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列管式換熱器循環水泵變頻調速控制系統

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列管式換熱器循環水泵變頻調速控制系統

發布日期:2017-10-16 來源:www.pleasebestill.com

1、引言


             列管式換熱用具有傳熱面積大、結構緊湊、傳熱效果好等特點,在化工企業中廣泛用于生產過程的加熱、冷卻及廢熱回收等場合。南通山河農化公司的草甘膦合成工段使用列管式換熱器用往返收變換氣的熱量以進步進飽和塔的熱水溫度,從而為合成反應提供必要的條件。換熱器循環水泵采用三相異步電機帶動,原來未使用調速方式,換熱器的進水量和出水量是固定的,由于回收到的變換氣溫度波動較大,導致換熱器出水口的溫度難以控制在規定的范圍內,給合成工段的生產質量造成了一定的影響,主要反映在草甘膦的有效含量偏差過大;谏鲜鲈,在確保生產工藝要求的條件下,決定采用通用變頻器對循環水泵電機進行調速控制。變頻器則在單片機的程序控制下工作,其控制信號由單片機綜合氣體溫度以及出水口溫度經算法運算后給出。本文結合該變頻調速系統的具體應用,重點分析其中控制系統的結構和工作原理。


圖1 列管式換熱器工作原理示意圖


         2、列管式換熱器工作原理


             如圖1所示,變換氣作為殼程流體,進口溫度高,出口溫度低;水作為管程流體,進水溫度低,出水溫度高。圖中給出了相應的溫度示意值。循環水泵電機的轉速大小直接影響到換熱器的進、出水量和出水口溫度。


         3、基于單片機的變頻調速控制系統硬件組成


             變頻調速控制的主要任務是把對換熱器的出水溫度工藝要求轉變為對水泵電機的轉速控制。當變換氣進口的溫度有變化時,控制系統能夠及時采樣到溫度值并加以分析和處理,然后向變頻器發出控制信號,進而由變頻器控制水泵電機改變轉速,使進水量相應地增減,以達到控制出水溫度的目的。為此,我們設計了基于單片機的變頻調速控制系統(如圖2所示),該系統主要由單片機、模擬量i/o單元以及變頻器等組成。通過單片機對變頻器進行程控,再由變頻器驅動水泵電機變速運行。


圖2 變頻調速控制系統電路原理圖


             下面結合變頻調速控制系統電路原理圖分別先容其中各主要芯片及變頻器的功能和接線方法。
    3.1 單片機at89c51
    atmel公司的at89c51單片機是一款性價比非常高的單片機,不僅與8051單片機指令、管腳完全兼容,而且其片內的4k程序存儲器是采用flash工藝制作的,這使得用戶可以在線電擦除、改寫,本控制系統的控制程序就存貯在這個程序存貯器之中。單片機從adc0809芯片獲取所需的各種溫度值,然后經pi算法進行運算和處理,處理結果和控制數據則通過p0口送至dac0832,并由p2.7和wr引腳控制dac0832的運行。


             3.2 模/數轉換芯片adc0809
    adc0809是一種常用的8位逐次逼近型a/d轉換器,通過其8路模擬量輸進通道可以與各個溫度傳感器相連,接收溫度值并將其轉換為數字量。任一通道的模擬量轉換完成后,便通過eoc引腳向單片機發送中斷信號,單片機響應該中斷申請后,就可以讀進數字量,以便分析和處理。


             3.3 數/模轉換芯片dac0832
    dac0832是8位單片d/a轉換器,在本控制系統中負責將單片機輸出的電機轉速控制數據轉換為連續變化的電壓值,從而實現對變頻器輸出的控制。通過將dac0832的cs和xfer引腳短接,并將wr1和wr2引腳短接,使dac0832工作于單性單緩沖器工作方式,簡化了硬件接線和程序設計。vref基準電壓由-12v分壓得到,再經精密可調電阻可使vref=-10v,因此dac0832的終輸出電壓vout=0~10v,它同時作為變頻器的模擬信號輸進量。


             3.4 i/o接口芯片8255
    考慮到單片機的p1口已作為系統的按鍵輸進端使用,故變頻器的異常報警信號輸出端fa、fb以及過載警告信號輸出端olw通過8255擴展i/o接口芯片與單片機相連。8255具有3個8位并行i/o接口,此處主要用到pa口。通過pa口,單片機可以讀取變頻器工作時的運行狀態信號。當出現變頻器過載或其它異常報警信號時,單片性能夠及時做出反應,并通過程序控制整個系統停止工作。由于變頻器olw端子開路輸出為24v,因此必須通過光電耦合器才能作為8255的輸進信號。


