设置液位传感器，菹接对蒸发器液囊液位进行检测。低 液位时，停泵；高液位时，起动。 2 ) 屏蔽象电动机的过流保护。该保护造在电路中安装热继电器或熔断器等 保护装置，当屏蔽泵由于故障过载时，保护装置能够及时动作切断电源，机组 进入停机状态，以待检修。“ 2 2 能量调节功能 能量调节系统的目的是使机组的制冷量时刻与外界所需要的热负荷相匹 配。由于外界所需要的热负荷不可能一直恒定，因此就要求机组制冷量也要作 出相应的改变。溴化锂机组的制冷量是否与外界热负荷相匹配，首先体现在机 组冷水出水温度的变化上，因此能量调节系统就是以稳定机组冷水出水温度为 目的，通过对驱动热源、溶液循环量的检测和调节，保证机组运行的经济性和 稳定性。 ( 1 ) 制冷量调节 调节机组的制冷量，使之与外晃热负荷相匹配，主要稳定机组冷水出水温 度。由于机组热源的供热量将会使发生器中冷剂的发生量发生变化，使得制冷 量也会发生相应的变化。因此，机组制冷量调节系统就是通过对热源供热量的 调节，保证冷水温度维持在设定点上的。 热源供热量的调节是通过调节蒸汽阀实现的。蒸汽调节阀安装在发生器蒸 汽进口管道上，通过调节蒸汽的流量，保证冷水的出水温度稳定在设定值上。 在满负载条件下，调节阀全开。当负载减小，冷水温度开始下降，低于设定温 度时，调节阀将调节蒸汽流量以适应负载的变化：当负载减少到零，蒸汽调节 阀可处于全闭位置。机组制冷量调节如示意图2 1 。 山东大学硕士学位论文 一 热蒸汽进 凝水出 图2 一l 机组制冷量调节示意图 冷水m 卜 一 冷水进 ( 2 ) 溶液循环量调节 随着制冷量的调节还需溶液循环量调节的配合。发生器获取热量多少的变 化，发生器中的溶液液位也会随之发生变化，发生器中要有液位保护。液位高， 冷剂水受污染；液位低，换热效率低，溶液并有结晶危险。溶液循环量调节方法 是通过的液位计传感器，来测试溶液液位的变化以便对溶液循环量调节，并通 过变频器调节发生泵的转速实施溶液循环量调节。低液位时，溶液循环量增加： 高液位时，溶液循环量减少或停泵。根据液位升降到不同位置，控制变频器输 出相应频率。从而相应地改变发生泵转速，也就相应地改变了高发溶液循环量， 使高发溶液始终在正常的范围内。溶液循环量调节示意图2 2 。 山东大学硕士学位论文 液位 图2 2 溶液循环量调节示意图 2 3 机组运行控制功能 变频器 溴化锂机组的运行控制功能包括起动控制功能、停机控制功能、自动运行 控制功能。而停机控制功能又包括正常停机控制功能和故障停机控制功能。这 些控制功能保证了溴化锂机组能够安全可靠、稳定经济地运行。 ( 1 ) 机组起动运行控制 起动控制功能完成机组由静止状态起动的任务。它必须按照顺序运转各相 关部件，使机组正常投入工作。起动流程图见图2 3 。 具体过程说明如下： 1 ) 推合主电源开关，接通机组及系统电源。 2 ) 起动冷水泵、冷却塔风机及冷却水泵。 3 ) 电脑控制器上电。 4 ) 选择运行方式，将开关置于相应的位簧，如控制方式“自动手动”。 山东大学硕士学位论文 5 ) 如果发生故障，机组停止起动，处于自锁状态。 6 ) 如果无故障，起动发生泵，使发生器液位处于订i 常位置。 7 ) 等待发生器液位处于4 0 正常位置，开电磁阀，按规定程序慢慢开启蒸 汽调节阀。 8 ) 启动冷剂泵。当液位达到一定高度后起动冷剂泵，冷剂泵起动后，机组 进入制 图2 3 溴化锂蒸汽型机组起动系统流程图 i o 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 机组停机运行控制 1 ) i i 常停机 溴化锂机组的正常停机，是指机组及系统按顺序由正常工作状态转为停止 状态的过程。j 下常停机流程图见图2 4 。 图2 4 正常停机流程 具体说明如下： 操作人员按下“停止”按钮，关电磁阀和蒸汽调节阀，热源随即被切断。 机组转入稀释运行，发生泵、冷列泵继续运转一段时间，使机内溶液充 分混合。 当高发液位 2 0 9 6 ，并且高发温度小于设定值后，发生泵和冷剂泵停止运 山东大学硕士学位论文 转。 机组进入待机状态。 