蒸汽鍋爐溫度測控儀的研究

馮華勇，曾穎峰，王俊英

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000）

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，特別是在建材、機(jī)械、冶金、化工、食品、石油等各類工業(yè)中，許多物理與化學(xué)變化過程都和溫度密切相關(guān)，因此溫度控制在生產(chǎn)自動化中占有重要的地位。

在蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)中，我們采用單片機(jī)作為鍋爐溫度測控儀的控制核心，實(shí)現(xiàn)溫度的檢測，顯示，設(shè)定，控制等功能。溫度測控儀的目的在于實(shí)時掌握鍋爐蒸汽溫度和鍋爐爐膛溫度。對鍋爐蒸汽溫度測控的意義可以從節(jié)能和安全兩個方面探討，蒸汽溫度過高將危及鍋爐過熱器，降低循環(huán)效率，蒸汽溫度過低，會影響安全運(yùn)行。此外，對鍋爐爐膛溫度測控的意義在于可以監(jiān)視過熱點(diǎn)，減少非計(jì)劃性停機(jī)和機(jī)會所帶來的損失，延長爐子的使用壽命、降低消耗成本，節(jié)約開支，防止焦化現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1 溫度測控儀的工作原理

對于溫度測量傳感器選用鉑電阻，鉑電阻在高溫中有較好的物理和化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性，對于該系統(tǒng)的蒸汽溫度測量以及爐膛溫度的測量非常實(shí)用。依測量原理該溫度測控儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該溫度測控儀的工作原理將溫度的變化反應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，再將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號送入到單片機(jī)中處理，處理后的結(jié)果控制固態(tài)繼電器開關(guān)電熱管，從RS485反饋到監(jiān)控平臺。

2 溫度測控儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 89C52

89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品， 89C52內(nèi)置8位中央處理單元、256Byte內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、8k片內(nèi)程序存儲器（ROM）和32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計(jì)數(shù)器、5個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。此外，89C52還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內(nèi)其他功能。

2.2 溫度測控儀的測溫電路

選用XTR103變送器作為4 20mA電流的標(biāo)準(zhǔn)變換芯片如圖2所示，XTR103可對鉑電阻做電流的激發(fā)，放大處理，40:1的線性處理。同時XTR103工作的溫度范圍較寬（-40℃ 85℃），工作電壓可以在（+9V 40V）之間，在此儀表中選取+12V。該變送器將溫度變化反應(yīng)為鉑電阻值的變化，變化的電壓差值送入XTR103做處理，對應(yīng)得到標(biāo)準(zhǔn)的4 20mA電流。圖中XTR103的4、13腳輸出8mA的電流，鉑電阻在0℃的阻值為100?，通過電流8mA的電壓降為0.8V，R2選用的精密電阻亦為100?，13腳輸出8mA電流產(chǎn)生的壓降亦為0.8V，在鉑電阻與R2產(chǎn)生的壓降之差0V通過差分輸入的方式輸入到3、4腳（IN+IN-），對應(yīng)流出的電流為4mA。若溫度上升到300℃時，對應(yīng)電阻值為212.03?，差分輸入的電壓Ui=0.089624V，此時電流為滿偏電流20mA，計(jì)算式可以由Io=4mA+（0.016+40/R3）×Ui得到，所以可以推出R3約等于250?。此外，電流源穩(wěn)定輸出與測溫范圍還有一定的關(guān)系，R5可以作為一個電流線性化的電阻。計(jì)算式可以為I1=I2=0.8+（500×Ui）/R5，I1、I2為恒流源輸出，Ui為測量范圍。在此實(shí)際電路中R5取1229?。15腳外接三極管2N4922作為驅(qū)動器，二極管1N4148防止倒流。電容C1為0.01uF濾波。當(dāng)電阻與電流變換成線性關(guān)系后要送入CPU進(jìn)行處理還需將電流轉(zhuǎn)化為電壓后A/D轉(zhuǎn)換，而考慮到TI 公司配送RCV420精密I/V轉(zhuǎn)換芯片固可以按如圖連接，輸出（0 5V）的標(biāo)準(zhǔn)電壓。

