摘　要: 在深入研究換熱和熱阻基本原理的基礎上,利用SPCE061A 單片機設計出一個在線監測與控制系統,該系統基于被控對象的特性設計了循環水流量和蒸汽溫度時滯補償控制系統,同時該系統通過在線測定計算出實時熱阻,并能進行實時存儲、顯示與打印。由于采用了高集成度的SPCE061A 單片機芯片核心設計《換熱器在線監測儀》,使得外圍芯片相對減少,不僅帶來整個儀器體積減小,而且實際應用表明儀器的可靠性也得到了提高。
關鍵詞: SPCE061A 單片機;集成化;在線監測X

　　隨著我國人口的不斷增加和工農業持續發展,國內淡水資源日益緊張。為了節約用水,我國石油、化工、電力、冶金等企業正在逐步采用循環水冷卻系統。但冷卻水長期使用后,必然會帶來沉積物附著,金屬腐蝕和微生物滋生問題,導致換熱器效率降低,影響生產,嚴重能使換熱器損害,所以必須加強對循環冷卻水的水質處理[1 ] 。為提高對水質處理的監管水平,我們用SPCE061A 單片機設計,研制了《換熱器在線監測儀》,取得了良好的效果。
1 　系統的組成和原理
1. 1 　系統結構
系統結構如圖1 所示。

圖1 　系統結構

　　系統要求監測儀器測量進出口溫度、蒸汽溫度和流量并對流量和蒸汽進行控制。測溫精度小于013 % ,流量精度015 % ,控制精度小于1 %。儀器能夠保存100 d 的污垢熱阻數據。要求能和計算機實現實時通訊,完成測量的數據報表和曲線的打印并存儲大量的數據。
1. 2 　器材選用
　　溫度傳感器采用Pt100 不銹鋼封裝。流量信號采用進口轉輪式流量傳感器,輸出4～20 mA 的信號,測量范圍011～6 m/ s ,精度015 %。調節閥好選用氣動調節閥,適合長期運行;減壓閥應根據現場蒸汽壓力大小選型,模擬換熱器工作壓力011 MPa 。
1. 3 　污垢熱阻計算
由管壁兩側為流體的傳熱基本方程Q = RCp ·( Tout - Tin) 可以導出污垢熱阻的計算公式(1) [2 ]Rs =πdL/ GCp [ ( T - t12 ) / ( t22 - t12 ) - ( T -t11) / ( t21 - t11) ] (1)式中: T 為飽和蒸汽溫度; d 為換熱管直徑; L 為換熱管的有效總長度; G 為單位時間內冷卻水的流量;Cp 為水的比熱; t12為冷卻水進口溫度; t22為冷卻水出口溫度; t11為Rs 等于零時冷卻水進口溫度; t21為
Rs 等于零時冷卻水出口溫度。Rs 反映了冷卻水中各種沉積物在換熱器水側影響傳熱效果的阻力。
2 　系統控制實現
如圖1 所示,根據換熱器瞬時污垢熱阻測定的需求[2 ] ,設計了兩個控制回路,一個為換熱器飽和蒸汽的控制,即通過氣動調節閥實現對飽和蒸汽的調節;一個為換熱器進水流量控制,即通過圖1 所示的流量信號檢測,并與氣動調節閥構成流量閉環控制回路實現對流量的自動調節。根據換熱器飽和蒸汽的調節過程及氣動調節閥對流量調節的性能可知[3 ] ,這兩個控制回路都可近似表示為含有純滯后
的一階慣性環節,即

Gi ( s) 為被控對象的傳函( i 分別表示為G、T) ,由于這兩個控制回路都含有純滯后環節,實際控制中我們采用了基于時滯補償的控制策略,如圖2 所示的流量控制。

圖2 中:τG 為純滯后時間, KG 為被控對象的穩態增益, TG 為對象的時間常數, Gc ( s ) 為PID 調節器, gτ( t) 為補償器的輸出, gG ( s) (1 - eτGS ) 為補償環節的傳遞函數。對系統進行采樣離散化后可以推得

式中: Kp , KI , KD 分別表示為比例、積分和微分系數,通過這種基于時滯補償的PID 控制算法,使系統得到了良好的控制特性(蒸汽的控制這里從略) 。
3 　監測儀硬件電路組成[4]
監測儀硬件電路以凌陽SPCE061A 單片機芯片為核心而組成,如圖3。SPCE061A 單片機是一個16位微處理器。可以在較寬的電源電壓下工作,其VDD 為216～316 V(CPU) 、VDDH 為0～515 V( I/ O) 。CPU 時鐘為0132～491152 MHz ,內置2 K字SRAM 、32 K閃存FLASH ,2 個16 位可編程定時器/ 計數器,2 個10 位DAC 輸出通道,32 位通用可編程輸入/ 輸出端口,14 個中斷源,32768 Hz 實時時鐘,7 通道的A/ D 轉換器和單通道聲音模- 數轉換器,具有串行設備接口、低電壓復位、看門狗監視等功能。另外含有內置在線仿真電路。

