液冷源控制系统.doc

液冷源控制系统朱恩庆，朱蕴璞，高飞(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)摘要：根据液冷源系统各项参数、功能需要和结构特点，设计了以单片机为核心的温度、压力、流量检测和电气控制电路，设计并编写人机交互界面，结合温度和压力PID智能算法，成功实现了大功率机组液冷系统的高精度温度、压力采集和控制，并提供了一个良好的人机交互界面。关键字：液冷源；温度PID；压力PID；人机交互界面；系统控制中图分类号：TP273Liquid Cooling Control SystemZhu Enqing, Zhu Yunpu, Gao Fei(China School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094,China)Abstract: According to each parameter, function needs and structure features of liquid cooling system, the circuit focused on microcomputer is designed with the function of detection on temperature, pressure and liquid flow, and electric control. A human machine interface software is designed and written in combination of temperature and pressure PID intelligent algorithm, which not only successfully achieves the high precision acquisition and control of pressure and temperature of liquid cooling system with high-power but also provides a good human machine interface for operators. Key words: liquid cooling system; temperature PID; pressure PID; human machine interface; system control液冷源是为大功率电子设备提供冷却液的设备，它对于大功率电子设备的正常散热工作起到至关重要的作用。液冷源的控制系统是液冷源的核心部分，它主要负责根据操作者的操作命令要求完成对各个组成部件如压缩机、风机、比例阀等的控制，并实时监测各部分温度压力流量的工作情况，并能做出相应的调节或者报警处理。通常液冷源的控制系统均采用PLC模块，但由于系统庞大造成的成本高，并且军品级器件进口困难等问题，一直阻碍着国内液冷源的发展，因此研制了以AVR单片机为核心的控制系统来保证系统的低成本与高可靠性。1 系统总体结构系统的总体结构如图1所示，供液和回液之间连接热源负载，经系统冷却的低温液体循环液流经负载带走负载上的热量，循环液温度升高，再流回至系统内部的热水箱或者冷水箱，冷水箱里面的液体经过冷风机和压缩机冷却，根据需要的供液温度和压力，使用PID智能算法调节温度或者压力比例阀，混合两水箱中的液体作为供液输出。供液与回液做如此循环流动以达到高效的制冷目的，操作者可在人机交互界面选取液冷源系统的工作模式，在相应的模式下通过监测控制电路直接控制各部分的运作。图1 液冷源控制系统的总体结构2 硬件设计原理控制系统的主控板也就是检测控制电路板的组成结构如图2所示，本设计中处理器使用的AVR单片机中的ATMEGA128，它有丰富的硬件资源，能很好的适用于液冷源控制系统的多控制检测量的需求。采用基于PT100铂电阻传感器的三线制热电阻测温法，PT100的精度能达到0.5%，它的电阻信号通过16位高精度AD7792提供的稳定恒流源转换成电压信号再经过AD7792转换并补偿成对应的高精度数字温度信号。4路温度信号分别是供液温度、回液温度、冷水箱温度、热水箱温度。供液压力传感器、回液压力传感器、供液流量传感器和回液流量传感器使用的都是420mA输出，它们通过电流电压转换后用6通道16位精度的AD7656采集后送至单片机。压力三通阀和流量三通阀均是同010V的电压控制，单片机将对应的数值通过16位DA芯片AD5764转换成电压信号输出来控制三通阀开度。单片机的IO口以74HC573扩充输出，以74HC245扩充输入，同时继电器使用ULN2003进行驱动。系统的通讯接口为RS422，一组负责与触摸屏通讯，另一组为从机通讯做的预留口。图2 检测控制电路组成结构3 系统软件设计3.1 系统工作流程系统工作分为3种模式，自动模式，手动模式和加液模式。自动模式是操作者启动系统后设置所需要的供液温度和供液压力，系统将首先判断热水箱和冷水箱的温度然后按照图3流程工作，在这个工作过程中处理器将实时采集到的温度和压力与设定值做PID运算，控制电路输出模拟信号调节温度和压力三通阀把供液的温度和压力调整到设定值。当操作者选取手动模式时，在手动界面上操作者可以直接通过开启或关闭继电器来控制各部分的组件，以完成操作者的各种不同需要，如测试部件的工作性能以及部件对整体的影响等。加液模式是独立于系统正常运行之外的模式，运行加液模式将停止其他部件的运行，并开启循环泵将从外输入的冷却液引入系统。在运行自动或手动时操作者按停止按钮，系统为保证不损坏器件，将按先关压缩机再供液泵和循环泵，最后延时3分钟关冷风机机组的次序关闭部件。图3 自动模式下工作流程3.2 温度压力PID自动模式下做温度PID和压力PID运算。当PID采样周期短时，可用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续时间PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程：根据方程编写一个专门的PID运算函数：pid_Controller(setPoint,processValue, *pid_st)其中setPoint为设定值，processValue为当前值，而*pid_st则指向存放温度或者压力PID相关数据的结构体，它将有关PID运算的数据封装在一起。在运算函数中必须设置各项的最大最小值防止数值的溢出而导致的计算错误。AD5764的输入数据范围为00x8000，所以PID运算输出值应被钳制在这个范围，超过0x8000按0x8000输给AD5764，而低于0的按0输给AD5764。由于温度和压力的作用存在滞后性，所以在自动模式下程序每隔10s运行一次PID计算函数来控制三通阀的开度，以调节温度和压力。4 人机界面图4 主操作界面图5 状态显示本系统使用的人机界面是台达触摸屏，它通过专用编程软件编写操作界面，主操作界面如图4所示，各部件的启动状态和模拟量采集状态如图5所示，此外还可以在人机界面的系统设定界面中完成PID参数整定工作，温度PID整定界面如图6所示。在单片机上需要编写从机MODBUS协议程序以01、05、03和06指令与触摸屏通讯，来完成相关指令的下达和将检测到的数据反馈显示。 图6 温度PID整定界面5 结束语 本控制系统通过安装和调试，在控制性能上有超过PLC的趋势，控制精度高，操作简单，编程灵活能很好的适应不同型号液冷源的控制需求，并且成本远低于PLC控制系统，具有良好的市场前景。参考文献1 周明进，李宗海，乔中涛，卢江雷.基于嵌入式系统的大功率雷达发射机液冷源加热系统设计D.仪表技术，2008(5):7-12.2 国防科工委军用标准化中心.电子设备可靠性散热设计手册M.北京：国防科工委军标出版发行部，1992.3 马潮.高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南(上) M.北京：北京航空航天大学出版社.2004. 4 王伯雄，王雪，陈非凡.工程测试技术M.北京：清华