基于PLC的采暖爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制

武冬梅

WU Dong-mei

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政與路橋?qū)W院，呼和浩特 010070）

0 引言

在中國(guó)，采用鍋爐取暖主要以煤為燃料，不僅是鍋爐取暖，我國(guó)能源的供應(yīng)也是以煤為主。燃?xì)獯嫒济翰膳歉纳票狈降貐^(qū)冬季環(huán)境質(zhì)量的重要措施。我國(guó)北方城市多年來(lái)一直采用集中供熱方式，國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行情況說(shuō)明，這種供熱方式技術(shù)上成熟[1]，也是比較經(jīng)濟(jì)的。但近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和體制的改革，使集中供熱面臨著一些社會(huì)矛盾，主要是包燒費(fèi)收繳困難及因此帶來(lái)的供熱質(zhì)量得不到保證。因此，家庭燃?xì)獠膳绞皆絹?lái)越受到家庭用戶的青睞而得到發(fā)展。

在鍋爐汽包燃燒系統(tǒng)中安全是首要指標(biāo)，在安全體現(xiàn)中溫度是核心因素，溫度過(guò)高或者過(guò)低都不利于鍋爐汽包燃燒系統(tǒng)的正常運(yùn)行。溫度過(guò)高則會(huì)引起管壁結(jié)垢從而傳熱量效率變低，過(guò)低則會(huì)影響部分水冷壁的水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起爆炸，所以在鍋爐運(yùn)行中，保證溫度在正常范圍是非常重要的。

1 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

1.1 采暖系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1中主要加熱系統(tǒng)主要有：電暖器、電鍋爐、大型熱泵、家用熱泵。

1.2 溫度控制系統(tǒng)

圖1 各種形式的采暖供熱系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。溫度采集器中爐出口溫度調(diào)節(jié)器輸出的溫度值傳給爐膛溫度調(diào)節(jié)器，爐膛溫度調(diào)節(jié)器把把該輸入值作為把本省調(diào)節(jié)器溫度設(shè)定值值[2]，同時(shí)在這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中爐出口溫度為主被控參數(shù)，爐膛溫度為副被控參數(shù)。溫度信號(hào)可輸入溫度信號(hào)采集電路，進(jìn)入到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有A/D和 D/A轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)采用溫度串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)以及在材料上采用了高精度的鉑電阻傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量與控制，且以單片機(jī)作為核心進(jìn)行溫度控制，在軟件控制中采用通用PID算法，由PID運(yùn)算進(jìn)行數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。最有通過(guò)模型信號(hào)進(jìn)行可控硅控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的高精度控制[3]。

圖2 溫度控制系統(tǒng)邏輯框圖

溫度控制部分采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它能夠?qū)囟戎苯愚D(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，可以通過(guò)一根數(shù)據(jù)線與單片機(jī)進(jìn)行通信，而且它不需要外部元件，在-10℃～85℃范圍內(nèi)可以精確到+0.5℃。完全滿足設(shè)計(jì)要求。這樣設(shè)計(jì)就可以不使用A/D轉(zhuǎn)換器，從而使系統(tǒng)的精度得以提高，也能夠大大節(jié)省單片機(jī)得系統(tǒng)資源，所以我又加了DS1302時(shí)鐘模塊電路，使時(shí)間能夠?qū)崟r(shí)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體電路框圖

本設(shè)計(jì)以STC89C52RC單片機(jī)為主控核心設(shè)計(jì)的一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，低溫時(shí)可控制加熱設(shè)備，高溫時(shí)控制風(fēng)扇，超出設(shè)定最高溫度值時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲響報(bào)警。

STC89C52RC單片機(jī)為40引腳雙列直插芯片,有四個(gè)I/O口P0,P1,P2,P3, MCS-51單片機(jī)共有4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨(dú)立地作輸出或輸入。

2.2 溫度采集設(shè)計(jì)

