新型污垢熱阻在線監測儀的研制

徐品政 羅益民

(南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 210000)

0 引言

工業生產中通常使用循環冷卻水對設備進行冷卻，但若對其處理不好，則會給換熱設備帶來污垢沉積，并對換熱設備的性能以及工業生產安全帶來嚴重影響。因此，工業中通常使用監測換熱器對循環冷卻水結垢情況進行監測。

監測換熱器是一種模擬實際工況的小型換熱器［1］。使用監測換熱器長期在線監測污垢熱阻的同時，需測定和記錄各種數據，并計算污垢熱阻。這一過程持續時間長，消耗的人力較多，且精度不高［2］。使用市場上一般的污垢熱阻監測儀可實現自動測量和計算污垢熱阻的功能，但并不能對蒸汽溫度和進水流量進行自動控制，而且此類監測儀往往不具備通信功能，不能接入工廠的DCS，也不便于工廠進行遠程監控。本文介紹的一種基于C8051F021的污垢熱阻在線監測儀的設計，很好地解決了以上問題，且儀器測量各性能(精度、集成度、可靠性)高、功耗低、體積小，很適合使用在工業現場的監測換熱器上。

1 監測換熱器系統

1.1 系統結構

污垢熱阻在線監測儀首先通過分布在監測換熱器各部分的傳感器得到測量數據，主要測量值有蒸汽溫度、進口溫度、進水流量和出口溫度，然后監測儀對傳感器數據進行處理后顯示，并通過計算得到當前污垢熱阻值，最后將相應數據傳送到DCS。此外，監測儀還能根據所設置的參數對蒸汽電動閥和進水電動閥進行控制。

監測換熱器系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 Systematic Structure

1.2 污垢熱阻的計算方法

在計算污垢熱阻之前首先要對清潔管熱阻R0進行計算。根據傳熱系數方程式和熱傳導的基本原理，可得到清潔管熱阻R0的計算式為:

式中:d為換熱管內徑;l為試驗管的有效長度;n為試驗管的數目;Cp為水的比熱;G為單位時間內冷卻水的流量;T為當前蒸汽溫度;t1為當前冷卻水進口溫度;t2為當前冷卻水出口溫度。

由此可得瞬時污垢熱阻rs，即當前熱阻值減去清潔管熱阻值，計算式為:

1.3 監測流程

基于以上污垢熱阻計算方法，監測換熱器系統需要在首次運行時先計算清潔管熱阻R0，這是保證整個測量準確的基礎，然后再計算污垢熱阻rs。

基于這個測量流程，本儀器運行時分為4種狀態，分別為“0狀態”、“1狀態”、“2狀態”和“3狀態”。在“0狀態”時，輸入監測參數，為監測做準備;在“1狀態”時，計算R0，每隔一定時間計算一次，求8次后取平均值;在“2狀態”時，每隔2 h計算一次rs，直到手動結束測量;“3狀態”為結束測量狀態，需操作員手動使測試過程進入該狀態，在該狀態之前保存的R0、rs的數值將被清零。

2 監測儀硬件設計

本監測儀硬件部分主要由微控制器、信號調理電路、外部存儲器、RS-485通信電路、液晶顯示器、鍵盤等人機接口設備和外接傳感器以及執行器等組成。系統硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構Fig.2 Hardware Structure

2.1 中央控制單元

本監測儀的中央控制單元使用美國Silicon Laboratories公司設計的C8051F021型單片機。該單片機內核采用流水線處理技術，具有很高的指令執行效率，性能遠高于傳統的51單片機，能夠滿足本系統中控制算法的運算需求。另外，其具備多種總線接口以及本系統所需的模擬和數字外設，包括8輸入12位片內ADC、2個12位片內DAC，因此大大減少了外圍擴展器件，提高了硬件系統的集成度，有效地減小了儀器的體積，從而降低了系統的功耗和成本，完全符合系統設計需求。