2 ) 故障停机 机组出现故障时将导致故障停机。故障停机有两种程序：一种是机组不作 稀释运转而直接停机( i 类) ；另一种是机组稀释运行后再停机( i i 类) 。 故障发生后，不作稀释直接停机的故障包括：冷水及冷却水断水或流量不 足、屏蔽泵( 发生泵、冷剂泵) 故障、溶晶管道高温等。 故障发生后，进行稀释运行的故障包括：冷水温度低、高压发生器液位过 高或过低、高压发生器温度过高等。故障停机流程见图2 5 和图2 6 。 i 类故障不稀释停机 蛰回国 l电磁阀关闭、蒸汽调节阀关闭 0 昧稀释关机，所有泵停止工作，报警 故障处理 i无故障后，进入下一循环 图2 5i 类故障不稀释停机流程 1 2 山东大学硕士学位论文 图2 6i i 类故障稀释停机 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 机组自动运行控制 机组自动运行包括了能量调节和故障处理过程。如前所述，能量调节也就 是制冷量、高发溶液循环量和冷剂水水位调节。 制冷量调节是由冷水出口温度确定蒸汽阀开度，并按比例调节控制阀开速 度。保证冷水的出永温度稳定在设定值上。 在机组自动运行时，发生器的溶液的液位随时发生变化。为了稳定液位在 发生器的6 0 处，据此调节变频器的频率，进而控制发生泵的流量。 机组在自动运行时，其蒸发器内冷剂水水位受热源、外界负荷等众多因素 的影响而发生变化，为保证冷剂泵不吸空，其起停必须自动控制。冷剂水液位 低于f 限，冷剂泵停，只有当冷剂水液位高于上限，冷剂泵方可延时起动，只 要冷剂水液位不低于下限，冷剂泵一直处于运转状态。 机组自动运行控制流程图如2 7 。 自动运行 j【一y i i 类故障? 一i i 类故障处理 孓! 耋警竺：州! 鲞竺竺竺兰 由冷水出口温度确定蒸汽调节阀 由高发液位确定频率值 由冷剂水位控冷水剂泵，高于高液位延时开，低于低液位立即关 图2 7 机组自动运行流程 山东大学硕士学位论文 2 4 具有管理、显示、设置功能 ( i ) 具有图形、数据自动记录管理显示功能 伴随着近年来微机控制系统的引入和发展，机组的自动控制器的操作需要 更简单直观和可靠。为此，控制器设置记忆显示等功能，能显示机组运行动态 流程图、液位棒条图、泵转动、蒸汽阀开度、管道内液体流态，实时温度、变 频器频率。 ( 2 ) 具有参数设置、存储、更改、显示功能 可以存储机组资料，包括机组的工作原理、基本操作方法、维护保养方法 等。用户可随时查阅这些资料。运行记录数据包括机组累计运行时间，以往运 行参数，机组故障发生的次数、故障发生的内容，以及故障发生时的具体参数 记录等。 控制系统应具有各种参数设置功能，冷水温度、冷却水温度、高发温度等 报警温度参数设置；高发液位与变频器相对应频率设置；各种故障开关量设置、 冷剂水位、高发液位等参数设置。 山东大学硕士学位论文 3 冷水机组电脑控制器下位机总体设计 3 1 概述 根据冷水机组电脑控制器所需要具有的功能，首先设计出工控机与单片机 联机控制器总体结构方案。其框图3 一l 。系统分为上、下两部分( 上、下位机) ， 上部分为工业控制计算机，下部分主要由两片8 9 c5 1 单片机、a d 转换器等器 件组成检测控制应用系统。上、下两位机之间通过标准通信总线接口r s 一2 3 2 ， 依据通讯协议实现通信。工业计算机主要承担系统管理任务，运用各种算法实 现机组的能量调节、故障诊断、参数设置、运行状况图、各种记录、机组启停 及自动运行控制。相当于人的大脑。而下位机主要承担检测和控制任务，相当 于人的手脚。机组信号首先通过下位机进行预处理，并把结果传送给上位机， 再接受上位机命令，对机组运行实现最终控制。上下位机参数各自独立，由于 下位机系统是独立的测控应用系统，对于快速测控过程可独立处理，这样大大 减轻了大量数据计算处理和存储总线的通信压力，提高了运行效率和工作可靠 性。 工控机 r s 一2 3 2 通讯接口 n i 下位机i 机组： 图3 - l 控制器系统结构 山东大学硕士学位论文 3 2 下位机总体方案设计 本课题主要任务是下位机的开发设计。