DS18B20在惡劣環(huán)境中具有抗干擾性的特點(diǎn)，其主要原因是支持一線總線，該技術(shù)比較適合在惡劣的環(huán)境溫度測(cè)量.它具有體積小等特點(diǎn)，在微小體積重集成了各類型傳感器和各種轉(zhuǎn)換電路。同時(shí)DS18B20的測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃,在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，9～12位分辨率設(shè)置，精度為±0.5℃。以及報(bào)警溫度值設(shè)置固化入EEPROM。

DS18B20的主要特點(diǎn)：

1）電源：電源接入方式以及電源范圍更靈活與寬，支持?jǐn)?shù)據(jù)線電源供電。

2）微處理器與DS18B20通信通信更加方便:支持通過(guò)單線鏈接實(shí)現(xiàn)雙向通信的功能；

3）組網(wǎng)方式更加靈活:支持多點(diǎn)組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)控與測(cè)溫度。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上只需要采用多個(gè)設(shè)備并聯(lián)在三線上即可。

4）高度集成：DS18B20體積小，但其內(nèi)部已經(jīng)集成了各類型的傳感器和轉(zhuǎn)換器。在于外界鏈接時(shí)候，不在需要單獨(dú)加入其它轉(zhuǎn)換器設(shè)備。

在溫度控制范圍以及可編程分別率范圍更寬，可以滿足高精度測(cè)溫的要求。

在可編程分別率中9位分別率和12位分別率在溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字速率可以達(dá)到93.75ms和75ms就可以實(shí)現(xiàn)溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

結(jié)果顯示更直觀和在抗干擾、糾錯(cuò)能力上更強(qiáng)勁。直接進(jìn)行數(shù)字溫度信號(hào)輸出與CRC校驗(yàn)碼。

5）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作[5]。

DS18B20中的VDD引腳可以解決電源電流不足的問(wèn)題，可以保證設(shè)備的轉(zhuǎn)換精度，但需要注意的是在這種模式下GND引腳不能為空，負(fù)責(zé)會(huì)影響到設(shè)備的轉(zhuǎn)換。

在溫度數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸分為并行傳輸和串行傳輸，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要采用并行數(shù)據(jù)傳輸，以字或字節(jié)為單位，這樣可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體軟件框圖

總體軟件框圖如圖3所示。

圖3 總體軟件框圖

3.2 溫度數(shù)據(jù)采集

單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換需要進(jìn)行三個(gè)操作，第一個(gè)是復(fù)位操作，然后是發(fā)出ROM指令，最后進(jìn)行RAM指令。當(dāng)設(shè)備發(fā)出60～240微秒低脈沖后表示復(fù)位成功。

3.3 PID控制程序設(shè)計(jì)

PID控制技術(shù)是在模擬量閉環(huán)控制工業(yè)領(lǐng)域中是最歷史悠久，最成熟的技術(shù)。其內(nèi)容包含：P(比例控制)、I(在積分控制)、D(微分控制)。

1）比例控制(P)：其具有能快速反應(yīng)的特點(diǎn),雖誤差不能消除，但可以減少到最低，在內(nèi)容上控制器的輸出誤差與輸入誤差信號(hào)成正比。

2）在積分控制(I)：它具有消除余差的功能，但同時(shí)具有滯后性。其在控制關(guān)系上控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比。

3）在微分控制(D)中，具有誤差預(yù)測(cè)功能，但無(wú)法消除余差，其控制關(guān)系與輸入、輸出誤差信號(hào)微分成正比。

PID控制，中P,I,D 三者相互作用，只有當(dāng)找到P,I,D合理的平衡點(diǎn)，才可以發(fā)揮其最好搞的質(zhì)量控制。

3.3.1 PID控制算法

在本控制系統(tǒng)中，出口溫度傳感器的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)提供給爐膛溫度傳感器，同時(shí)爐膛溫度傳感器的溫度傳輸給DS18B20進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換。然后將兩路模擬信號(hào)經(jīng)通過(guò)PID模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制。

PID控制器通過(guò)回路輸出控制使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定值。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系:

