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总线智能仪表温度控制系统的设计 控制系统技术指标

时间:2020-07-29    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
引 言

随着现场总线技术的发展,传统的模拟仪表逐步让步于智能化数字仪表,并具备数字化通信功能。

依据现场总线智能仪表技术的发展,设计了基于现场总线的氧化锆智能氧量分析仪,其温度控制系统采用了专家PID控制原理,提高了加热速度与准确性。

1 总线智能氧量分析仪结构

基于CAN总线的智能氧量分析仪以单片机C8051F040为中央控制器,系统扩展的外围电路及接口电路数量少,系统的可靠性及稳定性较高,系统功能扩展及软硬件升级比较方便。系统的硬件结构见图1。外围硬件电路主要包括六部分:系统校正、数据采集、温度控制、日历时钟、带触摸屏的液晶显示、CAN总线接口。


图1 系统硬件结构

带触摸屏的液晶显示器提供了一个强有力的人机接口,有关信号、可调参数都能在上面显示和修改。本系统采用稳压电源,具有电源电压的适用范围大、抗干扰能力强等优点。主机是一种以单片机为基础的智能仪表,所有的运算、处理和控制都由软件完成。氧电势、温度信号的输人转换和电流输出的转换采用模块化元件。这些元件具有可靠性高、精度高的特点。由于使用的元件集成度较高,使整机结构简单,可靠性提高,使用、维护和维修方便。氧电势和温度信号经各自的处理模块转换成0~5V信号,并由多路开关和A/I)转换成数字量,单片机根据“能斯特”公式计算出氧量。系统设有PID温度调节功能,并通过固态继电器控制加热炉。系统还设有组态开关,能使仪表工作在不同的方式下。

2 温度控制系统的硬件设计

Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机,在一个芯片内,集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的模拟和数字外设及其他功能部件,代表了目前8位单片机控制系统的发展方向。芯片上有1个12位和1个8位多通道ADC,2个12位DAC,2个电压比较器,1个电压基准,1个32kB的FLASH存储器,与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP一51内核,峰值速度可达25MIPS,并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。

C8051F040的18,19脚分别为AIN0.0和AIN0.1引脚,由于C8051F040片内具有ADC模块,因此温度信号可直接经外围滤波、放大电路后输入AIN0.0和AIN0.1引脚,AMUX的工作模式选择单端输入模式。选用热电偶作为温度传感器,其电压经信号放大后,送人C8051F040的A/D端,转换后与给定温度值比较,按PID调节算法和脉宽调功法,计算出该时刻的值,经光电隔离和功率放大后,通过控制大功率交流固态继电器(过零型)的通断时间来控制加热的功率,达到温度控制的目的。冷端测温元件采用集成温度传感器AD590,所测温度由AD590温度传感器检测,经电压放大后直接送至单片机C8051F040的AIN0.1输入口。

3 温度控制系统的软件设计

3.1 温度控制过程分析

加热通断的最小周期为10ms,加热最短脉冲长度为10ms,PID控制输出为加热脉冲数。误差越大,加热脉冲数值就越大;误差小,加热脉冲数就小。为使PID的输出有一定的可调节范围,采样周期,太小会使得控制量的范围很窄;但也不能过大,否则会降低控制精度。综合各方面的考虑及实验测试,采样周期定为2s,这样,PID输出的最大脉冲量(在一个控制周期内)为200。

系统的加热过程分为三部分:第一,升温起始阶段或温差大时,采取全功率加热,使加热元件快速升温;第二,温度变化剧烈时,采取关断输出,让温度在惯性作用下向下一阶段过渡。因为电热元件滞后严重,当温度上升过快时,会导致下一阶段控制失效或严重超调;第三,温度偏差和温度变化在一定范围内时,根据专家智能在线调整PID参数,达到快速精确控制。

3.2 专家PID控制器的原理

温度控制系统具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性,采用常规PID控制难以兼顾高精度与快速性的双重要求。本文提出专家式智能与PID相结合的复合控制方法,将专家经验和PID控制定量调节特性充分运用于控制过程中。该总线智能氧量分析仪要求系统控温范围为680~760℃,稳定后温度波动不超过1℃。为了实现快速精确的温度控制,根据被控对象的特性建立专家系统PID控制方式,如图2所示。


