基于单片机的自动化热力站控制系统设计方案【优秀】

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摘要基于单片机的自动化热力站控制系统设计方案【优秀】(文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用,可编辑推荐下载）随着城市建设和经济的快速发展，环境保护和节约能源成为越来越重要的问题，城市集中供热也成为城市尤其是北方城市供热的大势所趋。如何使整个集中供热系统处于一个良好的、高效的运行状态，成为供热控制系统所必须解决的问题。本文分析了人工调节的不足与自动控制的优点，对集中供热在国内外的发展进行了简单的对比，主要介绍了集中供热一次管网系统控制方案、换热站工艺流程、工作原理及自动控制方案的现状。在此基础上，以供热工程为理论基础，对热力系统的水力和热力工况进行了分析。文中通过单片机对调节阀进行控制来改变二次供水温度，来满足热用户对供热的要求。最后对系统的抗干扰进行了简要的分析。关键词：集中供热，热力站，水力工况和热力工况，单片机。AbstractWiththeconsistenturbanconstructionandtherapiddevelopmentofeconomics，environmentalprotectionandenergyconservationhasbecomemoreandmoreimportant．Centralheatinghasbecomethegeneraltrendofheatingstyleespeciallyamongthenortherncities．HowtomakethewholecentralheatingsystemoperateinagoodandefficientstateturnsIntoanlssuethatmustbeaddressed．Thistextanalyzedartificialtoregulateofnotenoughandautomaticallycontrolofadvantage,toconcentrationprovidedheattocarryonsimplecontrastinthedomesticandinternationaldevelopment,mainlyintroducedconcentrationtoprovideahottubenettedsystemcontroledproject,changedhotstationcraftprocessedandworkedprincipleandautomaticallycontrolthepresentconditionofproject.Onthisfoundation,withprovidehotengineeringfortheoryfoundation,carriedonanalysistowaterpowerandthermodynamicenergyworkconditionofthermodynamicenergysystem.Passalistinthetextslicethemachinemakeexchangestanzavalvetocarryoncontroltochangetwowatersupplytemperatures,satisfyhotcustomertoprovideahotrequest.Finallycarriedontheanalysisofsynopsistotheanti-interferenceofsystem.Keywords:eoneentrationheat-supply，thermalstation，Waterpowerandthermodynamicenergyworkcondition，singlechipmicrocomputer。目录摘要 1Abstract 2第1章绪论 51.1前言 51.2国内外发展情况 7第2章供热系统方案及特性研究 92.1热力站控制系统简介 92.2换热首站的工作原理和控制方案 9换热站的工作原理 9换热站控制方案 102.3控制系统数学模型的建立 132.4热力站系统控制原理 18温度控制 19`定压补水 212.5供热系统的水力与热力工况 21供热系统水力工况 21供热系统的定压 22供热系统热力工况 24水力工况对热力工况水平失调的影响 24第3章控制系统硬件设计 273.1控制系统硬件框图 273.2A/D与D/A转换器的选择 29转换器 29转换器 313.3放大电路和选择开关 32放大电路 32选择开关 323.4电源电路 333.5V/I转换电路 343.6RS232接口电路 353.7显示电路 363.8键盘电路 37第4章控制系统软件设计 394.1系统主程序流程图 394.2控制程序流程图 414.3部分模块流程图 42循环泵模块流程图 44转换模块流程图 44键盘模块流程图 45第5章系统抗干扰分析 485.1系统抗干扰分析 485.2单片机抗干扰技术 505.3A/D转换，D/A转换电路的抗干扰措施 51转换电路抗干扰措施 51转换电路抗干扰措施 52结论 54致谢 55参考文献 56DirectoryChapter1Introduction 41.1Forewords 41.2ThedevelopmentinbothChinaandabroad 6Chapter2Provideshotsystemprojectandcharacteristicresearch 82.1Thermalstationcontrolasystembriefintroduction 82.2Theworkprincipleandcontrolprojectoffirstthermalstation 8TheworkprincipleofthermalStation 8ThecontrolprojectofthermalStation 