2.3 溫度測控儀的控制電路

在如圖3所示的溫度測控儀的控制電路中，可以將測溫電路出來的0 5V的電壓送入A/D轉(zhuǎn)化芯片進(jìn)行處理。在此選用AD7888高速低功耗8通道12位串行轉(zhuǎn)換器。對于鍋爐加熱控制儀溫度采集點(diǎn)為5個，這里可以擴(kuò)展至8路，每一路均為鉑電阻經(jīng)XTR103變換為電流通過RCV420轉(zhuǎn)換為（0 5V）電壓，AD7888的外部基準(zhǔn)電壓為+1.2V VCC，內(nèi)部為+2.5V，此處選用TI公司的基準(zhǔn)電壓芯片REF02，輸出+5V的基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓送入AD7888作為外部基準(zhǔn)輸入，AD7888內(nèi)部有一個8位的只寫寄存器，該8位寄存器控制著工作狀態(tài)和方式，兩個功率管理位PM0、PM1控制AD7888工作模式，正常工作、完全關(guān)斷、自動關(guān)斷、自動等待。一個基準(zhǔn)位REF控制選擇片內(nèi)基準(zhǔn)還是片外基準(zhǔn)，在該儀表中此處應(yīng)當(dāng)選擇禁止內(nèi)部基準(zhǔn)。三個通道選擇為ADD0、ADD1、ADD2，選擇模擬輸入通道 1～8。為保證AD7888正確操作ZER0位寫0，另外還有一位DONTC無任何實(shí)際意義。對于該寄存器的訪問可以控制引腳CS、DIN、SCLK。CS為片選位，SCLK為串行時鐘信號，DIN為寫寄存器數(shù)據(jù)位，AD7888的8為寄存器的數(shù)據(jù)由此引腳寫入。而A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)通過DOUT引腳輸出到單片機(jī)。具體時序可參照AD7888芯片資料。此儀表還額外增加了4個按鈕，該按鈕可以設(shè)置工作溫度檢測數(shù)量，溫度值上下限。一個復(fù)位芯片X25045定時送入時鐘避免單片機(jī)因故障發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象，另外串行時鐘信號與AD7888共用，僅用CS2作為片選區(qū)別信號，并且還將按鍵數(shù)據(jù)、預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)、密碼數(shù)據(jù)送入X25045的內(nèi)部存儲空間，掉電不丟失。

2.4 溫度測控儀的驅(qū)動電路

當(dāng)溫度測控儀的控制電路中的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在單片機(jī)中運(yùn)算處理后即可發(fā)出控制指令控制P0口的6個固態(tài)繼電器通斷。由于P0口做IO驅(qū)動需外加上拉電阻，故在此選用500?電阻，既作為上拉電阻亦作為限流電阻。固態(tài)繼電器為三相的，一端連接配電箱出來的三相電源，另一端連接三相加熱管。通過控制固態(tài)繼電器的通斷來控制蒸汽鍋爐加熱時間的長短。

2.5 溫度測控儀的顯示電路

為了更方便直觀的觀測設(shè)置溫度值，該儀表還設(shè)置了5個LED顯示器。第一個顯示為功能或通道顯示，可由按鍵選擇，后面4位為溫度值（0 999.9℃）。該顯示的驅(qū)動選用MAX7219共陰極顯示驅(qū)動器可以驅(qū)動8個LED顯示器掃描速率800HZ、8位數(shù)據(jù)、多路復(fù)用方式，串行數(shù)據(jù)輸入。

3 溫度測控儀軟件設(shè)計(jì)

溫度測控儀的程序流程圖如圖4所示。

在圖4中，初始階段對所有芯片顯示進(jìn)行初始處理，將預(yù)設(shè)在復(fù)位芯片X25045中的數(shù)據(jù)取出，送入單片機(jī)89C52中進(jìn)行控制處理，同時打開定時器，設(shè)置中斷優(yōu)先級，掃描外部通道AD轉(zhuǎn)換顯示，再掃描外部鍵盤看是否有變化，有則做鍵盤處理，無則循環(huán)繼續(xù)掃描外部A/D，同時隨時等待中斷，定時器1做溫度控制處理，每隔1秒檢測溫度的變化情況作溫控處理，串口中斷主要接收發(fā)送Modbus協(xié)議處理數(shù)據(jù)，定時器2中斷主要用于Modbus數(shù)據(jù)幀時間間隔的處理。

4 結(jié)論

本溫度測控儀共5個測溫點(diǎn)，每個PT100測溫點(diǎn)的信號處理均將電阻的變化通過XTR103表現(xiàn)為電流的變化再通過RCV420反應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，根據(jù)實(shí)際的需要可以外擴(kuò)至8個。溫控方案采用成熟的模糊控制技術(shù)，根據(jù)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的差值以及溫度升高的速度來調(diào)整加熱的時間達(dá)到目的。從而實(shí)現(xiàn)了蒸汽鍋爐的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這對于蒸汽鍋爐自動化控制具有一定的實(shí)踐使用價值。

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