图2 专家智能PID复合控制器的原理框图

本专家控制器的推理结构采用数据驱动的正向推理策略。产生式规则采用IFe(n)ANDe(n)TNout(n)形式。专家系统的关键是专家知识的建立、确定。知识获取,有些来自工艺人员的长期总结,有些借助于控制领域的知识和分析。

把专家系统和PID控制器结合,利用专家系统知识库输出修正PID参数,改变PID控制方式以达到较佳PID控制效果。根据对象特性及设计要求,设计了99条控制规则,并预先将规则下的调整方法及调整参数存储于控制器中。专家控制规则根据当前偏差e(n)及其变化率△e(n)的大小,决定控制方式和是否需修改比例系数K P、积分增益KI和微分增益KD。控制过程中,控制器不需按系统辨识结果或某一目标函数整定PID参数,而是按当前状态对基本PID参数进行调整即:

Kj=aTjKOj,J=P,I,D

式中KP,KI和KD分别为基本比例、改进积分和微分增益; aTP,aTI和aTD分别为当前调整状态下的比例、积分和微分项修正系数。

3.3 软件流程

系统软件采用C51语言,在Silicon Laboratories集成开发环境下进行编译连接。

该仪表的温度量程为0~1000℃,温度控制为700℃±1℃,温控定值为680~760℃,并且连续可调,当温度大于800℃时,启动断偶保护功能。数据的采集用多次测量求平均值的方法来避免测量误差。

4 结 论

本文设计的基于现场总线智能氧化锆氧量分析仪具有自动化水平高、结构简单等优点。对于电站锅炉及煤焦炉等热力设备生产效率的提高具有显著的作用。试验表明该温度控制系统具有测量范围宽、使用温度高、运行可靠、测量及时准确等优点,同时克服了以往仪表不稳定、易损坏等缺点。该方法加以适当修改,也可应用于其它温度控制系统中。
  1.温度控制仪表系统故障分析步骤
  
  分析温度控制仪表系统故障时,首先要注意两点:该系统仪表多采用电动仪表测量、指示、控制;该系统仪表的测量往往滞后较大。
  
  (1)温度仪表系统的指示值突然变到zui大或zui小,一般为仪表系统故障。因为温度仪表系统测量滞后较大,不会发生突然变化。此时的故障原因多是热电偶、热电阻、补偿导线断线或变送器放大器失灵造成。
  
  (2)温度控制仪表系统指示出现快速振荡现象,多为控制参数PID调整不当造成。
  
  (3)温度控制仪表系统指示出现大幅缓慢的波动,很可能是由于工艺操作变化引起的,如当时工艺操作没有变化,则很可能是仪表控制系统本身的故障。
  
  (4)温度控制系统本身的故障分析步骤:检查调节阀输入信号是否变化,输入信号不变化,调节阀动作,调节阀膜头膜片漏了;检查调节阀定位器输入信号是否变化,输入信号不变化,输出信号变化,定位器有故障;检查定位器输入信号有变化,再查调节器输出有无变化,如果调节器输入不变化,输出变化,此时是调节器本身的故障。
  
  2.压力控制仪表系统故障分析步骤
  
  (1)压力控制系统仪表指示出现快速振荡波动时,首先检查工艺操作有无变化,这种变化多半是工艺操作和调节器PID参数整定不好造成。
  
  (2)压力控制系统仪表指示出现死线,工艺操作变化了压力指示还是不变化,一般故障出现在压力测量系统中,首先检查测量引压导管系统是否有堵的现象,不堵,检查压力变送器输出系统有无变化,有变化,故障出在控制器测量指示系统。
  
  3.流量控制仪表系统故障分析步骤
  
  (1)流量控制仪表系统指示值达到zui小时,首先检查现场检测仪表,如果正常,则故障在显示仪表。当现场检测仪表指示也zui小,则检查调节阀开度,若调节阀开度为零,则常为调节阀到调节器之间故障。当现场检测仪表指示zui小,调节阀开度正常,故障原因很可能是系统压力不够、系统管路堵塞、泵不上量、介质结晶、操作不当等原因造成。若是仪表方面的故障,原因有:孔板差压流量计可能是正压引压导管堵;差压变送器正压室漏;机械式流量计是齿轮卡死或过滤网堵等。
  