92.3Controltheestablishmentofsystemmathematicsmodel 122.4Thesystemcontrolsprincipleofthermalstation 17Thetemperaturecontrols 18Certainlypresstorepairwater 202.5Waterpowerandthermodynamicenergyworkconditionofprovidehotsystem 20ofprovidehotsystem 20Certainlypressofprovidehotsystem 21Workconditionofprovidehotsystem 23Waterpowerworktheinfluenceoftheconditionuponthethermodynamicenergyworkconditionlevelmaladjustment 23Chapter3Controlasystemhardwaredesign 263.1Thecontrolsystemhardwareframediagram 263.2ThechoiceofA/DandD/Aconvert 28convert 28 303.3Enlargecircuitandchoiceswitch 31Enlargecircuit 31Choiceswitch 313.4Powercircuits 323.5V/Iconvertcircuit 333.6RS232interfacecircuit 343.7Showcircuit 353.8Keyboardcircuits 36Chapter4Controlsasystemsoftwaredesign 384.1Theflowchartofsystemlordprocedure 384.2Theflowchartofcontrolprocedure 404.3Theflowchartofpartsofmoldpiece 41Theflowchartofcirculatingpumpchart 43TheflowchartofA/Dconvert 43Theflowchartofkeyboardcircuits 44Chapter5Analyticalofthesystemanti-interference 475.1Analyticalofthesystemanti-interference 475.2Anti-interferencetechniqueofsinglechipmicrocomputer 495.3Anti-interferencemeasureofA/DandD/Aconvert 50ofA/Dconvert 50ofD/Aconvert 51Conclusion 54Acknowledgements 54Bibliography 56第1章绪论1.1前言人们在社会生产和日常生活中都需要使用大量的热能，将自然界的能量直接或间接地转化为热能，以满足人们的需要。众所周知，供热就是用人工方法向室内供给热量，保持一定的室内温度，以创造适宜的生活或工作条件的技术。在19世纪末，以集中供热技术为基础，开始出现以热水或蒸汽作为热媒，由热源集中向一个城镇或较大区域供应热能的方式集中供热。所谓集中供热系统就是指以热水或蒸汽作为热媒，集中向一个具有多种形式热用户的较大区域供应热能的系统。它由主热源、热力网、热力站和多种形式热用户组成。主热源通过热力管网把热媒输送到城市各个地区的热力站，在此借助于换热机组这一重要设备经过充分的热交换，将满足供暖温度要求的供暖热水供应到多种形式的热用户处。目前，在我国集中供热系统自动控制的运行现状是:主热源由于实行了热电联产，其规模大、数量众多。而大多数的热力站换热机组和辅助设备的运行仍有相当大的一部分还处于人工调节状态，运行的经济性能很不理想。人工调节方式具有以下明显缺点:1.控制精度差。由于人的生理因素制约，操作人员对外界的观察和控制能力受到限制，同时受主观意识的影响，人工调节设备单凭经验进行，设备运行的工况并未处于最佳的状态，运行参数波动大，能耗高。2.劳动生产率低，生产成本高。由于人的体力关系，操作人员直接操纵设备的功率是有限的，同时生产过程的强化，需要多人来完成某个工业设备或生产过程的连续性操作，工资支付、培训费用等导致生产成本增加。为了改变这种落后的状况，提高热力站运行的经济性能，充分发挥现有供热系统的潜力，实行供热工程的科学化管理，对热力站进行自动化改造己是当务之急。设置自动控制系统相比人工调节则具有以下优点:l.控制精度高:由于使用自动化装置对设备运行参数和生产现场条件实行在线监控，及时克服各种干扰因素的影响，实施最优控制，保证了设备在最佳工况下运行，运行参数满足生产工艺的要求;同时延长了设备的使用寿命，提高了设备利用率。2.提高劳动生产率，减低成本:由于使用自动化装置代替人的操作，使生产过程在最优条件下连续进行，加快了生产速度，节能降耗，降低成本，实现优质高产，增加企业的经济效益。3.减轻劳动强度，改善劳动条件:生产过程的现场环境一般而言比较恶劣。实施自动控制后，操作人员只需在仪表室内观察自动化仪表的运行情况，必要时进行人工干预，避免了在现场从事大量且有碍健康的的操作。4.保证安全生产:对生产过程的关键参数设置自动信号和联锁保护装置。一旦工况出现异常、系统运行参数越限，则发出声光报警信号，采取相应紧急处理措施，防止事故的发生或扩大。5.减少大气污染:生产过程的自动化使得热工设备(如锅炉、高温热处理炉等)的燃烧工况得到极大地改善，产生的粉尘量、烟雾量急剧减少，大气环境中的空气品质得到改善和保障。综上所述，集中供热系统自动化尤其是热力站的自动化是集中供热技术发展的必然趋势，同时也是提高热力站换热机组整体综合性能、保证供热质量的迫切需要。因而成为供热技术研究的热点之一，此举必将进一步推动集中供热系统现代化的普及和发展。