8051单片机控制技术在氮水预冷系统中的应用

摘 要： 采用8051单片机对石横特钢厂气体公司氮水预冷系统进行改造，软、硬件相结合，有效地实现了该系统的稳定生产。 关键词： 单片机；微机控制；氮水预冷系统；差压变送器;数字控制器 Abstract: We have adopted Single Chip Micyoco 8051 to remold the liqid nitrogen precool system in gas manufacturing plant of Shandong Shiheng Special Steel Limited Company ,and have realized the combination between hardware and software.All these measures we hanven let us realize the stable production of this system effectively and smoothly. Key words: Single Chip Micyoco,compter control,liquid nitrogen precool system,differential pressure transmitter, numerical controller 0 概述 　　随着计算机技术的不断发展，它以其灵活、可靠、便于开发和维护等优点已被广泛应用到社会的各个领域。更是在企业的现代化生产中发挥着不可替代的作用。 　　氮水预冷系统是制氧系统的一个重要控制环节，其作用是将进入该系统空气中的杂质加以清除并且将空气温度由80-100℃降到35℃以下，保证制氧系统的正常运行。 　　该系统中涉及的重要控制参数是水位。水位控制的高低直接会影响系统工作的稳定性。如果水位控制的过高，水就会进入分馏塔，冻结板式换热器，直接造成系统连锁停车；如果水位控制的过低，空气的预冷效果又不太理想，影响系统的正常运行。因此，采用单片机控制技术对该系统进行改造。单片机采用的是MCS-51系列的8051系统。 1 控制系统的组成（控制系统原理图如图2） 　　在图中空冷塔液位由双法兰差压变送器检测后，将差压信号转变成模拟信号，送入A/D转换器变成数字量，此数字量直接读入CPU处理器，在CPU处理器内经数字滤波、放大后，一方面作为本次采样值送入数字控制器；另一方面通过数显器进行显示，并用打印机打印出水位趋势图。数字控制器将采样值与给定值进行比较计算，计算结果经D/A转换器变成模拟信号驱动执行机构动作。当采样值大于给定值时，放水阀阀门开度增大，反之阀门开度减小。这样通过改变放水阀的开度达到控制水位的目的。此外，该控制系统具有发出水位正常信号以及在水位过高、过低时进行报警、联锁停水泵等功能，以确保系统安全、可靠的运行。 1.1 检测元件（双法兰差压变送器） 　　根据工艺要求，水位要控制在（6-14Kpa）范围内，检测元件选用EJA118W双法兰差压变送器（量程为0-10 Kpa）。 1.2 A/D、D/A转换器 　　本系统采用ADC0809型A/D转换器，该芯片为8位逐次逼近型A/D转换器，其精度完全满足本系统的要求，D/A转换器采用DAC0832。 1.3 I/O接口的选择 　　从系统控制原理图上看，该系统既要显示，又要进行控制，因而接口较多，现将各接口功能说明如下： 　　1）P1与P3接口：P1.7作为系统工作正常信号，P1.2水位超过12Kpa输出线，P1.3位是低于8 Kpa输出线。P1.6是允许手动调节输出指示，P3.2（ INT0外部中断0输入）作为A/D转换中断信号，P3.3（ INT1外部中断1输入）作为改变参数中断以及水位过高联锁中断的输入。INT1中断是多外部中断，且采用电平触发方式，因此采用多外部中断方式进行扩充。 　　2）81551#：PA口用做输入拨码开关的值，以确定修改的给定值数据。PC0用于手动调节开度增加键，PC1用于开度减少键。 　　3）81552#：该接口地址为7FF9H，其中PA口与打印机相联，工作在方式3并且是输出方式。PC口部分位作控制状态联络位，PC4用于水位过高连锁停水泵。打印机采用TpuP-40A微型打印机。 　　4）定时采样：本系统采用10秒钟定时中断采样，即每10秒钟采样一次。为此，我们采用系统中的T0作为定时器。MCS51的主频为6MHZ。要求产生10S定时，因此计数初值X为X=216－(6×10)/12=65536－5=65531=FFFBH分别送至TH0、TL0计数器内。 　　5）显示接口：采用8位并行输出串行移位寄存器74LS164扩展输出口，输出装置是2位共阳极七段LED显示器，采用静态显示方式。由于74LS164在低电平输出时，允许通过的电流可达8mA，故不需要再加驱动电路。 　　