从降低控制器的经济成本考虑，下 位机采用a t 8 9 c 5 l 型的单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，实现测控 功能。其总体设计方案图，见图3 2 。 厂 溴化锂蒸汽型机组 i 一一i 图3 2 溴化锂蒸汽型冷水机组电脑控制器开发设计总方案框图 山东大学硕士学位论文 根据前章控制器的功能分析，控制器需要完成温度、蒸汽阀阀位模拟量信 号，故障、液位开关量信号采集。控制变频器电流信号输出，蒸汽阀开度、电 磁阀、泵、冷却塔风机继电器的控制和报警信号的输出控制。8 路温度、1 路蒸 汽阀阀位、7 路故障、和6 路液位信号共2 2 点。控制点7 路。考虑到4 种采样 信号，共2 2 点。两类控制，共7 路。如仅使用一片8 9 c 5 1 单片机，将需要扩 展i o 口。这样使硬件电路和软件编程复杂性增加。从简化硬件电路和软件编 程、减少系统故障率及经济成本角度考虑，下位机采用两片a t 8 9 c 5 1 单片机。 第一片负责采集8 路温度信号和7 路故障信号。见表3 ，l 。第二片负责采集6 路 液位信号、l 路阀位信号和控制l 路电流( 4 - - 2 0 m a ) 、7 路继电器和报警。见 表3 2 。每个单片机都有各自的看门狗。每个单片机相对独立完成系统的子功能 同时，又轮流和上位机保持通信联系，上位机向子功能系统下位机发布有关测 控命令，协调工作内容和工作过程，接收和处理有关数据。 下位机系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。为了保证系统能可靠的 工作，在软、硬件的设计中，还要考虑抗干扰能力设计。它们紧密相关、不可 分离。软件设计原则是能够有软件来完成的任务就尽可能用软件实现，以降低 硬件成本，简化硬件结构。例如，为了增加系统的可靠性，减少硬件校准复杂 性，下位机的校准，在标度变换时，由软件同时完成。在继电器控制回路上， 为防止单片机假死机，短暂复位，引起泵的频繁动作。在硬件电路上，设计延 时电路。这是对硬件实时性的运用。 由于下位机采用单片机从而大大降低了控制器的成本，界面更灵活。但由 于控制系统的运行现场环境恶劣，干扰严重，影响系统的可靠性。控制系统的 抗干扰设计也是该系统开发设计的其中主要任务之一。 山东大学硕士学位论文 表3 1 第一片8 路温度和7 路故障信号 温度 故障 冷水出口温度 冷水断流 冷水进口温度 冷却水断流 卫生水温度冷却塔风机故障 冷剂水温度变频器故障 冷却水温度冷剂泵故障 高发温度发生泵故障 蒸汽进口温度真空泵故障 溶晶管温度 表3 2 第= 片6 路波瓯1 路阀峭和输出控制电济汲继电g 爵信号 采集控制 高电磁阀 高 发 较高真空泵 溶 较低冷剂泵 液 液 低 继 冷却塔风机 位电 冷高器 剂 水 低开度蒸汽阀开 液 调节 位 蒸汽阀关 蒸汽阀阀位电流( 4 20m a ) 报警 - 1 9 - 山东大学硕士学位论文 4 冷水机组电脑控制器下位机硬件电路设计 4 1 温度信号采集硬件电路设计 4 1 1 概述 根据8 路温度范围及测量控制各项要求进行如下设计，它由8 个温度传感 器( 热敏电阻) 、8 路光电耦合多路开关、保护滤波输入电路、施密特整形反相 器、a d 转换器、光电隔离器、单片机等组成。其温度采集硬件电路模块图见 图4 一l 。其采集过程是：单片机p 1 口依次控制8 路隔离开关，对安 山东大学硕士学位论文 装在冷水机组上8 路传感器，轮流拾取温度信号。经滤波保护电路输入a d 转 换器，将模拟信号转化为数字信号，再经光电隔离传输到单片机内，予以处理， 并把温度信号送入上位机。 4 1 2 温度传感器的选择 该控制器采用了热敏电阻作为温度传感器。它是利用一些金属氧化物按一 定比例混合压制和烧结而成的固态感温器件，利用其电阻值随温度变化而变化 的特性来测量温度。热敏电阻的特点是有较高的灵敏高，即电阻值随温度变化 会有显著的变化。具有体积小、响应快( 适合于快速测温) 、使用寿命长、价格 低等特点。 