　　IOA0～IOA7 作為低8 位的地址線和8 位數據線,IOA8～IOA15 作為高8 位的地址線,8255 芯片、74245 芯片、A \ D 轉換和液晶顯示的選通信號分別由IOB0～IOB6L 來控制,AUD1H 和AUD2 分別輸出兩路D \ A 控制信號, IOB10 向232 口發送信號,IOB7 設置為接受信號,完成與計算機通訊。
3．1 　輸入通道
　　輸入通道由多路選擇器4051、運算放大器OP07和A/ D14433 組成,如圖4 所示。

　　A/ D MC14433 抗干擾能力強,3.5位精度,轉換速度約1～10 次/ s ,它采用掃描方式,BCD 碼形式輸出,以0 000～1 999共2 000個數碼。當測溫范圍在0～100 ℃,則A/ D 轉換精度可達0105 ℃/ bit ,能滿足系統設計要求。
　　測量放大器主要由3 個運算放大器(OP07) 組成,信號分別從2 個運放的同相端輸入,使得輸入阻抗很高,抑制溫漂性能好。
　　多路選擇開關4051 由SPCE061A 單片機控制自動切換,不僅分別能夠采集進口溫度、出口溫度、蒸汽溫度和流量信號,而且還能接收電導率、PH 信號,擴展了儀器應用范圍。對儀器的零點和增益標準信號也進行了采集,通過軟件實現了測量誤差的自動校正,從而保證了測量精度。
3.2 　輸出通道
　　SPCE061A 單片機內含有AUD1 和AUD2 雙通道的10 位數模D/ A 輸出口, 輸出電壓0 ～ 313 V。DAC1 通過IC1 , IC2 轉換成0～20 mA 控制氣動調節閥輸出。信號輸出要求R3 = R4 , R5 = R6 , R3 , R4 ,R5 , R6 之間的誤差直接影響Iout精度,通過在R6 中串個電阻,可以提高精度。硬件電路如圖5 所示

(DAC2 輸出通道省略) 。
　　從以上硬件電路描述可以看出,由于SPCE061A單片機的高度集成使得外圍器件減少。本系統實時動態數據存放在SPCE061A 單片機的內置2 K 字SRAM,程序存放在SPCE061A 單片機的內置32 K閃存FLASH中。計算機采用RS232 串口通訊,低電壓復位,看門狗監視也都含在SPCE061A 單片機內。
4 　軟件設計[5]
　　編程所用的軟件是用μ’nSPTM 單片機的匯編指令系統,整個程序就固化在SPCE061A 單片機內的32KROM中,程序設計采用模塊化特點。
411 　主運行模塊
　　主運行模塊是由初始化程序和10 個子程序組成。儀器運行時,這些子程序不斷地被調用。主運行模塊框圖如圖6 所示。

4．2 　運算子程序
　　數值計算采用μ’nSPTM float 浮點型。它完全滿足測試精度的要求,在內存中存放格式如下:

　　其中,S 為符號位,存放在高字節的高位。“1”表示負“, 0”表示正。E 為階碼,占用8 位二進制數,存放在高兩個字節中。階碼E 值是以2 為底的指數再加上偏移量127 ,這樣處理的目的是為了避免出現負的階碼值,而指數是可正可負的。階碼E的正常取值范圍1～254 ,而實際指數的取值范圍-126～ + 127。M為尾數的小數部分,用23 位二進制數表示,存放在低三個字節中。尾數的整數部分永遠為1 ,因此不予保存,但它是隱含存在的。小數點位于隱含的整數位“1”的后面。一個浮點數的數值是

　　例如,浮點數175125 = 432F4000H ,在內存中的存放格式為:

4．3 　通訊子程序
現代化的科學管理要求實測的數據能即時傳送到遠處的計算機,SPCE061A 單片機為提供數據接收端口RX和發送端口TX,分別是IOB7 和IOB10 端口,可以和計算機232 串口直接相連進行通訊,通訊距離超過100 m ,可以串接長線驅動器。軟件采用查詢方式,發送10 個數據的程序流程圖如圖7 所示。
5 　結束語
值得一說的是通過SPCE061A 單片機的開發是用一個名叫PROBE 的在線調試器實現在線實時仿真和程序燒寫。它利用了SPCE061A 片內置的在線仿真電路和在線串行編程技術。PROBE 工作于凌陽集成開發環境軟件包下,其5 芯的仿真頭直接連接到SPCE061A 相應的管腳上, PROBE 的另一頭是標準25 針打印機接口,直接連接到計算機打印口與上位機通訊,完成在線調試功能,使用非常方便。目前換熱器在線監測儀正在推廣應用。