冷冻机蒸发温度控制智能仪表设计

史洪宇,郑 毅

(1.惠州学院电子科学系,广东惠州516007;2.上海交通大学自动化系,上海 200030)

冷冻机蒸发温度控制智能仪表设计

史洪宇1,郑 毅2

(1.惠州学院电子科学系,广东惠州516007;2.上海交通大学自动化系,上海 200030)

以PIC16C73A微控制器为核心,采用软件滤波、低通滤波等技术,着眼于可靠性,设计了一种工业现场用温度智能仪表.该智能仪表可通过控制冷冻机冷却水流量对冷冻机蒸发温度进行控制,并且具有显示、报警等功能,可靠性强,易于升级,还可以应用于中央空调冷水机组.

智能仪表;冷冻机;可靠性;抗干扰;蒸发温度

0 引言

目前,国内大型空气分离(空分)装置大多采用全低压空分流程.而这类空分流程在空气进入分子筛吸附器之前,都需要冷冻机对空气进行预冷,预冷后的空气温度要求比较严格,如果温度过高会引起空分跳车.这就需要控制好冷冻机的蒸发温度,加之空分装置一般属于钢铁、化工企业的公用工程,故对冷冻机蒸发温度控制可靠性要求较高.冷冻机的蒸发温度通常通过冷冻机的冷凝器冷却水流量控制,但一般情况下冷冻机的供货商与空分装置的工程承包单位为不同的单位,所以在冷冻机的控制柜中并没有包含这部分.在日常工作中一般由操作工手动操作.手动操作降低了空分装置运行的可靠性和安全性,同时也增加了操作人员的工作量.

智能仪表在工业自动化检测与控制系统中得到广泛应用.它集被测量的数据显示和控制报警为一体,是一种通用型二次仪表[1].目前国内流行的数显控制仪多是20世纪80年代设计的,在实际应用中用户已发现有以下不足:①精度低.显示精度一般为0.5%FS,最高达到0.2%FS,模拟输出精度不超过0.5%FS,这是因为该产品多采用8位D/A转换器DAC0832实现受控恒压、恒流输出,D/A转换器的分辨率为0.4%FS,而调节余量要求D/A转换器量程不能用满,再加上D/A转换器本身的误差,故精度已很难超过0.5%FS.②可靠性不高,由于电路(除微控制器外)大量采用分立元件,其性能的一致性无法保证,必然降低整个产品的可靠性,同时生产成本也相应提高.

随着半导体技术的飞速发展和工业现场对仪表功能要求的不断提高,高显示精度及可靠性已成为一个重要的发展方向[2].一些著名公司如西门子、罗斯蒙特、Smar等所生产的智能变送器等一次仪表,精度一般为0.1%FS,高的可达到0.05%FS甚至0.02%FS[3].

1 冷冻机蒸发温度分析

1.1 冷冻机流程

图1为一台二次节流的冷冻机流程,制冷剂进入压缩机,被压缩到1.3MPa左右,进入冷凝器.在冷凝器中制冷剂被冷却水冷却到30℃左右液化,然后通过节流阀Ⅱ节流,节流后气体导入压缩机吸气口,液体经节流阀Ⅲ节流后进入蒸发器,压力约为0.42 MPa.在蒸发器中制冷剂被冷冻水加热蒸发(蒸发温度8℃～12℃),变为气态的制冷剂进入压缩机吸气口继续进行热力循环.

1.2 蒸发温度控制物理原理

结合图1及冷冻机热力循环T-S图知,在冷冻水流量保持不变(约40 t/h),由动力装置提供的冷却水温度不变的情况下,如果增加冷却水流量,由于冷却水流速增加,使冷却器换热系数提高,热流密度增加,结果冷凝器中的制冷剂向冷却水传递的热量增加,制冷剂温度下降.节流后制冷剂液汽比增加,如果提供相同冷量,即冷冻水流量、出口温度不变的情况下,制冷剂蒸发压力降低,故蒸发温度也要降低,冷冻水温度也要随之下降,冷冻机制冷量增加.简言之,冷却水流量增加,冷冻机制冷量增加,冷冻水温度下降.反之,如果减少冷却水流量,冷凝压力升高,冷冻机制冷量减少,冷冻水温度升高.这样,我们就可以通过控制冷冻机冷凝器中冷却水流量来控制冷冻机冷冻水出口温度.

图1 冷冻机流程Fig.1 Refrigerator process

2 冷冻机蒸发温度控制器

2.1 系统框图

系统框图如图2所示.考虑到所测量的温度范围为0℃～20℃,控制范围为8℃～12℃,并且Pt100价格较低.所以选择Pt100作为温度传感器,其信号输出范围0～20 mA.