1.2国内外发展情况国外，特别是在北欧国家，从20世纪70年代能源危机以来，十分重视建筑节能工作，并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施，特别针对采暖系统安设自动控制装置，以使用户能够充分利用自由热，对于舒适度提出了明确的要求。国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统，其调节与控制技术先进，调控手段完善，设备质量高，通常一次热网所提供的热量在换热站交换成二次采暖热水和民用生活热水，在换热站的二次水系统中均安装有变频调速的水泵，差压控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制器等设备，有了一整套成熟的供热系统运行模式。在控制上，基本上采用以压差控制为主的方案，其基本方法是控制供热系统最不利环路的供回水压差不小于给定值，而最不利环路的压差控制，实际上只为流量的调节提供了可能，本身并不等于进行了流量调节。各用户流量的调节，则是通过热源的集中调节和用户热入口的局部调节即散热器处温控阀的个体调节进行的。为适应温控阀主动调节引起的水力工况的变化，国外供热系统在用户入口和热源处都加设了自控装置。在用户入口有温控器维持温度，有循环泵保证流量;在热源处采用集中质调节或量调节，由 于量调节的节能效果显著，在国外得到普遍应用。这种集中和局部自控装置的设置，适应了调节工况下用户作用压差的变化，保证了室内热舒适的要求。与国外相比，我国目前采暖系统相当落后，具体体现在供热品质差，室温冷热不均，系统热效率差，不仅多消耗成倍的能量，而且用户不能自行调节室温。当前采暖费按面积(平方米)计费，无助于用户的节能意识，以至于出现一些不正常的现象。如室温过高开窗，室温过低投诉，使得设计人员及业主尽量加大锅炉、水泵及散热器容量，造成效率低、高能耗的重复浪费。我国能源紧缺，而采暖用能又十分浪费。据资料介绍，我国住宅建筑采暖能耗为相近气候条件的发达国家的3倍左右。目前的采暖用能己占全国商品能源总消耗的9.6%，而冬季采暖区域主要集中在东北、华北、西北等少数地区，采暖能耗不仅造成资源的浪费，而且是大气污染的一个重要因素。在功能上，发达国家通常室内保证温度是22℃，我国仅为16℃，而且我国的供热品质很差，室温冷热不均，系统热效率差，没有计量末端能耗的手段，用户不能自行设定和调节室温等等。[10]我国城市集中供热目前存在的能源浪费主要来源于:由于当时建筑设计落后，建筑的保温隔热和气密性能差;采暖系统相当落后，自动化程度不高。造成的结果是:(l)低负荷、低效率。我国供热采暖系统普遍在低负荷、低效率下运行，实际供暖面积平均只有设备能力的40%左右。管网输送热量效率低，管道泄漏和透水现象严重。(2)缺乏自动控制设施。我国供暖系统自动化程度低，只有简单的调节手段，不能从整体上进行控制，造成热用户水力水平失调、垂直失调严重，各供热小区冷热不均，供热质量难以保证，供热不足和过度时，没有有效的调节手段。第2章供热系统方案及特性研究2.1热力站控制系统简介集中供热又称区域供热(Districtheating)，以热水和蒸汽为载能体，通过管网为一个区域的所有热用户供热。集中供热系统由热源、热用户和热网三部分组成。热源负责制备热媒，热力网负责输送热媒。热用户是指用热场所，集中供热系统的热用户有供暖、通风、热水供应、空气调节及生产工艺等用热系统[6]。热力站和热水管网是连接热源和热用户的重要环节，在整个供热系统中起着举足轻重的作用。热水管网又分为一次网与二次网，一次网是指连接于城市管网与换热站之间的管网。二次网是指连接于换热站与热用户之间的管网。换热站是指连接于一次网与二次网并装有与用户连接的相关设备、仪表和控制设备的机房。它用于调整和保持热媒参数(压力、温度和流量)，使供热和用热达到安全经济运行，是热量交换、热量分配以及系统监控、调节的枢纽。热力站的作用是将供热管网输送的热媒加以调节、转换，根据用户的需要分配给各个热用户。2.2换热首站的工作原理和控制方案换热站的工作原理热源提供的高温水由一次热网送至各换热站，在换热站中，一次热网高温水通过换热器与循环水相混合，进行热量交换，将热能传递给二次网循环水，再由二次网经供热管道输送到用户，冷却的回水返回二次网回水管，一次网回水降温后回到热源。供热系统的热负荷是随室外气候条件而变化的，为了保证供热质量，节约能源，就必须根据热负荷的变化对供热系统进行运行调节。根据调节地点不同，供热调节可分为集中调节、局部调节和单体调节三种调节方式。集中调节在热源处集中进行，局部调节在换热站或用户引入口处进行，单体调节直接在散热设备处进行。在间接集中供热系统中，热网将热能输送到热力站，用户通过热力站从热网获取热能。因而热力站的运行工况直接影响着整个供热系统的运行工况和供热效果。热力站的主要任务是确定和保持热媒介参数(压力、温度和流量)，使其达到热力站供热装置安全和经济运行所需值。为了保证热网稳定运行，通过及时的参数检测，发现故障,维持系统正常工作。此外，为防止因停电或微机故障而发生事故，热力站控制系统还设有常规就地仪表和手动操作阀。至于热力站的供热控制方式，在同一阶段内，二次水网的循环流量保持不变。根据二次网的供水温度调节一次网蒸汽流量，进而控制二次网供热量，满足用户热需求。换热站控制方案首站的作用主要是为热网系统提供符合一定温度、流量、压力要求的热媒，在本系统中热媒为热水。控制的主要目的就是为了使系统在满足用户需求的前提下，更加安全，经济地运行。热网首站控制系统，是集中供热系统的总控站点，它是整个供热管网的供水出口以及回水入口。换热首站在整个热网中的作用就是利用从发电机蒸汽涡轮处留出的乏汽，根据室外温度的变化，调整主阀门的开关度，让其与供水进行热交换，把热能传递出去。在当室外温度发生大的变化时，也可及时调整热网，实现热量均摊，满足用户的用热需求，并在室外温度较高时，节约热能，实现良好的经济效益。由于取暖用户均没有室温自动调节装置，为了做到即经济运行又保证供热质量，采用图2.1所示的二次供水温度自控系统对供热工况进行分阶段质调节。