智能供热控制系统的设计说明(20210416190055)

1、第一章绪 论11.1题目来源及研究意义11.2国外研究现状11. 3本文主要研究容3第二章系统方案选定42.1供热系统简介及改进42.2系统方案确定52.2. 1控制系统原理 72.2.2控制电路结构图72.2.3系统技术参数82.2.4系统工作任务82.2.5控制算法的确定92.2.6补水控制方案确定 11第三章硬件电路设计153. 1硬件电路的基本组成153.2前向通道设计153.2. 1温度传感器153.2.2压力传感器163.2.3流量传感器183.3单片机系统设计223. 3. 1 CPU 的介绍223. 3.2单片机最小系统设计253. 3.3 8255A 扩展接口 283. 3.

2、4外部电路键盘与显示智能控制芯片HD7279 303. 3.5 打印机 PP40 333. 3.6 ISD1420语音芯片实现的报警电路 363. 3.7电源以及通讯部分383. 4后向通道设计41专业DOC.3.4. 1 D/A转换电路413. 4, 2驱动电路43第四章软件设计464. 1设计思想464.2温度控制算法464.3程序设计48总结52致 53附录1:单片机控制的智能供热监控系统原理图56附录2：程序清单-57 -第一章绪论1.1題目来源及研究意义供暖的重要性在人们生活中的不亚于水和电，民用、工业用、办公用建筑都要 配备完善的取热设施。在全球都提倡节能、减排的口号下，采用合理供

3、热方式不但 可以提高供热系统能效，响应全球口号，而且对解决居民“温饱”问题和建设全面 小康社会具有重要意义。目前，集中供热已成为现代化城镇的重要基础设施之一，是城镇公共事业的重 要组成部分。供热行业当前的主要任务是提高供热系统能效、降低能耗，降低造价, 供热计算机的应用提高了系统的工作效率和设计质量，对实现该任务有良好的帮 助。因此，计算机控制的集中供热方式对节能、环境保护、降低成本和提高效益都 具有重要意义。1.2国外研究现状供热系统是由锅炉房、热网管道、凝结水回收、管道保湿、阀门、疏水阀 和有关仪表组成的完整系统。系统是否完善关系着运行是否安全、环保和节能，是 否合理用热，因此需要搞好供热

4、系统的管理工作和不断采用新技术。国外则采用了较为简便的技术，像是美国MDS公司SCADA系列数字电台在城市集 中供热系统的得到一定的应用。该公司的系列数字电台采用数字信号处理、纠错编 码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化设计等技术，具有髙性能、高可 靠及抗干扰能力强等特点，电台提供标准232数据口可直接与计算机、RTU、PLC、 GPS接收机、数码相机、数据终端等连接，传输速率达19200bps，误码低于10E-6（接收电平-llOdBm时），发射功率0.5-25瓦可调节，任何型号电台可设置为主站或 远程站使用，无中转通信距离达50公里以上，能适应室或室外的恶劣工作环境。电 台数据和话

5、音兼容，可工作于单工、半双工、时分双工TDD、全双工方式，收发同 频或异频中转组网，并具有远程诊断、测试、监管功能，满足各行业调度或控制中 心与众多远方站之间的数据采集和控制。城市供热控制中心设一主站，远端设有多 个从站，从站通过标准232接口与RTU/PLC连接，可实时监控管网供热的全过程，清 晰地反映各站点实时运行情况，详细监测管线站点的运行参数，集中采集温度、压 力、瞬时流量、累积流量等参数值，城市集中供热实行自动化管理后，改变了以前 .专业DOC.供热出现意外故障中短而无法极时修复，减少民众对供热公司的抱怨，同时使工作 效率有了极大的提高，实现了对各支点管道的实时管理。北欧三国所有的供

6、热系 统中均采用计算机自动监控，之所以在供热技术那么发达的国家那么广泛的采用这 种供热方式，是因为它具有突出的优点：只需要很少的操作人员，不仅提高了劳动 生产率，而且提高了系统的热效率。以上为国外供热研究现状，在我国，传统的供热技术（如采用锅炉采暖系 统和热电联产集中供热系统等）较国外的技术相差甚远，效率低、能耗大、污染严 重。根据06年第八期月刊中永勇、王成军、晓霞写的克拉玛依市中心城供热技术 发展趋势指出，在供热系统运行中，普遍存在的一些问题是：不能及时掌握集中 供热系统的运行工况，实时观测整个系统中热源出口、管网、换热站运行参数，因 此不能依此迅速发现系统运行工况是否与供热需求相匹配，系