但是，热敏电阻与温度的关系呈较强的非线性，这给较宽温区内的标度变 换带来一定的困难：热敏电阻之间互换性较差。负温度系数热敏电阻( n t c ) 。 是一种使用较广的热敏电阻，其电阻阻值随温度增加而呈下降趋势。它一般用 于一5 0 c 3 0 0 c 之间的温度测量。在该温区范围内，其允许误差在铂电阻与热 电耦之间。但与上述两种传感器相比，其温度系数较大，而且动态电阻可在较 宽范围内选择，体积小。由于热敏电阻的上述特性，使其在常规测量和控制中 有着广泛的应用，如在空调机、冰箱、汽车、医疗等各个领域都有广泛应用。“，” 本机组采用了负温度系数热敏电阻n t c ，型号为m f d 5 0 3 3 9 9 0 和 m f d 5 0 2 3 4 7 0 ，其测量温度范围分别为5 c 2 5 0 c 和一3 0 c 1 0 0 c 。阻值变化为 1 2 3 2 3 0 q 1 2 8 q 和6 3 7 6 4 q 5 1 3 q 。 4 1 3 多路开关的设计 对于多路输入情况，如多路参数巡回检测等，则需采用多路切换技术。即 多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号 输入而让其它路断开，从而达到信号切换的目的。在多路开关选择时，常要考 山东大学硕士学位论文 虑下列参数： 通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的 影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大，尤其是矗! 使用集 成模拟，l ：关时，尽管只有其中一路导通，但由于其它模拟开关尽管断玎，只是 处于高阻状态，仍存在漏电流对导通的那一路产生影响；通道越多，漏电流越 大，通道音质干扰也越多。 泄漏电流：如果信号源内阻很大，传输的是个电流量，此时就更要考虑多 路开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。 切换速度：对于需传输快速信号的场合，就要求多路开关的切换速度高， 当然也要考虑后一段采样保持器和a d 的速度，从而以最优的性能价格比来选 取多路开关的切换速度。 开关电阻：理想状态的多路开关，其导通电阻为零，而断开电阻为无穷大， 而实际的模拟开关无法到这个要求。因此需考虑其开关电阻，尤其当与丌关串 联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。啪 现设计采集温度信号多路开关原理图4 2 。它采用a q w 2 1 4 光电耦合器。它 具如下特性： 具有很低的闭路偏置电压，可用于微小模拟信号控制而无失真 低开路漏电流，即便在额定4 0 0 v 负载电压时，也仅有i o o p a 漏电流 高灵敏度，高响应速度 低热电动势 安定的导通电阻 无需驱动功率m o s f e t 的电源 输入侧的驱动回路中无需反向电势保护二极管 a q w 2 1 4 的泄漏电流小，开关电阻性能好，响应速度快，并且适合微小温度 模拟信号控制丽无失真；用p 1 口轮流控制h q # 2 1 4 光耦隔离器作为多路开关， 山东大学硕士学位论文 其结构简单。控制端与信号通道的隔离好，并且各通道之脚相互隔离抗 干扰效果好。 图4 - 2多路丌关原理 4 1 4a i d 器的选择 ( 1 ) 类型选择 目前市场上应用较广的a d 转换器有5 种，逐次逼近式、双积分式、余数 反馈比较式、v f 变换式a d 转换器、以及种新式的一式a d 转换器。由 于它们转换原理不同，它们各具有其不同的特点。对a d 转换器主要性能指标 速度和精度是一对矛盾体，逐次逼近式转换速度高，余数反馈比较式的量化噪 声小，分辨率高( 即精度高) ，v f 变换式和双积分式转换速度慢，具有较强的 抗干扰能力，而一a a d 转换器，它兼有余数反馈比较和积分式的特征，具有 抗干扰能力强，量化噪声小，分辨率高，和线性度好的优点，转换速度也高于 山东大学硕士学位论文 积分式a d c 。