通过对各二次供热系统的温度检测、分析，结合外界干扰因素(天气温度)，算出最佳的供水温度，通过对一次热网的流量控制，使供热系统在满足用户需求量的前提下，保持最佳工况[12]。采用电动调节阀控制进入凝结式汽水换热器的一次蒸汽量，从而控制二次供水温度，使得二次供水温度维持在给定值上。通过控制变频器来控制补水泵的转速，从而改变系统的补水量，维持供水系统的恒压点压力恒定。图2.1首站工艺流程图首站通过调节供热管网的供水流量、供水温度、供水压力来保证供热管网的正常运行。从锅炉出来的高温高压蒸汽，经过减温减压后，在换热器内与供给二次网的循环水充分换热，使循环水升温，达到二次网需的温度、流量要求。循环水由循环泵加压送出。换热器如图2.2所示。本系统所需检测的参数为循环水进出口温度、进出口压力、瞬时供回水流量。图2.2凝结式汽水换热器构造在供热系统中，供暖热负荷的计算是以建筑物耗热量为依据的，而热量的计算又是以稳定传热概念为基础。实际上外围护结构层内、外各点温度并非常数，它与室外温度、湿度、风向、风速和太阳辐射强度等气候条件密切相关，其中起决定作用的是室外温度。因此根据室外温度变化，对供热系统进行相应的自动控制，可适应用户室内热负荷变化，保持室内要求的温度，避免热量浪费，使热能得到合理利用[14]。对于间接连接的供热系统，宜采用温度调节法，被调参数可以是供、回水温度或供、回水平均温度；主要调节参数是一次网循环流量和电动调节阀的开度。当供热系统在外界干扰下，被调参数的实际运行值与给定值不一致时，就需要通过对调节参数的调节，消除被调参数的偏差。由于供热系统热惰性大，属于大滞后系统，对于调节规律的选择，适合于采样调节，即电动调节阀不连续调节，避免产生振荡，使被调参数出现上下反复波动现象，这样调节效果反而不好。采样调节就是对电动调节阀进行间歇性调节，可采取l～2小时调节一次的方法，这要视供热系统的规模大小而定。系统越大，调节间隔应愈长，这样可以充分反映延时的影响。每次调节，电动调节阀的开度变化也不能过大，调节幅度△L应由当前的阀门开度L和温度偏差△t决定:%。式中a、b-大于0小于1的指数系数，它们决定于电动调节阀的调节特性。确定a、b的原则应是当前调节阀的开度L愈小，每次调节的幅度△L应更小。对于间接连接系统，温度偏差按下式计算:式中：—二次管网供、回水平均温度给定值;—犷长二次管网供、回水平均温度实际值[19]。2.3控制系统数学模型的建立本文采用一种方法是调节流量使之随供热热负荷的变化而变化，使热水网路的相对流量比等于供暖的相对热负荷比，下面推导质量-流量的温度曲线方程。(2-l)式中：—热水网路一次网侧相对流量比;—相对供暖热负荷比。根据热水网路和水一水换热器的供热和放热的热平衡方程式可得出(2-2)(2-3)式中：--热水网路一次网侧供水温度，℃;--热水网路一次网侧回水温度，℃;--热水网路一次网侧设计供水温度，℃; --热水网路一次网侧设计回水温度，℃;--水一水换热器的相对传热系数;--在运行工况时，水一水换热器的对数平均温差，℃--在设计工况时，水一水换热器的对数平均温差，℃。水-水换热器的相对传热系数一般可以按式2-4计算:(2-4)式中:--热水网路二次网侧相对流量比。二级网侧也采用质量流量调节，并使,则式(2-4)可化简为(2-5)将式(2-l)、(2-4)代入上述两个热平衡方程式(2-2)、(2-3)中，整理可得(2-6)(2-7)式(2-7)可转化为(2-8)式中：--热水网路二次网侧供水温度，℃;--热水网路二次网侧回水温度，℃;由二次网侧公式(2-9)

整理后得(2-10)将式(2-6)、(2-10)代入(2-8)后整理得(2-11)可以看出，式(2-11)右边为常数，引入常数C，设(2-12)则(2-13)由此得出:(2-14)(2-15)上述的供暖温度曲线方程中为未知数，在某一室外温度下，和的值可由供暖系统的质量-流量调节计算公式确定。通过求解即可确定质量-流量调节时的相应供,回水温度和的值。通过理论分析，可以给供热自动控制的参数控制提供依据。采用质量-流量调节方法，网路流量随供暖热负荷的减少而减少，可以大大节省网路循环水泵的电能消耗。但在系统中需要循环水泵设置变频和配置相应的自控设施，才能达到满意的运行效果。基于经济和运行上的考虑，我们认为热源的调节在一天之内应以质调为主，根据每天的负荷预测确定合适的供水温度，向热源提出供水温度的要求[6]。量调节是调节循环泵的转速，保证管网末端的供回水压差，同时控制热源的回水温度。热力系统本身是一个大的热惯性系统，且影响因素千变万化，因此做到精确控制非常困难。这是因为一方面气象条件的变化很复杂且不可准确预测，另一方供热系统本身存在严重的滞后问题，即室外气象条件的变化是绝对的，而且对室内环境产生影响存在一定的滞后，供热调节又是有条件的，不可能过于频繁地调节，而且介质的传输必然产生一定的滞后，再加上散热器系统的滞后，因此，准确的供热量需求是以负荷预测为基础的，需要较长的响应时间。但是另一方面热力系统本身又是一个大的热容系统，这就使得环境气象条件的急剧变化会被热力系统吸收，所谓以慢制快，再加上用户本身的适应能力对环境质量的要求留有余地，因此前几天的环境温度会对现在的热负荷需求产生直接的影响。所以，我们只要根据天气预报以及前几天的天气状况，建立天气预报模型系统，就可以进行较为合理准确的负荷预测.在首站热量计量已实现的基础上，通过大量理论计算、实际的运行数据及运行经验，根据天气预报等的负荷预测，完全可以拟合出室外温度和首站供热量的关系曲线。因此，按照实际需求供给热量，做到按需供热，才是最经济，最合理的运行方案。每日的室外温度在一天内会呈周期性变化，由于供热系统的热容性，可以求出当天的平均室外温度，作为下一个供热日的负荷预测依据。在此基础上可以确定首站的供热参数，包括流量和供回水温度。当采用分时段的供热方式时，可以通过每一室外温度段对应一个供暖温度的方式。换热站供水温度曲线可按一定时间内的平均室外温度平均值生成的供水温度曲线。