[align=left] 1、引言 列管式換熱器具有傳熱面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效果好等特點(diǎn)，在化工企業(yè)中廣泛用于生產(chǎn)過程的加熱、冷卻及廢熱回收等場(chǎng)合。南通江山農(nóng)化公司的草甘膦合成工段使用列管式換熱器用來(lái)回收變換氣的熱量以提高進(jìn)飽和塔的熱水溫度，從而為合成反應(yīng)提供必要的條件。換熱器循環(huán)水泵采用三相異步電機(jī)帶動(dòng)，原來(lái)未使用調(diào)速方式，換熱器的進(jìn)水量和出水量是固定的，由于回收到的變換氣溫度波動(dòng)較大，導(dǎo)致?lián)Q熱器出水口的溫度難以控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，給合成工段的生產(chǎn)質(zhì)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。基于上述原因，在確保生產(chǎn)工藝要求的前提下，決定采用通用變頻器對(duì)循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。變頻器則在單片機(jī)的程序控制下工作，其控制信號(hào)由單片機(jī)綜合氣體溫度以及出水口溫度經(jīng)算法運(yùn)算后給出。本文結(jié)合該變頻調(diào)速系統(tǒng)的具體應(yīng)用，重點(diǎn)分析其中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。 [/align] 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，入口溫度高，出口溫度低;水作為管程流體，進(jìn)水溫度低，出水溫度高。圖中給出了相應(yīng)的溫度示意值。循環(huán)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小直接影響到換熱器的進(jìn)、出水量和出水口溫度。 3、基于單片機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件組成 變頻調(diào)速控制的主要任務(wù)是把對(duì)換熱器的出水溫度工藝要求轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)變換氣入口的溫度有變化時(shí)，控制系統(tǒng)能夠及時(shí)采樣到溫度值并加以分析和處理，然后向變頻器發(fā)出控制信號(hào)，進(jìn)而由變頻器控制水泵電機(jī)改變轉(zhuǎn)速，使進(jìn)水量相應(yīng)地增減，以達(dá)到控制出水溫度的目的。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)（如圖2所示），該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、模擬量i/o單元以及變頻器等組成。通過單片機(jī)對(duì)變頻器進(jìn)行程控，再由變頻器驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)變速運(yùn)行。 下面結(jié)合變頻調(diào)速控制系統(tǒng)電路原理圖分別介紹其中各主要芯片及變頻器的功能和接線方法。 3.1 單片機(jī)at89c51 atmel公司的at89c51單片機(jī)是一款性價(jià)比非常高的單片機(jī)，不僅與8051單片機(jī)指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4k程序存儲(chǔ)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(tǒng)的控制程序就存貯在這個(gè)程序存貯器之中。單片機(jī)從adc0809芯片獲取所需的各種溫度值，然后經(jīng)pi算法進(jìn)行運(yùn)算和處理，處理結(jié)果和控制數(shù)據(jù)則通過p0口送至dac0832，并由p2.7和wr引腳控制dac0832的運(yùn)行。 3.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0809 adc0809是一種常用的8位逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器，通過其8路模擬量輸入通道可以與各個(gè)溫度傳感器相連，接收溫度值并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。任一通道的模擬量轉(zhuǎn)換完成后，便通過eoc引腳向單片機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)該中斷申請(qǐng)后，就可以讀入數(shù)字量，以便分析和處理。 3.3 數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片dac0832 dac0832是8位單片d/a轉(zhuǎn)換器，在本控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將單片機(jī)輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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工作于單極性單緩沖器工作方式，簡(jiǎn)化了硬件接線和程序設(shè)計(jì)。vref基準(zhǔn)電壓由-12v分壓得到，再經(jīng)精密可調(diào)電阻可使vref=-10v，因此dac0832的最終輸出電壓vout=0～10v，它同時(shí)作為變頻器的模擬信號(hào)輸入量。 3.4 i/o接口芯片8255 考慮到單片機(jī)的p1口已作為系統(tǒng)的按鍵輸入端使用，故變頻器的異常報(bào)警信號(hào)輸出端fa、fb以及過載警告信號(hào)輸出端olw通過8255擴(kuò)展i/o接口芯片與單片機(jī)相連。8255具有3個(gè)8位并行i/o接口，此處主要用到pa口。通過pa口，單片機(jī)可以讀取變頻器工作時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)變頻器過載或其它異常報(bào)警信號(hào)時(shí)，單片機(jī)能夠及時(shí)做出反應(yīng)，并通過程序控制整個(gè)系統(tǒng)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的輸入信號(hào)。 