7、统中各个部位供热参 数是否运行正常，以便指导锅炉房迅速查找问题并及时合理调整运行工况。这主要 是由于供热系统中换热站没有有效的调节装置和根据热负荷的变化进行实时调节 的自控系统。造成供热一次管网水力失调严重，使一些换热站偏热，而另一些换热 站偏冷，供热效果不好、热量浪费的现象无法解决。其供热系统，在仪表计量、通 信、自动控制方面，技术装备低，缺乏技术手段，难以对生产运行进行科学严格的 管理。而国现今结合智能化的控制的现代化供热技术，克服了传统供热系统存在的 缺点，提高供热管理水平，消除水力失调，节能降耗。现今智能供热系统已是个供 热企业力发展的一项新技术。例如，市在供热技术方面，在这几年中就有

8、很大的改 进。热力总公司于2000年首次在集中供热项目中引进了芬兰L0NIX公司热力站机 组自控和无线遥测技术，其自控系统是一个集散控制系统，各热力站为独立控制， 可根据当地室外气温，调节一级网供水管上电动调节阀，实现对二级网供水温度的 控制。中控室不能干预各热力站的控制，总的原则是中央监测，就地控制。数据传 输系统采用的是L0M网络技术，无线传输方式。基本实现了换热机组的本地自控和 无线通讯功能。市热力公司西部供热工程在1998年建立了微机监控系统，该系统为 集散型微机控制系统，对全网86个热力站进行监控，其中有12个典型站设有无线通 讯装置，与监测中心构成通讯网络。19981999年的采暖

9、期间，该公司监测中心和 部分热力站监控系统投入运行，在温差不变的情况下，电厂循环水量由3200吨/时 降到2200吨/时，主循环泵提供的供回水压差增加，改善了不利热力站的水力工况, 使其二次线供水温度有所提高，改善了供热效果。其它城市也在不同程度上建立了 微机监控系统。目前国有两种不同的供热系统计算机监控方式，一种是采用中央集 中式监控方式，所有的指令都由主控室下达，本地站只是执行上级指令；另一种是 中央和本地分工协作监控办法，主控室只负责全网参数的监视，本地站根据设定值 自动控制。随着系统的扩大，监控水平要求的提高，后面一种更是今后发展的方向。在过去几年里，相对于国外技术，我国供热技术存在以

10、下不足：1、自动控制方面并不够智能。当热源供热能力不足时，会出现前端用户“抢 热”，后端用户“过冷”现象，造成大网严重水力失调，同时，室外气温变化比较 频繁，而热源参数调节与各热力站调节不能同步，造成自控系统的震荡和热网水力 工况的失稳。2、数据传输或是通讯方面。一是由于信号干扰或建筑物阻档等原因，造成部 分热力站信号传不上来；二是数据传输无主动上传功能，只能是自上而下采集，而 不能主动由下至上传输，当热力站参数超限或故障报警时，不能自动上报中控室， 而需由值班人员来完成；三是由于采取巡检方式检测各站运行数据，所有热力站巡 检一次约需半个小时，故不能采集同一时刻热网参数，从而不能科学准确地对热

11、网 进行数据分析和水力工况分析。随着国计算机发展速度的加快和网络通讯的不断发 展，供热技术也在不断提高，智能的供热系统对以上情况的改善显得更为迫切和需 要。1 .3本文主要研究容本文容包括：智能供热监控系统的研究意义，根据单片机智能供热要求确定方 案，设计系统的硬件和软件。本系统采用ATM89C51系列单片机作为CPU,设置Pt 100 温度传感器、压差传感器、涡轮流量计等传感器元件对供回水、补水、供热蒸汽的 温度、压力检测，对回水、补水的流量检测，通过测量电路、A/D转换后把数据传 送到CPU, CUP根据已经设置好的温度围进行比较判断，并发回命令调整供回水的 压力以及流量，最终达到自动控制