2.2 傳感器

本系統中溫度傳感器采用A級Pt100鉑電阻，其阻值隨溫度的變化而改變，且精度高，穩定性好，在工業系統中有著廣泛應用。流量傳感器采用電磁流量計，測量范圍為0.3 ～15 m/s，精度為0.5 級。

2.3 信號調理電路

在溫度信號采集方式方面，本監測儀采用電橋電路，將電阻的變化轉換成電壓的變化，并且與Pt100的連接采用三線制接法，其優點是將Pt100的兩側長度相等的導線分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。轉換得到的電壓信號需經過放大后才能送入A/D以保證系統精度，因此本儀器采用LM324放大器對信號進行差分放大，再送入C8051F021的12位A/D進行處理，實現了對溫度信號的高精度采集。

流量、pH和電導率信號都為4～20 mA電流信號，由LM324完成I/V轉換后再送入單片機的A/D接口。另外，本監測儀還要實現對蒸汽電動閥和流量電動閥的控制，需要輸出4～20 mA的電流控制信號，因此本設計中通過單片機12位D/A輸出2路0～5 V電壓信號，然后再經過V/I轉換電路將其轉換為4～20 mA電流信號，實現對電動閥的控制。

2.4 外圍設備

為了更好地了解監測換熱器的工作狀況以及冷卻循環水的結構趨勢［3－7］，需要對污垢熱阻值進行存儲。本監測儀每2 h計算并保存一次污垢熱阻值，并保存99天的污垢熱阻值。設計選用了鐵電存儲器FM31256對數據進行存儲，其存儲容量為256 kB，通過I2C接口與單片機連接，對數據讀寫次數沒有限制。FM31256具有10年掉電數據保存期，完全滿足系統需求。

人機接口設備方面，本監測儀采用128×64的點陣式液晶顯示器以及4個獨立按鍵，可以實現測量數據顯示、參數設置、污垢熱阻變化趨勢顯示等，符合工業現場監測人員需求。

3 監測儀軟件系統設計

C8051F021為本監測儀的核心控制器件，它是監測儀軟件系統的載體。本設計中，軟件采用C語言編寫，源碼編譯生成的二進制文件通過JTAG接口下載到單片機的Flash存儲器中。監測儀軟件系統的主要功能包括單片機功能配置、界面顯示、按鍵處理、信號采集處理、控制算法實現、污垢熱阻計算與存儲以及DCS通信等。

3.1 主程序流程

軟件主程序流程如圖3所示。開機初始化后，即循環執行功能模塊。此流程圖中只列出了一些主要的軟件模塊，另外一些功能模塊在此不再贅述。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of the main program

3.2 A/D采樣信號的處理

由于監測系統在運行中可能會受外界干擾，受干擾的信號經A/D轉換后的結果會偏離真實值，因此必須進行數字濾波。本監測儀對A/D采樣值采用防脈沖干擾平均值濾波法，即首先開辟能存儲N次采樣值的數據緩沖區，初次存入N－2個采樣值;然后讀取2個采樣值，此時已有N個采樣值;接著對N個值從小到大排序，得到yi，再刪除現有N個采樣值中最小和最大值，即y0和yN;最后對去極值后的N－2個采樣值求平均值，其計算公式為:

式中:yi為經過從小到大排序后的采樣值。

由于Pt100鉑電阻的溫度-電阻函數關系并非線性，所以將經A/D轉換和數字濾波，且經計算后得到的電阻值直接通過計算轉換成溫度的方法需消耗很多單片機資源。因此，本儀器在軟件設計中，采用查表和線性插值算法相結合的方法實現電阻到溫度的轉換。該方法運算快、消耗單片機資源少，并且可以在一定程度上對Pt100進行線性化校正，從而提高測量精度。其具體實現方法為在Flash中存儲電阻-溫度分度表，在0～150℃范圍內，每隔2 K在分度表內記錄一個電阻與溫度的對應關系，共記錄75組對應關系。在測量過程中，首先根據測量到的電阻值選定阻值區間，然后查表得到該區間端點阻值所對應的溫度，最后在該區間內進行線性插值算法即可求得當前溫度值，其計算公式為:

