列管式换热器循环水泵变频调速控制系统

2、列管式换热器工作原理

    如图1所示，变换气作为壳程流体，入口温度高，出口温度低;水作为管程流体，进水温度低，出水温度高。图中给出了相应的温度示意值。循环水泵电机的转速大小直接影响到换热器的进、出水量和出水口温度。

3、基于单片机的变频调速控制系统硬件组成

    变频调速控制的主要任务是把对换热器的出水温度工艺要求转变为对水泵电机的转速控制。当变换气入口的温度有变化时，控制系统能够及时采样到温度值并加以分析和处理，然后向变频器发出控制信号，进而由变频器控制水泵电机改变转速，使进水量相应地增减，以达到控制出水温度的目的。为此，我们设计了基于单片机的变频调速控制系统（如图2所示），该系统主要由单片机、模拟量i/o单元以及变频器等组成。通过单片机对变频器进行程控，再由变频器驱动水泵电机变速运行。

    下面结合变频调速控制系统电路原理图分别介绍其中各主要芯片及变频器的功能和接线方法。
    3.1 单片机at89c51
    atmel公司的at89c51单片机是一款性价比非常高的单片机，不仅与8051单片机指令、管脚完全兼容，而且其片内的4k程序存储器是采用flash工艺制作的，这使得用户可以在线电擦除、改写，本控制系统的控制程序就存贮在这个程序存贮器之中。单片机从adc0809芯片获取所需的各种温度值，然后经pi算法进行运算和处理，处理结果和控制数据则通过p0口送至dac0832，并由p2.7和wr引脚控制dac0832的运行。

    3.2 模/数转换芯片adc0809
    adc0809是一种常用的8位逐次逼近型a/d转换器，通过其8路模拟量输入通道可以与各个温度传感器相连，接收温度值并将其转换为数字量。任一通道的模拟量转换完成后，便通过eoc引脚向单片机发送中断信号，单片机响应该中断申请后，就可以读入数字量，以便分析和处理。

    3.3 数/模转换芯片dac0832
    dac0832是8位单片d/a转换器，在本控制系统中负责将单片机输出的电机转速控制数据转换为连续变化的电压值，从而实现对变频器输出的控制。通过将dac0832的cs和xfer引脚短接，并将wr1和wr2引脚短接，使dac0832工作于单极性单缓冲器工作方式，简化了硬件接线和程序设计。vref基准电压由-12v分压得到，再经精密可调电阻可使vref=-10v，因此dac0832的最终输出电压vout=0～10v，它同时作为变频器的模拟信号输入量。

    3.4 i/o接口芯片8255
    考虑到单片机的p1口已作为系统的按键输入端使用，故变频器的异常报警信号输出端fa、fb以及过载警告信号输出端olw通过8255扩展i/o接口芯片与单片机相连。8255具有3个8位并行i/o接口，此处主要用到pa口。通过pa口，单片机可以读取变频器工作时的运行状态信号。当出现变频器过载或其它异常报警信号时，单片机能够及时做出反应，并通过程序控制整个系统停止工作。由于变频器olw端子开路输出为24v，因此必须通过光电耦合器才能作为8255的输入信号。

    3.5 变频器
    变频器采用日本sanken的samco-i系列中的if-15k型号。变频器接收由dac0832送来的0～10v模拟信号，并由该模拟信号控制变频器的变频输出，从而达到最终控制水泵电机转速的目的。该变频器设定为以vrf端子输入的模拟信号作为控制信号，决定变频器的输出频率。为防止电机过载或短路，将热继电器触点fr1串联于es端子回路中。fr端子与公共端dcm1和dcm2相连，以确保电机始终正转。另外，过载报警信号输出端olw和异常报警信号输出端fa、fb分别与8255的i/o端口相连，便于系统程序对变频器工作状态予以监控。在变频器的接线过程中，还应特别注意以下两点:
    （1） r、s、t端以及u、v、w端绝对不能接反;
    （2） 当变频器停止工作后, 若需修改接线, 则必须待变频器操作面板上的“charge”灯熄灭后方可进行。
    另外，在控制系统中还设置了一个1kb的eeprom芯片24c08，用于存储控制系统的初始化参数及换热器的相关工艺参数。5个按钮k1～k5分别接在at89c51的p1.3～p1.7上，作为启、停及功能选择按钮。看门狗定时器芯片ds1232则用于防止控制系统因干扰等原因造成的死机。

4、变频调速控制系统程序设计

    4.1 单片机汇编语言程序设计
    （1） 主程序 
    主程序的功能是单片机初始化、换热器工艺参数设定、a/d转换中断设置、pi算法运算与处理、d/a转换等，这里给出其主要控制代码（pi算法部分略）。
    main: mov sp,#60h ;设置堆栈指针
    mov r2,#08h ;8路a/d转换通道计数初值
    mov r0,#30h ;a/d转换结果缓冲区单元首址
    mov r1,#40h ;换热器工艺参数缓冲区单元首址
    setb it1 ;脉冲触发方式
    setb ex1 ;允许外部中断
    setb ea ;开中断
    mov dptr,#0fef8h ;指出adc0809的首地址
    stat: movx @dptr,a ;启动a/d转换
    here: jnb f0,here ;等中断
    clr f0 ;清除中断标志
    djnz r2,stat ;巡回，未完继续
    lcall pical ;调pi算法运算与数据处理子程序
    lcall dtoa ;调d/a转换子程序······

    （2） d/a转换子程序
    dtoa: push dph
    push dpl ;保护地址指针dptr原内容 
    mov dptr, #7fffh ;dac0832地址
    mov a,40h ;提取待转换的数据
    movx @dptr,a ;启动d/a转换
    pop dpl
    pop dph ;恢复地址指针dptr
    ret ;子程序返回

    （3） a/d转换中断服务程序
    该中断服务程序用于及时处理a/d转换后的结果，刷新a/d转换结果缓冲区内容，变换新的a /d转换通道，并通过设定的中断标志与主程序建立联系。
    movx a,@dptr ;读a/d转换结果
    mov @r0,a ;存数
    inc dptr ;更新转换通道
    inc r0 ;更新暂存单元
    setb f0 ;置位中断标志
    reti ;中断返回

    4.2 变频器功能指令码
    本控制系统中，变频器的所有功能指令码均是通过面板设定。下面列出主要的几种功能指令码及其设定值。
    cd000=1 ;监视器显示内容为频率
    cd001=2 ;以外部信号来控制运转
    cd002=3 ;以vrf端子输入的模拟信号设定（0～10v）
    cd005=380 ;基准频率电压为380v
    cd006=50 ;基准频率为50hz
    cd007=60 ;上限频率为60hz
    cd008=10 ;下限频率为10hz
    cd054=0 ;偏置频率为0hz
    cd055=50 ;增益频率为50hz
    cd070=1 ;es端子通常输入开信号

5、结束语

    列管式换热器循环水泵电机采用变频调速后的实际运行证明:换热器的出水温度能够保持稳定，从而使合成工段产品中的有效成份草甘膦含量由过去3%的偏差量降为0.5%，每吨产品也因此提高收益约5%，仅此项该产品每年就多增加利润约12万元。另外，当换热器变换气温度过高或过低时，控制系统还能及时报警并关闭水泵电机以避免质量事故的发生。由此可见，随着通用变频器在工业生产应用中的不断深入，尤其是将通用变频器应用于传统设备的技术改造中，并开发出相应的控制装置，就不仅可以做到投资少、见效快，而且整个生产装置更加安全、可靠。