12、温度的目的，这对于保证供热品质和节省能源都 有着非常重要的意义。本系统还安装了键盘，显示以及打印机，方便了数据的读取、 切换和统计，使管理层对供热过程和供热品质有最直观的了解。专业DOC.第二章系统方案选定2.1供热系统简介及改进采暖供热系统分为传统的采暖供热系统和智能自动化监控供热系统。传统的采暖供热系统有锅炉采暖系统和热电联产集中供热系统。锅炉釆暖主要 包括燃煤锅炉和燃油、气锅炉，前者运行成本低，但能源转换效率，对大气的污染 严重，后者虽然对环境污染远小于燃煤系统，运行调节灵活，节省了燃料量和运行 费，但是油、气等燃料价格昂贵，系统的一次能耗较高，使得燃油、气锅炉的运行 费昂贵。以热电厂为

13、热源的区域供热系统，常见形式是热电厂中汽轮机的抽汽或背 压排汽通过热交换器将热量传递给热水，并通过热网输送到各采暖用户。热电联产 集中供热系统在所有采暖形式中，热电联产一次能耗是最低的，这使得热电联产系 统的环境污染也很小，若使用传统的管理方式和传统的系统控制，则存在着效率低, 损耗大，控制精度不髙，工人劳动强度大，费用高等缺点。由于供热需要消耗大量 的能源，而我国当前的能源形势十分严峻，因此节能是实现可持续发展战略的最有 效、最经济的途径。采取最有效的解决方案是采用更为合理的供热方式来提高换热 效率，提高系统能效，节约资源。采用智能控制集中供热系统方案是当今提倡的改 良方案。该系统主要解决现

14、有油田供热系统以人工调节供热装置，致使供热效果不 好、缺乏整体协调性、难以达到供热系统整体最佳状态的不足，其特征在于：所述 集中供热系统还包括一个智能控制器，该智能控制器接收来自于温度传感器、压力 传感器的信号并向电动调节阀发出控制信号，所述温度传感器、压力传感器接收来 自于供水管线、回水管线、回水缸、分水缸的温度和压力信号，具有供热效果好、 能够实现供热系统的智能化控制、节省能源的特点，因此是目前各供热企业力发展 的一项新技术。采用该智能控制系统，将使中央供热机组的自动化水平和可靠性指 标达到新的高度，并使机组在操作方便化、管理科学化、节能化、和省力化等方面 获得巨大的进步。该系统满足楼宇自

15、动化的要求，开发成本低，符合智能大厦、高 层建筑等采暖空调和卫生热水供应的需要。随着我国楼宇自动化水平的普及和提 高，该系统具有广阔的应用推广前景。智能自动化监控，采用智能全数字计算机 管理，性能稳定，抗干扰性强能够实现目标管理，为安全生产的有序可控提供了先 进的手段，奠定了良好的物质基础。现代科学技术的发展，技术应用成本的大幅下 降，使供热系统实现智能自动化监控成为可能。智能自动化监控，通过实时数据控 .专业DOC.制运行分析，减少了人为因素所带来的安全隐患，极提高了系统的安全可靠性；应 用现代科学技术来完善供热系统；髙达20%的节能效果，使供热安全与经济效益 得到有机的结合。实践证明，设备

16、自动化水平的提高是保证供热安全的重要途径之 一。集中供热系统中采用智能控制系统，主要是区别于以往使用的常规自动控制 系统，所谓“智能”是指系统网络建立采用了分级递阶智能控制方案，即系统网络 结构分为执行级和组织协调级。而执行级的控制方案是采用了模糊控制思想。2. 2系统方案确定计算机控制系统所采用的形式与它生产过程的复杂程度密切相关，不同控制对 象和不同的控制要求，应有不同的控制系统方案。根据计算机在控制系统中所起的 作用，计算机控制系统大致可分为：操作指导控制系统、分布式控制系统DCS、直 接数字控制系统DDC、监督控制系统。以下是对这四种系统的大致描述。1、操作指导控制系统OIS,在该系统

17、中计算机的输出不直接作用于生产对象, 属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行 处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就 起到了操作指导的作用。该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据 检测、处理及试验新的控制程序等。2、集散控制系统DCS,采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治的管 理模式。它实际上是一个分级结构的计算机系统，是有一台或数台主计算机和若干 单片机构成的计算机系统，所以也叫主从结构或树形结构，单片机绝大部分时间都 是在并行工作的，只是必要时才与主机通讯。3、直接数字控制系统DDC,是单片机在工业控制中