式中:Rx為測量到的電阻;Ri和Ri+1為區間端點，且Ri≤Rx＜Ri+1;Ti為查表得到的Ri對應溫度值;Tx為Rx所對應的溫度，即當前所測得溫度值。

3.3 控制算法的實現

在監測換熱器使用過程中，若水流量和蒸汽溫度發生較大波動，會影響監測的準確性，因此必須對水流量和蒸汽溫度進行自動控制，以保證水流量和蒸汽溫度的穩定。本監測儀采用了一種帶死區控制的數字PID控制算法，其原理如下。

首先對PID控制算法進行離散化處理可得:

式中:積分系數 Ki=KcT/Ti;微分系數Kd=KcTd/T。其中T為采樣周期;Kc為控制器的比例增益。

由式(5)可以看出因為要累加所有偏差e(j)，所以這種控制算式使用起來很不方便，要占用較多存儲單元，且不便于程序編寫，因此對式(5)進行遞推，得到如下所示的增量型PID控制算法:

在k時刻的全量控制輸出為:

該式中不需累加偏差e(j)，控制增量Δu(k)的確定僅與前兩次的偏差采樣值有關，計算量小、程序編寫簡單、運算速度快，適合實際應用。

為了避免控制動作過于頻繁，消除因頻繁動作所引起的振蕩，本監測儀在以上PID控制算法的基礎上增加了死區控制功能，死區的輸入輸出特性為:

其控制結構圖如圖4所示。

圖4 控制結構圖Fig.4 Control diagram

圖4中:第一個框圖表示死區控制特性，即式(8)所表示的內容。

帶死區控制與不帶死區控制的PID算法仿真對比如圖5所示。

圖5 控制算法仿真對比圖Fig.5 Simulation comparison of control algorithm

該控制算法最后將u(k)轉換后傳送給D/A，最后輸出4～20 mA信號給調節閥，其能有效地實現對水流量和蒸汽溫度的自動控制。同時從圖5中易看出，該控制算法相比不帶死去控制的PID算法可以有效避免閥門頻繁動作，在保證監測系統的穩定的同時延長了系統的壽命。

3.4 通信功能的實現

本監測儀可通過RS-485接口與上位機或DCS相連，且采用Modbus通信協議，可遠程傳遞測量數據和修改監測儀參數，實現了遠程監控［8－10］。

4 測試結果分析

在完成了對監測儀的設計后，對其性能進行了測試。測試中對蒸汽溫度和進水流量分別設置了5個目標值，通過PID調節使其穩定后，對比現場監測換熱器中的水銀溫度計和電磁流量計顯示值，測試結果對比如表1所示。

表1 測試結果對比Tab.1 Comparison of th testing results

監測儀對蒸汽溫度調節后的穩定值和水銀溫度計讀數對比表明，該監測儀對蒸汽溫度的測量精度較高;對進水流量調節后的穩定值與電磁流量計讀數對比表明，該監測儀對4～20 mA信號的轉換也有較高精度，可以很好地實現現場數據的采集，系統性能穩定可靠。可見，本監測儀能很好地實現蒸汽溫度和進水流量的PID調節，避免其產生較大波動，以使系統穩定運行。

5 結束語

本污垢熱阻在線監測儀對以往污垢熱阻在線監測儀進行了改進，通過高集成度芯片的使用，將儀器體積控制在了12 cm×12 cm×9 cm，便于現場安裝和使用。經現場使用后證實，該監測儀性能表現良好，且穩定可靠，能夠很好地配合現場監測換熱器對冷卻循環水結構情況進行在線監測，對實現水質的科學監測與管理起到了極大的幫助。

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