2.4热力站系统控制原理该系统由二次供水温度控制环PID(T)和一次回水流量控制环PID(F)组成串级PID调节回路，控制功能框图如图2.3所示。图2.3控制功能框图其中T0—室外温度；T2R—二次网控制温度；P2H—二次网控制温度；PID(T)—温度控制环PID调节器；T1G—一次网供水温度；T2G—二次网供水温度；F2B—二次网补水流量；PID(F)—流量控制环PID调节器。从T2R到T2G，设计成具有流量内环，温度外环的串级控制系统，是热力站控制的主回路，二次网控制温度T2R根据室外温度经补偿运算获得，在一定的T2R下，各种扰动造成的T2G与T2R的偏差均可以通过PID(T)和PID(F)进行调节，使T2趋近T2R。二次定压补水系统，从表面看是独立于回路之外，但从整体上分析，它有着较重的作用，是整个热力站正常运行的前提。由于二次失水量是随机的，造成补水量也是随机的，并直接影响二次网供热质量。单片机控制系统必须把这个独立回路考虑进去，为此设计了补水流量F2B的前馈控制环节。通过主反馈回路虽然可以使T2G趋近T2R，但必须在T2G偏离T2R被测量后才实施调节，调节又经两级PID，造成很长滞后时间，引入补水前馈后，控制系统及时感知补水量增大（减小），在测到降低（升高）之前，只通过PID(F)加大（减小）一次水流量，使控制回路滞后时间大大缩短，有利于系统稳定[7]。一次供水温度T1G前馈的功能与二次补水前馈功能类似，无论一次网非调风气还是调风气运行在热电厂与调风锅炉房联网的质—量调节方式，T1G本身既有主动变化的因素，又有受各种随机扰动而随机变化的可能。T1G的变化直接影响T2G的稳定，因此需引入一次供水温度前馈，调节原理是:质×量=常数，即用热载体的量（流量）补偿其质（温度）的变化。2.4.1温度控制换热站的基本控制策略就是要保证二次水出口有一个恒定的预设定温度，控制元件是换热器一次网侧的电动调节阀，该阀门控制进入换热器的蒸汽的流量从而控制二次供水的温度。将预设定温度作为给定值，测量二次供水温度值作为反馈值，阀门的开度作为输出值，保证二次供水温度的恒定。预设定温度根据室外温度和二次网供回水水温调节曲线计算得出，每个换热站均安装了室外温度传感器，通过公式(y=2.381x+68.1)计算出当前的预设定温度，其中X为室外的温度。这个设定点是随着室外温度的变化而改变的。图2.4为换热站温度控制系统框图。图2.4温度控制系统框图本文重点介绍了热网首站通过检测室外温度，调节首站一次侧的电动调节阀，控制蒸汽的流量进而间接的控制二次站的供水温度，达到供热曲线(如图2.5)。图2.5二次网供回水水温调节曲线2.4.2定压补水图2.6给出了补水泵变频调速定压的调节框图。一般采用旁通管定压方式，此时压力给定值定不变，由压力传感器测出循环水泵旁通管上被调压力值，将其压力信号反馈与压力给定值比较。若不等，由调节器算出变频器的输入电流，变频器根据输入电流值，自动将频率调至其相应值，变频器将频率输出信号传给补水泵，进而改变补水泵流量，调节补水量，使恒压点压力维持恒定值。图2.6变频调速定压调节框图2.5供热系统的水力与热力工况2.5.1供热系统水力工况供热系统中流量、压力的分布状况称为系统的水力工况。供热系统供热质量的好坏，与系统的水力工况有着密切的联系。现有供热系统普遍存在的冷热不均现象，主要原因就是系统水力工况失调所致。2.5.2供热系统的定压供热系统正常运行时对水压的基本要求:保证用户有足够的资用压头(指热网提供给该用户室内系统可能消耗的最大压力)，保证散热设备不被压坏，保证供热系统充满水不倒空，保证系统不汽化，否则供热系统不能正常运行。为此，需要通过对系统的水压分析，制定合理的静水压线和恒压点。静水压线表示供热系统在静止状态下，系统内热媒的总水头值，亦即系统充水后保证系统各点都能灌满水的最低水头值。这是系统正常运行的前提条件。在供热系统运行或者停止状态下，压力始终恒定不变的点称为恒压点。同一个供热系统中，在无泄漏补水并忽略热媒体积膨胀的前提下，恒压点的压力值唯一且等于静水压线值。保证恒压点压力恒定的技术措施，称为供热系统定压。确定定压方式，是供热系统设计的重要内容。在供热系统中，供暖系统在运转或停止时，其回水管的压力水头都必须高于用户系统的充水高度，以防止系统倒吸入空气，破坏正常运行和腐蚀管道。因此维持恒压点压力恒定是供热系统正常运行的基本前提。系统的定压控制是热网控制的重要组成部分PI。供热系统的定压方式有膨胀水箱定压、补水泵定压、补水泵变频调速定压、气体定压罐定压等多种。针对乘银集中供热热网换热站的情况，这里只重点介绍补水泵变频调速定压。补水泵变频调速定压的基本原理是根据供热系统的压力变化，改变电源频率，平滑无极地调整补水泵转速，从而及时调节补水量，实现系统定压点压力的恒定[21]。图2.7补水泵系统示意图该定压方式的关键设备是变频器，其工作原理是把通常50Hz的交流电先变为直流电，再经过逆变器把直流电变换为另一种频率的交流电。由于电源频率的改变，从而达到补水泵调速的目的。频率与转速的关系可由下式表示:式中：n—异步电机即水泵转速，r/min;f—电源频率，Hz;S—异步电机转差率，即电机定子旋转磁场与转子转速之差值比;P—电机的极对数由上式可知，当P、S一定时，电机即水泵转速与输入电源的频率成正比关系。频率愈高，转速愈快，频率愈小，转速愈慢。水泵的流量G()、扬程H(m)、功率P(w)和叶轮转速n(r/min)之间有如下关系：由上式可知，水泵流量与频率也成正比关系，调节频率即调节转速，则可直接调节补水泵的补水量。由于水泵的功率与转速的三次方成正比，转速下降时，功率下降极大，故变速调节流量在提高机械效率和减少能源消耗方面是最为经济合理的。与补水泵定压相比较，补水泵变频调速定压节能效果明显。2.5.3供热系统热力工况热系统中温度、供热量、散热量的分布状况称为供热系统的热力工况，供热系统的热力工况与其水力工况有着密不可分的联系，甚至可以说水力工况研究是热力工况研究的前提。我国目前的设计规范规定:一般民用住宅的供暖实际室温t=18℃。