18、应用最普通的一种方式， 属于闭环系统。在这种方式中，单片机作为系统的一个组成部分或环节，直接参与 控制过程。一台单片机可以对多个被控参数进行巡回检测，并把检测结果和给定值 进行比较，再按事先约定的控制规律进行运算处理，然后通过D/A和反多路开关控 制执行机构动作，从而对系统运行进行调节控制。4、计算机监替控制系统SCCoSCC系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况, 因为在DCC系统汇总计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能进行在最佳状 态，而SCC系统不仅可以进行绐定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以 及自适应控制等，它是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。SCC系统有两

19、 种形式：SCC+模拟调节器控制系统；SCC+DCC控制系统。SCC+模拟调节器控制系 专业DOC.统是按一定得数学模型对生产工况进行分析、计算得出控制对象各参数的最有给定 值，使工况保持在最优状态，而SCC+DDC是通过SCC给出最优给定值，通过与DDC 通讯，将给定值送给DCC级执行过程控制。这种分级控制效果能提高系统的可靠性。本系统若采用SCC+DDC控制系统后可实现以下功能。1、实时系统检测。通过计算机自动检测，可以全面、及时地了解供热系统的 运行状况，如供热运行的温度、压力、流量、热量等参数，避免以往的凭经验调节 和调节滞后。全面了解供热运行状况，是一切调节控制的基础。2、对系统运行

20、自动控制。供热系统在运行过程中，热用户设定温度以及室外 温度的变化，经常性的流量调节是必不可少的，手动调节无法保证精度。计算机监 控系统，则可按照预先设定的程序，通过电动调节阀实现温度调节，达到流量的均 匀分配，消除冷热不均现象。3、消除热系统固有特性影响，增强系统按需供热功能。热力站计算机监控系 统可通过软件开发，配置供热系统热热负荷预测程序，则可根据前几天的运行参数、 室外温度，预测将来某一段时间的供热负荷，进而实现对系统的运行指导，在消除 热系统滞后影响的同时，达到节能的目的。4、保障系统可靠安全运行。计算机监控系统可通过建立相应的故障分析软件， 可通过对供热运行参数的分析，及时判断，并

21、采取相应的保护措施，以便及时抢修, 防止事故进一步扩大，设备损坏工业大学工学硕士学位论文严重，保证安全供热。5、建立系统运行档案。计算机监控系统可以建立各种信息数据库，能够对运 行过程中的各种信息数据进行分析，并根据需要打印各类运行记录，贮存历史数据， 为今后量化管理和进一步优化系统提供了基础。6、为整个集中供热系统的优化运行提供基础。热力站监控系统可以监测及储 存当前运行数据和预测未来系统的运行负荷，为系统的整体运行既优化提供了必需 的数据。针对集中供热所出现前端用户“抢热”，后端用户过冷”的现象，本文提出 使用单片机控制的智能供热监控系统的系统方案，SCC+DDC控制系统方案，本系统 可以

22、精确的检测和合理调配，使系统供应的能量更为均衡，还可以自动检测故障等 优点，充分开发利用热能，能保证供热系统稳定、高效、经济地运行。2. 2. 1控制系统原理集中供热的工作方式为热源厂通过输汽管道将过热蒸汽输送到各换热站，在换 热站中蒸汽经热交换器将采暖热水加热，循环泵通过供热管道将热水送到各热用 户。因此，换热站作为热源厂与热用户之间的中间环节，对供热质量起着重要作用。 本文介绍的供热控制系统，能够根据不同的供热时段和温度采取不同的供热策略， 保证热用户的室变化不超出某一围（182工），保证供热系统的安全可靠运行，同 时节约能源。系统运行时，需对供热蒸汽管道、供水管道、回水管道的温度、压力、