由于温度信号属于变化连续缓慢种模拟量，而且由于工作现场 存在变频器环境恶劣。因此要求a d 转换器在考虑速度和精度两方面时，侧重 于精度，并且要求抗干扰能力要强。根据温度信号测量精度、控制精度指标要 求以及其他方面的原因，选择a d 转换量化噪声小，分辨率高的高精度a d 7 7 1 5 转换器，并且价格适中。“ ( 2 ) 信号输入方式选择 a d 7 7 1 5 转换器具有差动输入方式，这对于低电平电压信号尤为有利，它能 直接接收来自传感器的低电平信号，这正适合于变化缓慢的温度信号。不需要 采样保持电路。它能直接处理o m v + 2 0 m v ，0m v + 8 0 m v ，0 v + 1 2 5 v ， o v + 2 5 v 单极信号输入，也能处理4 - 2 0m y ，8 0m v ，1 2 5 v ，2 5 v 的 双极性信号输入。 ( 3 ) 具有增益可编程放大器 a d 7 7 1 5 具有增益可编程放大器，可选择增益值为a = i ，2 ，3 2 ，1 2 8 ，以利 于扩展的动态范围，提高分辨率。当输入信号幅度较小时，可通过编程选择较 大的增益，将信号放大到接近满量程，这样可利用a d 的全部转换能力。而当 信号较大时，可设置增益为1 ，不至于使a d 产生溢出。对8 路温度信号范围 相差很大，冷水、冷剂水、冷却水温度低，冷剂水温度2 1 2 c 范围内。溶晶 管温度、蒸汽温度、高发温度高，高发温度最高达1 7 0 c 。为此可把8 路温度 信号划分为两类，低温度范围增益为2 ，高温度范围增益为l 。a d 7 7 1 5 这种兼 顾了动态范围与分辨率，是提高a d 性能的一种有力措施。 ( 4 ) 具有自动标定功能 a d 7 7 1 5 具有自动标定功能，使失调电压的增益误差随时最小，保证a d 转 换精度。大部分类型a d 转换器，失调电压和增益误差，通过手动调节a d 芯 片外围电路的电位器来校正。丽a d ? ? 1 5 提供可编程的自标定功能。 每当a d 工作状态有所改变，例如增益的改变时，a d 7 7 1 5 可由单片机给定 山东大学硕士学位论文 信号控制，随时进行标定，非常方便。手动标定不但费时费力，而且电位器的 值由于振动等原因会随时发生变化，从而导致标定的值不准确，影响a d 转换 精度。 ( 5 ) 具有调制器和数字滤波器 调制器本质上是采用负反馈式逐步减小输入模拟信号与d a c 反馈输出的差 值，但它们的差值不是直接加到比较器，而是通过积分器后再送到比较器。比 较器输出数据流，经由可编程低通数字滤波器处理滤除一调制器在噪声整形 过程中产生的高频噪声。因此就具有高分辨率、高精度的特点和低的量化噪声。 由于数字滤波器的第一个陷波点频率( 截止频率或数据输出频率) 可编程，所 以把工频设为第一个陷波点频率，这样可抑制5 0 h z 电源干扰。 一调制器其结构示意图见4 3 图 图4 3 一调制器 综合以上几个要点及经济和市场流行角度选用1 6 位一式a d 7 7 1 5 。 a d 7 7 1 5 主要性能指标： 分辨率：1 6 位，线性误差：0 0 0 1 5 可编程增益值：l ，2 ，3 2 ，1 2 8 单电源工作方式：+ 5 v 差分输入方式范围：单极性 双极性 c o m s 工艺，低功耗。不超过4 0 pa 山东大学硕士学位论文 三线串行方式 具有模拟输入缓冲方式 可编程数据刷新率 a d 7 7 1 5 分辨率为f a r 2 ”= f a r 6 5 6 3 6 ，采用6 2 kq 满量程电阻，1q 近似对 应一位数。并且热敏电阻温度系数大，温度每变化一度对应阻值变化很大，到 几百欧姆。对于测量0 1 7 0 c 范围的温度，能达到0 0 1 以上的分辨率。a d 7 7 1 5 的选择，完全能满足预定的温度测量精度指标0 5 c 。 4 1 5 温度信号采集硬件电路特点 从温度、故障信号采集原理图4 4 看出硬件电路具有如下特点。 ( 1 ) 输入保护特点 由于被测信号是变化缓慢的温度电压信号，因此无需采样保持电路。