             3.5 變頻器
    變頻器采用日本sanken的samco-i系列中的if-15k型號。變頻器接收由dac0832送來的0~10v模擬信號,并由該模擬信號控制變頻器的變頻輸出,從而達到終控制水泵電機轉速的目的。該變頻器設定為以vrf端子輸進的模擬信號作為控制信號,決定變頻器的輸出頻率。為防止電機過載或短路,將熱繼電器觸點fr1串聯于es端子回路中。fr端子與公共端dcm1和dcm2相連,以確保電機始終正轉。另外,過載報警信號輸出端olw和異常報警信號輸出端fa、fb分別與8255的i/o端口相連,便于系統程序對變頻器工作狀態予以監控。在變頻器的接線過程中,還應特別留意以下兩點:
    (1) r、s、t端以及u、v、w端盡對不能接反;
    (2) 當變頻器停止工作后, 若需修改接線, 則必須待變頻器操縱面板上的“charge”燈熄滅后方可進行。
    另外,在控制系統中還設置了一個1kb的eeprom芯片24c08,用于存儲控制系統的初始化參數及換熱器的相關工藝參數。5個按鈕k1~k5分別接在at89c51的p1.3~p1.7上,作為啟、停及功能選擇按鈕?撮T狗定時器芯片ds1232則用于防止控制系統因干擾等原因造成的死機。


         4、變頻調速控制系統程序設計


             4.1 單片機匯編語言程序設計
    (1) 主程序 
    主程序的功能是單片機初始化、換熱器工藝參數設定、a/d轉換中斷設置、pi算法運算與處理、d/a轉換等,這里給出其主要控制代碼(pi算法部分略)。
    main: mov sp,#60h ;設置堆棧指針
    mov r2,#08h ;8路a/d轉換通道計數初值
    mov r0,#30h ;a/d轉換結果緩沖區單元首址
    mov r1,#40h ;換熱器工藝參數緩沖區單元首址
    setb it1 ;脈沖觸發方式
    setb ex1 ;答應外部中斷
    setb ea ;開中斷
    mov dptr,#0fef8h ;指出adc0809的首地址
    stat: movx @dptr,a ;啟動a/d轉換
    here: jnb f0,here ;等中斷
    clr f0 ;清除中斷標志
    djnz r2,stat ;巡回,未完繼續
    lcall pical ;調pi算法運算與數據處理子程序
    lcall dtoa ;調d/a轉換子程序······


             (2) d/a轉換子程序
    dtoa: push dph
    push dpl ;保護地址指針dptr原內容 
    mov dptr, #7fffh ;dac0832地址
    mov a,40h ;提取待轉換的數據
    movx @dptr,a ;啟動d/a轉換
    pop dpl
    pop dph ;恢復地址指針dptr
    ret ;子程序返回


             (3) a/d轉換中斷服務程序
    該中斷服務程序用于及時處理a/d轉換后的結果,刷新a/d轉換結果緩沖區內容,變換新的a /d轉換通道,并通過設定的中斷標志與主程序建立聯系。
    movx a,@dptr ;讀a/d轉換結果
    mov @r0,a ;存數
    inc dptr ;更新轉換通道
    inc r0 ;更新暫存單元
    setb f0 ;置位中斷標志
    reti ;中斷返回


             4.2 變頻器功能指令碼
    本控制系統中,變頻器的所有功能指令碼均是通過面板設定。下面列出主要的幾種功能指令碼及其設定值。
    cd000=1 ;監視器顯示內容為頻率
    cd001=2 ;以外部信號來控制運轉
    cd002=3 ;以vrf端子輸進的模擬信號設定(0~10v)
    cd005=380 ;基準頻率電壓為380v
    cd006=50 ;基準頻率為50hz
    cd007=60 ;上限頻率為60hz
    cd008=10 ;下限頻率為10hz
    cd054=0 ;偏置頻率為0hz
    cd055=50 ;增益頻率為50hz
    cd070=1 ;es端子通常輸進開信號


         5、結束語


             列管式換熱器循環水泵電機采用變頻調速后的實際運行證實:換熱器的出水溫度能夠保持穩定,從而使合成工段產品中的有效成份草甘膦含量由過往3%的偏差量降為0.5%,每噸產品也因此進步收益約5%,僅此項該產品每年就多增加利潤約12萬元。另外,當換熱器變換氣溫度過高或過低時,控制系統還能及時報警并封閉水泵電機以避免質量事故的發生。由此可見,隨著通用變頻器在產業生產應用中的不斷深進,尤其是將通用變頻器應用于傳統設備的技術改造中,并開發出相應的控制裝置,就不僅可以做到投資少、見效快,而且整個生產裝置更加安全、可靠。

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