23、 流量、热流量以及用户室温度等参数进行测量与控制。图2-1为系统总体控制原理简图。图2-2系统总体控制原理简图系统的主要测控设备采用工控机，负责对换热站中供热蒸汽管道、供水管道、 回水管道的温度、压力、流量、热流量等参数进行测量与控制；用户测量终端负责 测量典型用户的室温度，并将测量数据通过光电隔离20mA通讯电流环传送给工控机; 热水流量仪负责对主要管道末端供水、回水的温度、压力、流量及热量进行监测， 并将数据传送给工控机。此外还配有显示屏、PP40彩绘打印机等。2.2.2控制电路结构图系统是针对换热站中的多个换热器，要完成的数据采集功能包括采集总输入的 热蒸汽的温度、压力、流量值及输出到各

24、个热用户单位的温度、压力、流量值，通 过这些参数分别对各换热器的进行出水温度和补水控制，通过RS-485通讯网与前 沿AT89C51单片机组成的数据采集器与上位机进行通讯，实现发送各种命令。可有PC机直接发送各种过程保护控制信号。生产过程中实时性要求较高的信号，诸 如过流保护等，不受定时通信的影响，这可保障电力系统安全稳定运行。结构图如 图2-2所示：打印机显示器图2-2控制电路结构图2. 2.3系统技术参数系统的主要技术参数要求有：（1）可实现集中供热中供热站主要运行参数自动远程集中监控。（2）对供回水、补水和供热蒸汽的温度、压力测量，供回、补水的流量测量。（3）根据室外大气温度的变化自动调

25、节供、回水温度的平均值，保证供热温度。（4）根据供、回水压力的变化自动调节供、回水温度的平均值，保证供热温度。（5）保证数据动态显示、打印，具有温度、压力越限警告功能。（6）具有通讯功能，实现上位机的远程管理。2. 2. 4系统工作任务该系统根据现场工艺要求，每个换热站控制器需要完成的功能有：室外温度、 一次热网供回水温度、压力及流量检测，二次热网的供回水温度、压力以及补水流 量等检测及控制，具体实施过程是：每个换热站设置一套控制器及数据测量、控制仪 表，使整个供热系统构成一套完整的SCADA系统，由监控中心对整个系统进行监控 通过控制器实现下列功能：（1）温度补偿。控制器可因换热站周围温度的

26、不同而自动调整二次供水温度的 设定值，从而保证了用户的室温度保持恒定，满足室的取暖需求。（2）热流量限制。每个换热站在一年的供暖时期，用户恒定，需要的热量也不变, 专业DOC.故热流量没有变化，通过一次侧流量检测并加控制阀进行控制，使每个换热站的热 量供给恒定，既保证了换热站的热量需求、避免热量的浪费，又可将更多的热量供给 远端换热站，从而满足远端用户的热量需求。(3) 水流量限制。对供水流量进行检测，并实施供水泵变频控制，可以保证供水 流量满足用户需求，避免供水资源浪费及过多的电力消耗。(4) 回水温度限制。检测回水温度，并对回水温度过高进行限制，当回水温度过 高时，适当降低水流量。这样可以

27、保证热量全部供给用户，保证用户室需求，使得热 量充分被利用，提高供热系统的热效率。(5) 回水温差限制。系统中包含此项功能的益处是：避免热量没有被充分利 用，在供热高峰期间降低水流高峰;动态保证尽可能低的回水温度；降低热网 的传输费用；可以接入更多的用户。(6) 结垢检测。可降低换热器的维护、保养费用，使设备仅在需要时才进行清 洗，另外可以检测到设备的换热效率，并提髙系统的整体性能。根据以上论述，集中 供热系统对换热站、热力管网进行监控后，现有热能被充分挖掘，既节约了投资、 避免资源浪费，又满足了用户需求。2. 2.5控制算法的确定控制算法是为了实现控制系统的控制功能和控制规律由微型机所实现的

28、控制 计算方法。因此，控制算法是微机按控制功能和控制规律编写成相应的程序。执 行该算法程序，便可完成对生产过程对象的控制。实现计算机控制的关键是设计合 适的控制算法。由于供热网控制系统是一个大时滞和非线性系统，这种特性可能引 起供热系统的不稳定；而且由于供暖期需要昼夜24小时保持比较稳定的室温度，而 室外温度每日、毎时都在变化，相应造成房屋耗热量的变化，为了适应室外温度的 变化，保持热平衡及稳定的室温度，就必须对锅炉的供热量进行有效的控制和调节。 目前对于温度的控制大多是采用PID控制。这种方法简单，便与实现，但是对于象 退火炉这样的大滞后、大惯性和时变性的温度控制系统，采用传统的PID控制，