a d 7 7 1 5 无缓冲方式下，共模方式模拟绝对输入电压范围是a g n d 一3 0 m v a v d d + 3 0 m v ，如果共模电压和输入电压范围超出此范围，就会造成a d 转换线性 性能下降，甚至管子击穿，为此在输入端，接入四个箝位保护二极管，形成输 入端保护。电路接入二极管后，由于二极管反向电流的存在，影响电路的输入 信号，会造成定的附加误差。m ( 2 ) 输入滤波特点 为了使温度信号输入端，不受高频共模干扰噪声的影响，为此在两输入端 对地并接两个电容其性能最好的塑料薄膜式聚丙稀电容。这种电容绝缘性好， 漏电流小，介质吸收性小，适合于小信号差动输入端。 ( 3 ) 桥式激励基准电压源 a d 7 7 1 5 的基准输入端r e f i n + 和r e f i n 一提供了差分基准a g n d a v d d 输入能 力，这些差分输入的共模范围是a g n d a v d d ，典型基准电压v r e f( r e f i n + 一r e f i n 一) 是2 5 v ，为了获得高的a d 7 7 1 5 转换性能，可采用桥式激励电压作为 基准电压源。 山东大学硕士学位论文 由图4 4 ，可看出 一vi v r e f ：， r t r r e f ( 4 1 ) 变换4 1 式，得 r t 一 蹄矿r r e f ( 4 2 ) v i 为热敏电阻r t 的端电压v r e f 为基准电压( r r e f 的端电压) 从上式可知，当激励电压( 电源电压) 有噪声时，由于同时影响热敏电阻 r t 和r r e f 上的电压，r t r r e f 和v i v r e f 比值同时不变。因此，激励电压噪声 对基准电压的干扰并不影响a d 转换值。 ( 4 ) 光耦器件数量少和施密特反相器罄形 a d 7 7 1 5 输出电路是单片机8 9 c 5 1 与a d 7 7 1 5 联接桥梁，也即数字量和模拟 量两个不同系统联接的纽带。对数字量系统( 单片机) ，其数字电路信号电平转 换过程中，会产生很大的冲击电流，即所谓开关噪声。同样在过程检测中，由 于被测对象往往处在较强大的噪声环境中，为确保整部系统可靠地工作，可采 用光电隔离的方法，防止两套系统相互干扰，切断单片机与a d 转换器之间的 公共地线，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同产生的影响。并且由 于光耦器件的发光二极管是电流驱动元件，即使幅值很高的高频干扰没有足够 能量，也能被有效抑制。为此，在输出电路上，采用四块光电耦合器。但是如 果这种光电耦合器使用太多，器件内发光二极管和光敏三极管之间存在分布电 容会很大，将大大削弱对尖峰脉冲干扰信号的隔离。对于1 6 位的a d 7 7 1 5 采用 串行传输方式，就会大大减少光耦器件数量( 如并行将至少1 6 块光耦器件) ， 同时串行分时通讯方式，有效的降低信号间的过渡干扰，使a d 7 7 1 5 保持了很高 抗干扰能力。虽然采用串行方式，传送速度会下降，但适用于变化缓慢温度信 号采集。”1 山东大学硕士学位论文 由于a d 7 7 1 5 对信号电平上升沿要求比较陡，而普通光耦p 5 2 1 达不到要求， 为此采用集成7 4 h c l 4 n 施密特反相器对信号电平整形，以达到a d 7 7 1 5 对信号j ： 升沿的要求。 图4 4 温度信号输入电路 山东大学硕士学位论文 4 2 故障信号采集硬件电路设计 当冷却水、冷水等断流故障和泵故障发生时( 如过流负载，热继电器动作) ， 电路输入火线开关量信号。输入电路如图4 5 。 图4 5 故障采集输入电路 当出现故障时，从输入端送来火线2 2 0 v 交流电压信号，经r 1 电阻限流， 二极管削波，进入光耦发光二极管，从而把故障信号传输给单片机的端口，电 阻r 2 对发光二极管起到分流保护作用。 由于检测对象处于较强的噪声环境中，为确保系统可靠的工作，采用了光 电隔离器，使输入电路和单片机各成为独立系统，切断电气联系。并且解决了 长线驱动和阻抗匹配的问题。由于光电隔离器可承受数千伏高压，因此可保护 工控