在实际运行时，考虑到资金、燃料的不足，室温能达到16℃2.5.4水力工况对热力工况水平失调的影响在散热器的散热量与建筑物对室外耗热量达到热平衡状态下，可有如下计算公式（1）式中：—建筑物的耗热量（W）；—室外温度（℃）；—建筑物在室内外温差为1℃的热耗损失量（W/℃）；供暖系统散热器任意工况下的散热量可用下式计算：（2）式中：—室内温度（℃）；—供水温度（℃）；—散热器的有效系数；—散热器的流量热当量（KJ/(h*℃)）；将两式联立可得到计算室内温度的公式：上式反映了在供水温度，室外温度一定的情况下，建筑物室内温度与系统水流量G(WS)的关系，水流量等于设计流量时，平均室温即为设计室温。水流量愈大室温愈高，但随着流量的增加，室温增加比较缓慢;水流量小于设计流量时，平均室温低于设计室温，而且流量愈小，平均室温下降的幅度愈大。在通常的供热系统中，由于种种原因，水力工况的水平失调难以避免。我国供热系统水力工况水平失调的情况大致为:近端用户水流量是设计流量的2-3倍，远端热用户水流量是设计流量的0.2-0.5，中端热用户水流量大体接近设计流量。在这种情况下，近端热用户平均室温在20℃左右甚至更高，远端热用户平均室温常常在10℃左右甚至更低。从这里可以明显了解到，供热系统各热用户室温的不均匀性，即热力工况的水平失调，主要是由系统的热用户流量分配不均衡，即水力工况的水平失调引起的第3章控制系统硬件设计3.1控制系统硬件框图1.温度传感器目前广泛使用的温度传感器有热电偶、热电阻等，本文选择铂热电阻。其测温原理是基于“热电效应”，将温度信号(非电量信号)转换成电阻信号(电量信号)输出，测温精度高，性能稳定，抗氧化。通过相应计算、校核，得到型号Pt100输入量程0-250℃输出量程100-157.17Ω允许误差±0.12Ω使用场合热水温度及室外空气温度的检测为了消除连接导线电阻随环境温度的变化带来的测量误差，Pt100采用二线制与2.流量传感器测量流体介质的流量有许多方法，按测量原理大致分为速度式、容积式、质量式。本文选择的是速度式流量计，涡街流量计。它是基于“卡门涡街”原理，将流量信号Qm转换成线性对应的模拟信号，精度高，量程比宽，性能好，结构紧凑，压差损失小等，适用于气体、液体介质。3.压力传感器压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。换热站系统硬件原理如图3.1所示。图3.1系统硬件原理图从传感器采集的各个模拟量信号进行保持采样放大后进入模拟多路开关CD4051，再利用AD0809A/D转换器将模拟信号转换为数字量信号，以供控制、运算处理模块使用。控制、运算处理模块是整个硬件电路的核心部分，选用AT89C51单片机作主处理器。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术在一块芯片上集成了CPU、ROM和RAM存储器I/O接口等而构成的具有数据处理能力微型计算机。单片机的具有体积小、价格低、功能强、可靠性高以及使用方便灵活的特点，很容易与测控技术相结合，被广泛的应用到了家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元以及通信产品中，成为电子系统中最为重要的工具。从单片机出来的信号经过DAC0832D/A转换、和V/I转换。输出的信号用来控制调节阀。图3.2单片机最小系统3.2A/D与D/A转换器的选择3.2.1A/D转换器A/D转换电路是数据采集系统的核心电路，在A/D转换时，需要把在时间上连续的模拟量转换成代码离散的数字量。在进行A/D转换时，必需在一系列选定的瞬间（时间坐标轴一些规定的点上）对输入的模拟信号进行采样，然后把这些采样值转化为数字量。因此，一般的A/D转换过程是通过采样保持、量化和编码这三个步骤完成的，即首先对输入的模拟电信号采样，采样结束后进入保持时间，在这段时间内将采样的电压量转换为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果，然后开始下一次采样。图3.3ADC0809与单片机的连接考虑到AT89C51为8位单片机，采用8位的A/D转换器其接口电路最简单，可直接挂在数据总线上。另外温度、压力等都属缓变参量，中速的逐次逼近型A/D转换器可以满足系统要求。故选用8位ADC0809A/D转换器，这是当前最流行的中速廉价型单通道8位全MOSA/D加转换器，市场资源丰富。ADC0809A/D转换器片内带有锁存功能的8路模拟开关，可对8路O-5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等，输出具有D/A转换器系统选用DAC0832,DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个D/A芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。其主要特点如下：分辨率为8位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，20mW。图3.4DAC0832与单片机连接3.3放大电路和选择开关放大电路由于从传感器输出的电压一般比较小，在030mv之间，故要通过放大电路进行放大。采用最基本的比例运算反放大电路。图3.5放大电路选择开关换热站监控系统中共有8个测点。如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样/保持A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大。因此采用多路模拟开关。选用CD4501多路模拟开关，它是单端的8通路开关，具有双向转换功能。它采用16条双引脚的双列直插式封装。CD4501是由电平转换、译码器及8个开关电路组成的。电平转换单元可实现CMOS到TTL逻辑电平的转换功能。