29、同 一组控制参数很难兼顾不同退火工艺的控制要求，控制的超调大，调节时间长，控 制效果较差，且一组整定的参数不能完全适应不同的退火工艺要求还易产生较大的 是超调。常见控制算法有以下几种。1、数字PID控制算法何数字PID控制器是按偏差的比例(Proportional)、积分(Integral) 微分 (Differential)的线性组合构成控制的调节器，它使用广泛，灵活，可按系统的要 求，调整不同的PID控制参数。它控制效果好，特别是对于时间常数比较大的被控 对象来说有其一定的特点，实现良好的控制。但是经典的P1D控制需要知道被控对 象精确的数学模型，而供热网温度控制器的参数选择十分困难。PI

30、D控制器方框图 如图2-3所示：图2-3 PID控制器方框图2、模糊(Fuzzy)控制模糊控制系统是一种自动控制系统，以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和 模糊逻辑推理为理论基础的微机数字控制系统皿。工作过程可以描述为：将输入量 转化为模糊量供模糊逻辑决策系统用，模糊逻辑决策器根据控制规则所决定的模糊 关系R,应用模糊逻辑推理算法得出控制器的模糊输出控制量，然后经精确化计算 得到精确的控制值去控制被控对象。它模拟人的思维，苟照一种非线性控制，以满 足复杂得、不确定性的过程控制的需要。模糊控制系统结构图如图2-4所示：图2-4 模糊控制器方框图由于模糊控制不需要知道被控对象精确的数学模型，且其鲁

31、棒性能较强，所以 得到广泛应用。.专业DOC.3、Fuzzy-PID控制模糊控制和经典PID进行不同形式的结合构成复合模糊PID控制器问。这种控制 算法的特点是根据偏差的大小采用不同的控制算法。当温度偏差较大时采用Fuzzy 控制，可以加快响应速度，当温度偏差较小进入稳态过程后切换到PID控制，消除 静差，提高控制精度。供热模糊PID控制器是在普通模糊控制的基础上，增加一个 常规的PID控制器从而构成了一个混合PID模糊控制器，同时增加了一个系统常规库 B,用于对常规PID控制器得参数进行模糊调节。通过规则库B对PID控制器得积分参 数在线调节，间接调整了系统控制规则，并对由于模糊化使常规模糊

32、控制器丢失的 信息进行了补偿，因此可增强控制系统的鲁棒性、自适应能力、提高系统的控制精 度，避免了普通PID模糊控制器在模糊控制与常规的PID控制器之间切换时产生的“毛刺”，使系统性能得以提高和完善。因此，在现行的集中供热中模糊PID控制 器被广泛应用。对以上控制算法小结：PID控制结构简单，参数调整方便等优点，而PID控制的 性能取决于参数的整定情况，对那些对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系 统，具有很大的局限性，而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系，使它不一定能 满足调节时问短、超调小的技术要求。模糊控制鲁棒性好，无需知道被控对象的数 学模型，且在快速性方面有着自己的优势，但模糊控制易

33、受模糊规则有限等级的限 制而引起稳态误差。模糊PID控制可以实现自动对P1D参数的最佳调整，应用在具有 明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于温度这样特点的控制对象可以获得很好的 控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定PID控制温度是一个 非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快 和超调小的特点，又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制 器设计中，采用PID参数模糊自整定复合控制，实现PID参数的在线自调整功能，可 以进一步完善PID控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。因此， 系统采用模糊PID控制算法。2. 2.6

34、补水控制方案确定为了保证供热系统正常运行，需采取定压补水控制。供热系统定压补水控制的 原理图，如图2-5所示。当供热系统中膨胀水量小于漏失水量时，需对供热系统进 行补水，否则难以维持供热系统的定压点压力，供热系统无常工作，因此深入研究 供热系统定压补水方法有助于提高供热系统运行的可靠度。供热系统定压补水的控 专业DOC.制原理当供热系统漏水时系统压力降低，定压点的压力传感器将此信息（电压信号） 传给比较器，压力调节器根据比较器输出的偏差信号启动执行器（补水泵）向供 热系统补水，使定压点的压力升高，压力偏差逐渐减小，当压力偏差为0 （即测 量值等于给定值）或很小时，补水泵停止运行。压力调节器为自