控制器的輸出為：

u(t )為PID回路輸出；

Kp為比例系數(shù)P；

Ti為積分系數(shù)I；

Td為微分系數(shù)D。

PID調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為：

系統(tǒng)在處理這類函數(shù)時(shí)候，首先必須做到先把連續(xù)函數(shù)進(jìn)行離散化，然后進(jìn)行對(duì)離散化結(jié)果偏差進(jìn)行周期性采樣，最后得出其結(jié)果。所以PID輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為:

式中，

up(n)=Kpe(n)為比例項(xiàng)；

從上面的式子可以看出積分項(xiàng)已經(jīng)包含了所有采樣周期的誤差累積值，所以當(dāng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所有誤差項(xiàng)不再使用，只需要保留積分累積項(xiàng)即可。所以在本系統(tǒng)中可以利用單片機(jī)中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量。

3.3.2 回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法

在本自動(dòng)控制中，由于溫度信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)溫度信號(hào)不是一個(gè)級(jí)別，所以首先要先將測(cè)量的穩(wěn)定信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)溫度值，這一個(gè)過(guò)程叫PV過(guò)程變量，過(guò)程變量主要和PID回路輸出有直接關(guān)系。所以溫度傳感器輸入電壓信號(hào)后經(jīng)過(guò)A/D,D/A轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換為整數(shù)值。以此同時(shí)由于PID執(zhí)行指令需要的是實(shí)數(shù)值，所以還需要通過(guò)DTR吧這個(gè)整數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)型，在本設(shè)計(jì)中主要通過(guò)IW0讀入溫度讀入改實(shí)數(shù)值，其轉(zhuǎn)換程序如下:

3.3.3 實(shí)數(shù)歸一化處理

由于PID對(duì)參數(shù)輸入值范圍要求很嚴(yán)格，除了PID中采用時(shí)間和P，I，D參數(shù)外，其他輸入?yún)?shù)必須在0.0～1.0之間，必須對(duì)PV、SP結(jié)果值進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理。其單極性的歸一化的公式：

3.3.4 PID參數(shù)整定

PID參數(shù)整定是指確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td三者指標(biāo)的調(diào)整。其P,I,D數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

在顯示生活中一般采用，經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法進(jìn)行參數(shù)整定。

在本論文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用經(jīng)驗(yàn)法，其原理就是根據(jù)對(duì)具體控制對(duì)象的具體要求，從典型控制電路程序的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行選擇、調(diào)試、修改梯形圖，以及通過(guò)反應(yīng)曲線進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，并總結(jié)出新規(guī)律。此種方法最大優(yōu)點(diǎn)就是不需要預(yù)先計(jì)算。

3.3.5 整定結(jié)果及分析

當(dāng)鍋爐鋼啟動(dòng)加熱時(shí)，處于常溫，此時(shí)sppv=ΔU值很大，此時(shí)PID模塊就會(huì)采用P模式進(jìn)行控制。使鍋爐不斷加熱，當(dāng)溫度超過(guò)30℃時(shí)由于sp-pv=ΔU變?yōu)樨?fù)數(shù)，通過(guò)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行對(duì)鍋爐減壓，使?fàn)t溫降低，最終實(shí)現(xiàn)sp-pv=ΔU為零時(shí)系統(tǒng)就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文中單片機(jī)按照一定的控制算法對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到控制量，以控制電機(jī)的功率以及PID控制算法，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。當(dāng)傳感器檢測(cè)出的環(huán)境溫度偏低時(shí),控制繼電器,實(shí)現(xiàn)電暖爐的開與關(guān)的狀態(tài)；當(dāng)傳感器檢測(cè)出的環(huán)境溫度偏高時(shí),隨著溫度的改變,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速作出相應(yīng)的改變；通過(guò)時(shí)鐘芯片DS1302自動(dòng)控制電機(jī),使其在某個(gè)時(shí)間段不工作。當(dāng)環(huán)境溫度超出了設(shè)定值時(shí),蜂鳴器發(fā)出聲響報(bào)警。

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