  (2)流量控制仪表系统指示值达到zui大时,则检测仪表也常常会指示zui大。此时可手动遥控调节阀开大或关小,如果流量能降下来则一般为工艺操作原因造成。若流量值降不下来,则是仪表系统的原因造成,检查流量控制仪表系统的调节阀是否动作;检查仪表测量引压系统是否正常;检查仪表信号传送系统是否正常。
  
  (3)流量控制仪表系统指示值波动较频繁,可将控制改到手动,如果波动减小,则是仪表方面的原因或是仪表控制参数PID不合适,如果波动仍频繁,则是工艺操作方面原因造成。
  
  4.液位控制仪表系统故障分析步骤
  
  (1)液位控制仪表系统指示值变化到zui大或zui小时,可以先检查检测仪表看是否正常,如指示正常,将液位控制改为手动遥控液位,看液位变化情况。如液位可以稳定在一定的范围,则故障在液位控制系统;如稳不住液位,一般为工艺系统造成的故障,要从工艺方面查找原因。
  
  (2)差压式液位控制仪表指示和现场直读式指示仪表指示对不上时,首先检查现场直读式指示仪表是否正常,如指示正常,检查差压式液位仪表的负压导压管封液是否有渗漏;若有渗漏,重新灌封液,调零点;无渗漏,可能是仪表的负迁移量不对了,重新调整迁移量使仪表指示正常。
  
  (3)液位控制仪表系统指示值变化波动频繁时,首先要分析液面控制对象的容量大小,来分析故障的原因,容量大一般是仪表故障造成。容量小的首先要分析工艺操作情况是否有变化,如有变化很可能是工艺造成的波动频繁。如没有变化可能是仪表故障造成。
  
  以上只是现场四大参数单独控制仪表的现场故障分析,实际现场还有一些复杂的控制回路,如串级控制、分程控制、程序控制、联锁控制等等。这些故障的分析就更加复杂,要具体分析。

                             谈谈高低温试验机控制系统和控制方式

高低温试验机的控制系统也称之为温控系统,它是一款设备的大脑,任何动作的指挥中心,大脑一旦瘫痪,整个设备将无法正常运行,直接影响试验过程和结果。通过了解高低温试验机的控制系统,一便于产品的选型,选择合适自己的操作方式;二便于后期使用和维修保养,全面表现出设备的各项功能。

无论是高低温试验机,恒温恒湿试验箱,臭氧老化试验箱等设备,他们的控制方式一般分为两大类:单点式和可程式。

高低温试验机的单点式控制系统常见于按键式控制仪表,它是通过设定一个命令,完成一个命令,每次只能设定一个命令。例如:我们将高低温试验机的试验条件设置成-40℃试验2个小时,那么从室温开始降温,直到-40℃,维持低温2小时候,仪表开始报警提示试验完成。如果我们想将试验条件设置成-40℃试验2个小时后,再上升到80℃试验两小时,那么这样就是两个命令,要等到*个过程完成之后,才能通过手动再次重新设定第二个命令,从而完成试验。如果想让设备自动完成上述两个动作,我们称之为可程式控制。

高低温试验机的可程式控制系统多采用触摸屏控制器,常见的有日本的OYO、韩国三元TEMI系列、台达的PLC,其中韩国的TEMI88O控制仪表优越的适用性,使其在高低温试验机中使用zui为频繁。可程式控制仪为实现交变试验性能,具有120组程式1000段999循环步骤的容量,每段时间设定zui大值为99小时59分,并且控制器操作界面设中英文可供选择,实时运转曲线图可由屏幕显。试验箱还具有RS-232或RS-485通讯界面,可在电脑上设计程式,监视试验过程并执行自动开关机等功能。

如今随着试验要求的提高,试验操作的更人性化,可程式控制系统在环境试验设备领域被广泛应用。



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