图2 冷冻机蒸发温度控制器系统框图Fig.2 System block diagram of evaporation temperature control of refrigerator

为保证冷凝器水侧不出现大的死区(即冷凝器顶部被空气占用,使冷凝效果下降,冷凝器工作不正常),选择在冷凝器冷却水出口安装调节阀.在空分装置紧急停车或配电出故障等紧急情况下,工艺要求冷凝器壳侧充满水,这就要求在掉电或断气(仪表气)情况下冷凝器冷却水出口调节阀门处于关闭状态,因此调节阀选择气开式.

2.2 技术要求

①要求模拟量输入通道≥4个;②具有5位LED;③状态参数具有掉电保护;④输出一路电压信号0～5 V;⑤系统在工业环境下能可靠工作;⑥具有现场调试和维护功能;⑦系统设备之间的信号为开关量,4路输入,4路输出.

3 硬件设计

(1)主机芯片选择

高频信号在传输过程中,会伴随电磁波的辐射,引起电路板上元件间的相互干扰,因此选用外时钟频率低的单片机可以降低干扰程度,提高系统的可靠性[4].由于系统对实时性有一定要求,因此应以运行速度快的单片机为首选方案,而不是提高系统的时钟.PIC系列采用长字节指令,所有指令均为单字长,除跳转指令为双周期指令外均为单周期(4个时钟周期)指令.相对其他系列单片机而言,PI C单片机运行速度是很快的,在运行速度相同的前提下,可选择外时钟频率低的PI C单片机,以提高抗干扰能力[5].

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微处理器选用PI C16C73A,它具有功耗低、运行速度快、功能强等特点,采用长字节指令,所有指令均为单字长,除跳转为双周期指令外均为单周期(4个时钟周期)指令.内含看门狗、8级硬件堆栈、192×8 RAM、3个定时器、2个捕捉器、5路8位A/D转换器、一个SPI/I2C共用同步串行口、一个异步发送/接收串口US-ART、多种中断功能(包括B口的RB4～RB7输入电平变化中断).其中,PI C16C73A高度集成看门狗、A/D转换器等器件,可以大大提高仪表的可靠性.因为PIC16C73A属于PI C系列芯片的低档产品,价格较便宜,并且该芯片投放市场经过了众多用户的应用和测试,所以在PI C系列芯片中选用该芯片.

输入通道A/D采用8位PIC16C73A自带的模数转换器.本文中冷冻机冷却水温度传感器测量温度范围为0℃～20℃,则

(2)配置扩展8255 I/O芯片,挂接功能键及报警扬声器.

(3)键盘初步定义为:复位、自诊断、增量、位移、设置、停止、确认,本地/远程.

(4)显示电路模块由一片MC14489(5位LED译码、锁存、驱动器)外加一限流电阻即可完成5位LED数码管的显示工作.MPU通过SPI串行总线发送控制信号和数据,控制MC14489工作.

(5)D/A用12位串行输出特性TLC5615分辨率为1/4 096,提高了系统精度,可以满足设计要求.

(6)配置一个现场总线接口,采用Device-Net或Profibus.

(7)存储器配置:采用E2PROM或者带有电池的RAM(2 KB～4 KB).

(8)稳压电源:各种干扰会引起系统失效和硬件损坏,实践证明,电源的优劣对系统的影响相当大.目前有以下几种电源:①阻容分压式:采用简单的电阻电容分压、滤波,稳压性能差、电源波动大、带负载能力小,电网干扰极易串入;②开关电源:稳压性能好、电源波动小,但成本较高;③线性电源:稳压性能好,隔离特性好,价格适中,在智能仪表中多采用线性电源.因此,本温度智能仪表采用线性电源.

(9)其他 在信号线上包一层金属导体屏蔽层,并将屏蔽层端点接地,消除静电感应噪声.对于电磁感应噪声,配线时尽量使信号线远离强电线,以减少互感和电磁感应噪声.传感器到A/D转换(PIC16C73A单片机)间加低通滤波电路,过滤掉高频噪音,消除串模干扰.配备一个扬声器,用于温度超过设定范围时报警.

4 软件设计

4.1 软件设计总体思路

设计遵循结构化和模块化的设计原则,主要有监控程序、中断服务程序及子程序集.

(1)监控程序:系统初始化(堆栈设置、中断入口、寄存器初始化、显示器显示标志符、输出口初始处理、定时器初始化、I/O口的初始化、启动采样、数字滤波程序、运行控制输出、显示器刷新显示);

(2)中断服务程序: INTO键中断服务程序;

(3)若干子程序.