35、力式压力调节阀或 电接点压力表问。压力给足值压力测量值压力 干扰量图2-5供热系统定压补水控制原理图1. 比较器2.压力调节器3.执行器4.调节对象5.压力传感器1、补水定压的原理及方式补水定压的原理是利用循环泵入口处网路回水的压力控制阀门开度，当压力 过低时，启动补水泵，阀11开大，增加进入网路的补水量，使压力回升到要求的 压力；当压力过髙时，阀11关小，减少进入网路的补水量，使压力下降到规定 值。始终保持系统压力在规定的围，保持补给水泵补给的水量与系统的泄漏水量相 适应，从而维持系统动水压曲线的位置，达到整个网路稳定运行。热水采暖系统定压方式有：高架水箱定压；补给水泵定压；惰性气体 （氮气

36、）定压； 蒸气定压。其中氮气定压、蒸气定压因需消耗氮气、蒸气，设备 也较复杂，多用在供水温度较髙的供热系统中，低温热水采暖常采用补给水泵定 压方式。如图2-6所示。图2-6补给水泵补水定压工作原理示意图1除污器；2网路循环水泵；3换热器；4软化水箱；5补给水泵；6分水器；7集水器；8止回阀；9压力表；10热用户；11补给水控制阀2、补给水泵补水定压存在的问题问换热站采用补给水泵补水定压存在以下几方面的问题： 系统调整频繁。突发性事故多。为避免事故的再次发生，除加强运行人 员的工作责任心外，对系统的补水定压方式作一些改进是十分必要的。3、换热站补水定压的工作原理和改进方案（1）工作原理当系统初运

37、行时，系统注水靠初运行补水泵将软化水补入系统，直至系统充 满，并达到规定的压力围，然后启动循环泵正常运行。系统正常运行后，关闭初运 行补水泵，由压力控制器（14）控制恒压点的压力值在规定的围之。若恒压点的压 力下降到规定压力的下限时，压力控制器（14）接通，发出信号，常闭电磁阀（4） 打开，喷射补水环路接通，这时，循环水泵出口处的一小部分高压水经冲射水管 （3）进入水射击器（1）,产生喷射作用，经引射水管（12）抽吸软化水箱（11）的 软化水，在水射器混合后，通过逆止阀（8）经补水管（7）补入系统；当恒压点压力 达到规定压力上限时，压力控制器（14）断开，电磁阀（4）关闭，切断喷射补水环 路，

38、停止补水。压力控制器与循环水泵电气连锁，即只有启动循环水泵，压力控制 器才通电，处于工作状态。如果电磁阀（4）失灵，可关闭截止阀 （5）根据回水管上的压力显示，手动控制旁通阀（6）进行补水。（2）改进方案通过参考有关资料和分析思考，对换热站提出了由原来的补水泵补水定压改 .专业DOC.为水喷射器自动补水定压主要由水喷射器、电磁阀、逆止阀及压力控制器组成。 由补给水泵补水定压改进为水喷射泵自动补水定压，除能消除补水泵定压存在的 不足，还具有如下优点: 能避免因启动频繁而引起的系统运行不稳定。自动 调节，减少了突发性事故。 结构方面，更简单、紧凑、制作安装容易，占地面 积小，节省基建投资。维护方面

39、，维修量少，无运转部件，不需备用设备及备 品备件。图2-7采用水喷射器自动补水定压方式的热水供暖示意图1水射器；2循环水泵；3冲射水管；4一电磁阀；5截止阀；6旁通截止阀；7补水 管；8逆止阀；9安全阀；10初运行补水泵；11软化水箱；12引射水管；13初运行 吸水管；14压力控制器；15补水控制截止阀；16换热器；17分水器；18除污器；19 集水器；20供热用户.专业DOC.第三章硬件电路设计3.1硬件电路的基本组成本系统的关键是单片机对供热蒸汽管道、供水管道、回水管道的温度、压力、 流量、热流量等参数的测量与控制，并将测量数据通过光电隔离20mA通讯电流环 传送给工控机；热水流量仪负责对