6）A/D、D/A接口：A/D、D/A转换器是模数、数模转换器。其中A/D转换器采用中断方式。 1.4 执行机构 　　执行机构采用气动薄膜调节阀，将数字控制器的计算结果经D/A转换器转换输出的信号送至电/气阀门定位器，经电/气阀门定位器转换成20-100 Kpa的信号送至气动调节阀，实现阀门开度的自动调节，达到控制水位的目的。 1.5 I/O口地址的选择及分配 　　端口地址分别为：81551#PA口地址为BFF9H，PC口地址为BFFBH，控制寄存器端口为BFF8H。81552#PA口7FF9H，PC口为7FFBH，控制寄存器端口为7FF8H。DAC地址为00FEH。ADC地址为FEF8H（IN0通道）。 1.6 程序所占用内部数据存储单元 　　2A-存放标度变换量程下限，2B-存放标度变换量程上限，2C-存放标度转换后数据，2D-存放转换成BCD码后的十位数，2E-存放转换成BCD码后的个位数，2F-存放PID输出值。30-水位设定值T，35-采样误差值en单元，36-放微分参数D，37-放积分参数I，38-放比例参数P，47-放滤波后数值。 2 数字控制器的数字模型 　　PID控制算法是目前过程控制中广泛应用的一种控制方法，这种控制方法对相当多的控制对象均能获得比较满意的结果，而且参数调整比较简单，所以本系统采用PID算法。所谓PID控制算法是指过程控制中，按偏差的比例、积分和微分进行控制的方法。而偏差e是由预置的设定值与实际的输出值相减得到。 PID的控制过程可用图3来表示。 　　如果把微型机在控制过程中作为控制器的话，那么控制器的输出可用下列算式表示： 　　其中，KP、Ti、Td分别是数字调节器的比例系数、积分时间和微分时间。 T是采样周期； P(n)-第n次采样时，调节器的输出； e(n)-第n次采样时偏差值； e(k)-第k次采样时偏差值； n -采样序号n=1、2……； 经变换得到PID算式的输出为： PID程序框图为： 3 控制系统程序设计 　　本程序采用双重中断的方法，即首先由定时器定时10秒钟产生一重中断，在此中断服务程序中用来启动A/D、采样、数字滤波、标度变换、数字控制运算、输出及数据显示等，在此中断服务程序中，又有一重中断，即A/D转换结束所引起的中断，此中断服务程序，以用来节省转换所需时间。当定时器中断服务程序全部完成以后，便返回主程序等待下一次采样。 为了便于操作，专门设计了一个小面板，用于参数的修改，利用产生中断，执行中断服务程序实现，另外，利用中断还可实现水位过高报警联锁停泵等工作。因此，可以分成以下几个功能模块： 1)主程序模块 2)定时器中断服务程序模块 3)A/D转换中断服务程序模块 4)设定值参数修改中断服务程序模块 5)水位过高联锁中断服务程序模块 为了减少突然停电或误操作等意外事故发生，把程序部分固化到EPROM中，因此即使停电、误操作，本程序也不致破坏。 3.1 主程序模块 主程序模块的功能是设置各接口片子的工作方式、中断方式、中断向量、开中断以及存放采样数据的首地址和标志单元等。本系统从采样到控制输出一个周期执行完以后即返回主程序等待下一个采样周期的到来。主程序框图为: 3.2 定时器中断服务程序 定时器10秒钟定时中断服务程序的主要任务是：启动A/D转换器，然后又回到本中断服务程序进行数字滤波、数字控制器的计算及输出，输出完毕后返回主程序等待下一次中断。见定时器中断程序框图、打印曲线程序框图。 在本程序中，有两种控制方式。即当采样值Xi＞12Kpa或Xi＜8 Kpa时，进行手动调节。在8-12 Kpa之间可进行自动调节，直接由数字控制器输出来控制。因此，本系统还可自动判断调节方式。 手动调节时，根据黄白灯情况，通过按压增减键改变阀位开度（黄灯亮，按增键，即将放水阀开度开大。白灯亮，反之），通过操作面上的拨码开关改变PID调节给定值，按下中断按钮，可读入给定值，达到改变给定值之目的。 3.3 A/D转换中断服务程序 此中断服务程序主要是读取A/D转换后的数据。程序框图如下： 3.4 操作面板 操作面板的作用就是修改参数值，数字控制给定值。通过拨码开关修改给定值。给定值调整好后，按下接在INT1上的中断按钮，引起中断，利用服务程序将参数值读入。 3.5 水位过高联锁 其过程是：水位开关接在空冷塔内水位过高位置，当水位到达此位置，水位开关K2动作，INT1电平有效中断，执行中断服务程序，使81552#PC4置1，使中间继电器Z得电，则Z常开闭合，常闭断开，从而使红灯亮，喇叭响，并使水泵停下来，以停止水泵再往空冷塔打水从而保证因水位过高而倒入分馏塔，避免了因系统异常而带来的不安全因素。 3.6 设定值参数修改中断以及水位过高连锁中断 设定值参数修改中断以及水位过高连锁中断共用INT1，通过线或的关系将这两个中断源接至INT1，同时利用P1.4、P1.5作为识别线，由P1.4、P1.5作