3.5 變頻器 變頻器采用日本sanken的samco-i系列中的if-15k型號(hào)。變頻器接收由dac0832送來(lái)的0～10v模擬信號(hào)，并由該模擬信號(hào)控制變頻器的變頻輸出，從而達(dá)到最終控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。該變頻器設(shè)定為以vrf端子輸入的模擬信號(hào)作為控制信號(hào)，決定變頻器的輸出頻率。為防止電機(jī)過載或短路，將熱繼電器觸點(diǎn)fr1串聯(lián)于es端子回路中。fr端子與公共端dcm1和dcm2相連，以確保電機(jī)始終正轉(zhuǎn)。另外，過載報(bào)警信號(hào)輸出端olw和異常報(bào)警信號(hào)輸出端fa、fb分別與8255的i/o端口相連，便于系統(tǒng)程序?qū)ψ冾l器工作狀態(tài)予以監(jiān)控。在變頻器的接線過程中，還應(yīng)特別注意以下兩點(diǎn): （1） r、s、t端以及u、v、w端絕對(duì)不能接反; （2） 當(dāng)變頻器停止工作后, 若需修改接線, 則必須待變頻器操作面板上的“charge”燈熄滅后方可進(jìn)行。 另外，在控制系統(tǒng)中還設(shè)置了一個(gè)1kb的eeprom芯片24c08，用于存儲(chǔ)控制系統(tǒng)的初始化參數(shù)及換熱器的相關(guān)工藝參數(shù)。5個(gè)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(shí)器芯片ds1232則用于防止控制系統(tǒng)因干擾等原因造成的死機(jī)。 4、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 4.1 單片機(jī)匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) （1） 主程序 主程序的功能是單片機(jī)初始化、換熱器工藝參數(shù)設(shè)定、a/d轉(zhuǎn)換中斷設(shè)置、pi算法運(yùn)算與處理、d/a轉(zhuǎn)換等，這里給出其主要控制代碼（pi算法部分略）。 main: mov sp,#60h ;設(shè)置堆棧指針 mov r2,#08h ;8路a/d轉(zhuǎn)換通道計(jì)數(shù)初值 mov r0,#30h ;a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖區(qū)單元首址 mov r1,#40h ;換熱器工藝參數(shù)緩沖區(qū)單元首址 setb it1 ;脈沖觸發(fā)方式 setb ex1 ;允許外部中斷 setb ea ;開中斷 mov dptr,#0fef8h ;指出adc0809的首地址 stat: movx @dptr,a ;啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換 here: jnb f0,here ;等中斷 clr f0 ;清除中斷標(biāo)志 djnz r2,stat ;巡回，未完繼續(xù) lcall pical ;調(diào)pi算法運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理子程序 lcall dtoa ;調(diào)d/a轉(zhuǎn)換子程序······ （2） d/a轉(zhuǎn)換子程序 dtoa: push dph push dpl ;保護(hù)地址指針dptr原內(nèi)容 mov dptr, #7fffh ;dac0832地址 mov a,40h ;提取待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù) movx @dptr,a ;啟動(dòng)d/a轉(zhuǎn)換 pop dpl pop dph ;恢復(fù)地址指針dptr ret ;子程序返回 （3） a/d轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序 該中斷服務(wù)程序用于及時(shí)處理a/d轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，刷新a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖區(qū)內(nèi)容，變換新的a /d轉(zhuǎn)換通道，并通過設(shè)定的中斷標(biāo)志與主程序建立聯(lián)系。 movx a,@dptr ;讀a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果 mov @r0,a ;存數(shù) inc dptr ;更新轉(zhuǎn)換通道 inc r0 ;更新暫存單元 setb f0 ;置位中斷標(biāo)志 reti ;中斷返回 4.2 變頻器功能指令碼 本控制系統(tǒng)中，變頻器的所有功能指令碼均是通過面板設(shè)定。下面列出主要的幾種功能指令碼及其設(shè)定值。 cd000=1 ;監(jiān)視器顯示內(nèi)容為頻率 cd001=2 ;以外部信號(hào)來(lái)控制運(yùn)轉(zhuǎn) cd002=3 ;以vrf端子輸入的模擬信號(hào)設(shè)定（0～10v） cd005=380 ;基準(zhǔn)頻率電壓為380v cd006=50 ;基準(zhǔn)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端子通常輸入開信號(hào) 5、結(jié)束語(yǔ) 列管式換熱器循環(huán)水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速后的實(shí)際運(yùn)行證明:換熱器的出水溫度能夠保持穩(wěn)定，從而使合成工段產(chǎn)品中的有效成份草甘膦含量由過去3%的偏差量降為0.5%，每噸產(chǎn)品也因此提高收益約5%，僅此項(xiàng)該產(chǎn)品每年就多增加利潤(rùn)約12萬(wàn)元。另外，當(dāng)換熱器變換氣溫度過高或過低時(shí)，控制系統(tǒng)還能及時(shí)報(bào)警并關(guān)閉水泵電機(jī)以避免質(zhì)量事故的發(fā)生。由此可見，隨著通用變頻器在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的不斷深入，尤其是將通用變頻器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)改造中，并開發(fā)出相應(yīng)的控制裝置，就不僅可以做到投資少、見效快，而且整個(gè)生產(chǎn)裝置更加安全、可靠。