40、主要管道末端供水、回水的温度、压力、流量及 热量进行监测，并将数据传送给单片机，因此需要控制器、数据采集与处理电路， 数据传输和通讯电路，报警电路，硬件接口电路，包括温度传感器、流量传感器、 压力传感器、A/D转换器、D/A转换器、主机、显示器和键盘、执行器、电源等。 以下是对部分组成器件的作用简要说明。 传感器和执行器传感器将供热系统的运行参数和故障信息转换为电信号，包括温度、流量、压 力、系统最不利点压力值等。执行器直接操作热力站系统中各种泵、阀、电机等。 信号转换模块将传感器信号调理为标准的模拟量和数字量输入送给微机并将微机输出信号 进行功率放大后驱动执行器。 主机主机实时测量出供热系统

41、各运行参数并且控制执行器做出正确动作，要求抗干 扰能力强，能够长期不间断地稳定运行。 通讯由于各热力站遍布于整个供暖区域，必须考虑与管理调控中心通讯功能，远程 数据通信比较可行的方法有Internet或者使用Modem通过线直接进行串行通信。 从实时性和安全性考虑，选用后者。总的来说，系统主要分为前向通道、单片机系统和后向通道。3. 2前向通道设计3. 2. 1温度传感器供热控制系统中需要检测室外温度、一次热网供回水温度、二次热网的供回水 温度。所以测温元件采用性能稳定、寿命长、互换性好的标准铠电阻温度传感器。因此本设计采用了温度传感器PtlOOo1、温度传感器PtlOO的工作原理金属钳具有电

42、阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温 度变化而变化基本呈线性关系；在测温围，物理、化学性能稳定，长期复现性好， 测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。但钳在高温下，易受还原性介质 的污染，使钳丝变脆并改变电阻与温度之间的线性关系，因此使用时应装在保护套 管中。利用钳的此种物理特性制成的传感器称为钳电阻温度传感器，通常使用的钳电 阻温度传感器有PtlOO,电阻温度系数为0. 0039 / C, (TC时电阻值为100Q,电 阻变化率为0.3851 Q/9。钳电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度围广, 是中低温区(-20(TC65(TC)最常用的一种温度检测器，不仅广

43、泛应用于工业测 温，而且被制成各种标准温度计。在IEC75国际标准，温度系数TCR = 0.003851, PH00(7?0 = 100Q) . Pr1000(= 1000Q)为统一设计型钳电阻。PtlOO传感器是利用铠阻的阻值随温度变化而变化，并呈定函数关系的特性来 测温的。其温度/阻值对应关系为：(1) -200CtOC时，/?PHOO=100l + Ar + Br2+Cf2(/-100)(2) 0CWtW85(TC 时，Rpnoo=OO( + At + Br)2、PtlOO的主要技术參数 测温围：-200cC +850C； 允许偏差值。C： A 级+/-(0. 15+0. 002111)

44、,B 级+/-(0. 30+0. 005 11);热响应时间/n-rroP21P22P23P2.4-P25P26KESETP2.TRX3TXDALE/TISENAT89C5138373635343332212223242539262?1130专业DOC.图3-2 AD7731与AT89C51及采样部分接线图3.3单片机系统设计 3. 3.1 CPU的介绍AT89C51是一种4字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read On 1 y Memory)的低电压，高性能 CMOS8 位微处 理器，俗称单片机何。该器件采用ATME

45、L高密度非易失存储器制造技术制造，与工 业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器 组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系 统提供了一种灵活性高且价廉的方案。(1) 主要特性：4K字节可编程闪烁存储器数据保留时间：10年三级程序存储器锁定32可编程I/O线5个中断源低功耗的闲置和掉电模式与MCS-51兼容寿命：1000写/擦循环全静态工作：0Hz-24Hz128*8位部RAM两个16位定时器/计数器可编程串行通道片振荡器和时钟电路(2) 引脚图及管脚说明：AT89C51引脚如图3-3所示：P1.0PO.OP1.1P0.1P1.2P0.2P1.3P0.3P1.4P0.4P1.5P0.5P1.6P0.6P1.7P0.7/INT1P2.0/INTOP2.1T1P2.2TOP2.3/EAP2.4XIP2.5V2P2.$RESETP2.7ZRDR3TMDGNLALEVCC/RSEN40143?393837莎站3?322123242、202728101F如3-3 AT89C51 引脚图引