4.2 信号处理

用软件措施抗干扰——采用数字滤波程序[6].为提高模数转换精度和仪表工作的可靠性,需对输入信号进行抗干扰处理.用软件实现数字滤波是经济、有效的方法.软件方法主要有:抗脉冲干扰平均法、比较舍取法、中(位)值法、限幅滤波法、低通数字滤波法、滑动平均滤波法、加权滑动平均滤波法等.这里先用限幅滤波法然后用滑动平均滤波法进行数字滤波.

(1)限幅滤波法 用当前采样值与上一次采样值进行比较,若差值超过最大可能的变化范围,则当前采样值无效,仍取上次采样值.差值的最大变化范围可由被测量的最大变化率和采样周期的乘积决定.该方法可消除偶然脉冲的干扰.

(2)滑动平均滤波法 每采样一次,就与最近m次的历史采样值相加,再取其平均值为本次采样值,

可见,该方法可削弱瞬态干扰的影响,对频繁振荡型干扰有很好的抑制能力,可以消除周期性干扰.

4.3 控制算法

控制算法采用P ID调节,应用积分分离法.基本思想是当偏差大的时候不进行积分,当偏差的绝对值小于某一预定门限时,才进行积分积累,这样既防止了大偏差时有过大的控制量,又避免过积分现象,还可以清除静差.

4.4 软件程序提高可靠性采取的措施

(1)谨慎使用堆栈操作 程序尽量避免子程序多层的嵌套,最好限制在两层以内.这样,一方面减小堆栈出错的概率,另一方面可减轻程序出错时的损失.

(2)系统元件上电的同步问题 这个单片机应用系统中,有多种IC芯片并存.这些IC芯片从上电到正常工作状态的时间一般有些差距(也与电路板元器件的布置有关).由于单片机上电快,简单初始化后接着对其他IC进行操作,这时某些IC可能还没有进入正常工作状态,致使它处于“死锁”状态.在单片机初始化程序中加一段软件延时,实现了系统的上电同步,从而提高系统的可靠性[7-8].

(3)软件冗余 防止信息的输出过程及传输过程出错,如对关键数据采用重复校验方式,对信息采用重复传送并进行校验等.在程序中重复键入一些跳转指令,在与其他芯片数据交换时加1条到2条空指令,避免出错.

5 总结

本文设计的智能仪表主要考虑可靠性和抗干扰等因素,采用高度集成芯片、软件及硬件滤波及一系列抗干扰和增加可靠性的方法,实现了对冷冻机蒸发温度的有效调节.该智能仪表可靠性强,易于升级,并可应用于中央空调冷水机组.

[1] 郎文鹏,赵维琴.智能自动化仪表及装置[M].上海:上海大学出版社,1999.

[2] 梁为民,刘爱琴,朱宗胜.智能仪表系统设计中抗干扰问题的研究[J].电子工程师电子技术应用,2001,27(9):38-40.

[3] 刘爱琴.智能仪表系统的优化设计[J].安徽纺织职业技术学院学报,2003,2(3):67-69.

[4] 邬春学,余震威.智能仪表设计的可靠性[J].仪器仪表用户,2003(2):67-69.

[5] 杨林国,姜印平.智能仪表的可靠性设计[J].安徽纺织职业技术学院学报,2003,2(3):7-14.

[6] 周胜海,黄文霞.智能仪表的低功耗设计[J].自动化仪表,2003,4(16):199-202.

[7] 黄森,石红瑞,张健.基于FPGA的智能仪表的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置,2010(2):56-59.

[8] 汤占军,冯丽辉,张斌.基于虚拟仪器的智能仪表的设计与实现[J].微计算机信息,2004,24(28):32-36.

Design of Intelligent Instrument of Evaporation Temperature Control in Refrigerator

SH IHong-yu1,ZHENG Yi2

(1.Depar tm ent of Electronic Science,Huizhou University,Huizhou516007,China; 2.Depar tm ent of Automation,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200030,China)

Taking PIC16C73A micro controller as the core,with software filtrating and low-pass filtrating technology,taking reliability into account,design a kind of intelligent instrument operating in industrial environment.The intelligent instrument,with functionsof display and alarm,can control the evaporation temperature of refrigerator by controlling its cooling water flow.It perfor mances high reliability,easy to upgrade,and can be used in chillers in central air-conditioning.

intelligent instrument;refrigerator;reliability;anti-jamming;evaporation temperature

TP368.1

A

1007-0834(2011)01-0028-04

10.3969/j.issn.1007-0834.2011.01.010

2010-10-25

广东省惠州市科学计划项目(2009B020002022)

史洪宇(1979—),女,河南南阳人,惠州学院电子科学系讲师.