因此，其输入电平范围宽，数字量信号电平幅度可为3-20V，模拟量信号的峰-峰值可达20V。其译码器具有禁止功能，便于对通道状态的控制和通道数的扩展。图3.6选择开关与A/D选择的连接3.4电源电路本设计需要为单片机AT89C51和其他外设提供工作电源，稳压电源应由电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路组成。整流作用是将交流电压变换成脉动电压，滤波电路一般由电容组成，作用是将脉动电压中的大部分纹波加以滤除，得到较为平滑的直流电压。由于得到的输出电压受负载，输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定的电压添加了稳压电路。此单片机系统及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。具体的电路图如下所示：12V电源电路原理图图3.712V电源电路5V电源电路原理图图3.85V电源电路3.5V/I转换电路AD694是AD公司的产品它是一种4-20mA转换器，适当接线也可以使其输出范围为0-20mA。其主要特点是：输出信号范围4-20mA或0-20mA；输入信号范围：0-2V或0-10V；工作电源范围宽：4.5-36V；输入端带有缓冲放大器；具有开路或超限报警功能；图3.9DAC0832与V/I转换电路的链接图3.6RS232接口电路RS-232接口是目前最常用地一种串口通信接口。它的全名叫“数据中断设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口标准”，是1969年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通信的标准。目前在PC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232接口。采用RS-232总线连接系统时，有近程通信方式和远程通信方式之分。近程通信指传输距离小于15m的通信，这时可以使用RS-232C电缆直接连接;当两台PC系列机进行近距离点对点通信，或PC系列机与外部设备进行串行通信时，可将两个数据终端设备直接连接，而省去作为数据通讯设备的调制解调器，这种连接方法称为零调制解调器连接。在这种连接中，计算机往往貌似调制解调器，从而能够使用RS-232标准。在这次设计中采用了最简单的连接方法，连接方法直接将“接收数据”与“发送数据”交叉连接，其余的信号均未用，可用软件实现握手功能。图3.10RS232接口电路3.7显示电路这里选用LCD1602做演示。LCD1602特性：+5V电压，对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，有80字节显示数据存储器DDRAM，内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM，8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM图3.11显示部分电路图3.8键盘电路键盘的组成形式一般有两种：独立式键盘与矩阵式键盘。独立式键盘就是每个按键相互独立，各接一根I/O口线。矩阵式键盘又称行列式键盘。用I/O接口线组成行、列结构，按键设置在行、列的交点上。因此在按键需求较多的场合，独立式键盘由于占用较多的I/O端口，难以满足设计要求。利用矩阵式键盘，能够用较少的端口实现较多的按键。本设计中采用矩阵式键盘结构，图为键盘与主控制器的接口电路图：图3.12键盘电路第4章控制系统软件设计4.1系统主程序流程图系统软件是自动控制系统的一个关键组成部分，软件的质量关系到整个控制系统的效率和性能。软件的设计、开发、调试及维护常常要花费巨大的精力和时间。一个好的软件应具有正确性、可靠性、可测试性、易使用性及易维护性等多方面的性能。图4.1所示为监控主程序流程图，监控主程序上电复位后首先执行，程序从0000H开始执行，首先进入系统初始化模块，即设置堆栈指针、初始化RAM单元和通道地址等.接着程序执行自诊断模块，检查仪器硬件电路和软件部分运行是否正常。若诊断结果正常，程序便进入显示模块、键扫描与处理模块、通讯模块的循环圈中。在监控主程序执行过程中，通过键盘和显示器进行人机对话。图4.2为自诊断程序流程图，在该程序中，先设置1测试数据，由D/A电路转换成模拟量输出，再从多路开关4通道输入，经放大和A/D转换后送入主机电路，通过换算判断该数据与原设置值之差是否在允许范围内，若超出这一范围，表示系统异常，以便及时处理。图4.1监控主程序流程图图4.2自诊断程序流程图4.2控制程序流程图控制程序由采样程序、数字滤波，标度变换和线性化处理、判断通道、超限报替、补水泵切换模块以及循环水泵切换等模块组成，其框图如图4.3所示。其中1通道为二次网供水温度，8通道为室外温度，6通道为二次网流量。采样周期为1s，时钟中断信号发出中断，主机响应后，即执行控制程序。数字滤波模块的功能是滤除输入数据中的随机干扰分量。采用算术平均值滤波方法。图4.3控制程序流程图4.3部分模块流程图补水泵模块流程图两台补水泵在工作时，其中有一台补水泵处于变频调速状态，而另一台补水泵为工频恒速或停机等待状态。水泵切换程序是根据设定的压力与压力传感器检测到的现场压力信号之差△P来控制的。当△P>0时，增加输出电流的大小，提高变频器的输出频率，从而使变频泵转速加快，实际水压得以提高;如果△P<0，则降低转速，使实际压力减小.如果实际压力太小，某台调速泵调整到最大供水量仍不足以使△P=0，则该台变频泵切换至工频，而增加下一台泵为变频工作;如果实际压力太大，本台调速泵调整到最小供水量仍不足以使△P=O，则关闭上次转换成工频的水泵，再进行调整。这样，每台泵在工频和变频之间切换，做到先开先停，后开后停，即所谓的循环调频，各泵均衡运行，合理利用资源，延长泵的使用寿命，减少维护量和维护费用。水泵切换程序如图4.4所示。图4.4补水泵切换程序流程图循环泵模块流程图在不同室外温度阶段，开启不同的循环泵台数:气温在-20℃以下，开启三台循环泵;气温在-20℃-10℃时，则开启两台循环泵;气温在-10℃图4.5循环泵切换程序流程图4.3.3A/D转换模块流程图本实验测量电路测得的电压值为模拟信号。要将此模拟量转换成数字量，从而送入单片机处理。此A/D转换过程也叫数据采集。该部分的采样过程为：分别设采样次数和采样数据位置首地址，启动A/D转换，等本次采样结束，延时一段时间，进行下一次采样。直到全部采样结束。采样子程序流程如图所示：图4.6A/D转换子程序键盘模块流程图本设计中选择程序扫描法对键盘进行识别，读取键状态。程序扫描实际上是指在特定的程序位置段上安排键盘扫描程序读取键盘状态，主要完成判断键是否被按下、按键消抖处理、按键定位等操作。扫描过程实际上是先使列线输出全为低电平，然后判断行线状态，若行线全为高电平，表示无键被按下；若行线不全为高电平表示有键被按下，然后依次使每条列线为低电平，再判断行线状态，当行线全为高电平时，表示被按下的键不在本列；当行线不全为高电平时，表示被按下的键在本列，把此时的行线状态与列线状态合在一起即为被按下的键的位置。具体步骤如下：（1）检测是否有键按下。方法是先使P2.4～P2.7输出全为0，然后读P2.0～P2.3的状态，若为全1则无键闭合，否则表示有键闭合。（2）有键闭合后，调用20ms延时子程序，消除按键抖动的影响。（3）确认键闭合后，接着判断为哪一个键闭合。方法是对键盘进行扫描，即依次给每一条列线送0，其余各列都为1，并检测每次扫描的行状态。每当扫描输出某一列为0时，相继读入行线状态。若为全1，表示为0的这列上没有键闭合。若不为全1，表示为0的这列上有键闭合。确定了闭合键的位置后，就可以计算出键值，即产生键码，然后根据键值进行相应的散转处理。程序扫描法按键识别流程图如图所示:图4.7按键识别流程图由于在设计中，充分考虑到硬件满足现场控制的要求，在硬件设计上留有一定的冗余，随着换热站设计规模的不同，环境的变化，用户对舒适性要求不同，希望系统也能随着调整。因此在软件设计上，采用结构化和模块化的设计方法，使得程序简单易值，便于整个系统软件的更新升级和及时维护。第5章系统抗干扰分析5.1系统抗干扰分析自动控制系统的可靠性是由多种因素决定的。其中，系统的抗干扰能力是衡量其可靠性的一个重要指标。在系统的运行过程中，各种干扰散布在工作空间。所谓干扰就是系统内部或外部无用信号对有用信号的不良作用。由于干扰信号的存在，会导致较大的数据采集误差和执行器的误动作。为了提高数据采集的精度和执行器动作的准确性，就必须消除或抑制噪声干扰，把抗干扰作为自控系统设计中的不可忽视的一个重要内容。图5.1系统干扰类型图如图所示，空间干扰(场干扰)通过电磁波辐射窜入系统;过程通道干扰通过与主机相连的前向通道、后向通道及其它主机的相互通道窜入;供电系统的干扰通过传输线窜入系统。1.空间干扰的解决一般而言，空间干扰在强度上远小于其它两个渠道窜入的干扰，可采用良好的屏蔽与正确地接地、高频滤波、绞扭线对法加以解决。2.供电系统干扰的解决任何电源及输电线都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰。其表现为过压、欠压、停电、浪涌、下陷、降出、尖蜂电压、射频干扰等。可采用下列措施加以解决:（1）使用交流稳压器。用来保证供电的稳定性，防止电源系统的过压、欠压，抑制电网电压的波动，提高整个系统稳定性;（2）使用隔离变压器。由于高频干扰是通过变压器的初、次级之间的寄生电容耦合的。因此，将隔离变压器的初、次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抗共模干扰等;（3）使用电源低通滤波器。由谐波频谱分析可知，电源系统的干扰大部分是高次谐波，所以使用低通滤波器滤去高次谐波，让50Hz市电基波通过，以改善电源波形;（4）使用分散独立功能块供电。在每块系统功能模块上用三端稳压集成块组成稳压电源，每个功能块均设电压过载保护。既有利于电源散热，减少公共阻抗的相互耦合以及和公共电源的相互耦合，而且不会因为某块稳压电源的故障，而使整个系统发生瘫痪，极大地提高供电的可靠性。3.过程通道干扰的解决过程通道是前向接口、后向接口与主机相互之间进行信息传输的路径，在过程通道中，长线传输的干扰是主要因素。传输线上的信息多为脉冲波，它在传输线上传输时会出现延时、畸变、衰减和通道间的干扰。可采用下列措施来保证长线传输的可靠性:光电耦合隔离措施。采用光电耦合器将主机与前向、后向以及其它主机部分的电路联系切断，能有效地防止干扰从过程通道进入主机，抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，提高过程通道的信躁比;长线传输的阻抗匹配。长线传输时，阻抗不匹配的传输线会产生反射，导致信号失真。阻抗匹配可从始端匹配、终端匹配两方面进行。良好的阻抗匹配可减少信息波的反射和振荡提高动态抗干扰能力;双绞线传输。双绞线与同轴电缆、扁平带状电缆相比，具有波阻抗高、抗共模噪声能力强的特点，能使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消，对电磁场有一定的抑制效果。但对接地与节距有一定要求，须阻抗匹配。长线的电流传输。长线传输时，用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。本文采用变送器直接输出4-20mADC电流在长线上传输，而在接收端可并上精密电阻250Ω(型号RJJ-0.25W)，将此电流转化为1-5VDC的电压，然后送入A/D转换器。接地在自动控制系统抗干扰中占有重要地位。地线类型有:信号地(模拟信号地、数字信号地、信号源地)、功率地、屏蔽地、交流地、直流地。实践证明，接地是抑制干扰的重要方法，良好、正确地接地与屏蔽有机的结合，可在很大程度上抑制内部噪声干扰，防止外部干扰的窜入，解决