（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的萘提纯装置温度控制仪表的研制.pdf

摘要 摘要 在使用结晶法提纯j 二业禁获得精萘的生产过程中，温度是最重要的参数，决定着产品的质量。 依靠经验和人工操作进行温度控制，往往不能实现豢提纯t 艺要求，效率低、得料率不稳定。萘提 纯温度控制设备的自动化改造升级己成为当务之急。 结合某化：i j 厂生产设置升级发行的需要，本文讨论了基于嵌入式系统技术的荼提纯温度控制仪 表的设计。首先分析了萘及其提纯上艺，描述了具体的j r 艺流程；在对温度控制系统的应朋需求做 出分析的基础上，选择以智能仪表替代原有人上操作仪表的控制系统改造方案；提出了萘提纯温度 控制仪表的功能要求和性能指标，讨论了该仪表的电路结构和系统组成、硬件和软件设计平台和相 关开发技术等问题；设计了仪表硬件电路，包括以a r m 微控制器l p c 2 1 3 8 为核心的最小系统、存 储模块、测量控制模块、人机接口模块、串口模块、和电源模块等，并结合抗干扰要求完成线路板 布线设计和制作；提出仪表软件的总体设计方案，采川分层设计的方法，在p c o s i i 操作系统平台 的基础上，编制了参数测量、输山控制、人机交互与显示、数据通信、数据记录等功能模块，实现 了积分分离的p i d 算法和温度测晕控制功能。模拟调试和现场实验的结果表明，仪表设计达到预期 目标，能够满足萘提纯温度控制的应用要求。最后，对本文研究开发_ 作做了总结并对今后研究开 发工作提出了建议。 关键词：萘提纯工艺温度控制智能仪表a r mp c o s 一1 i a b s t r a c t a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei s t h em o s t i m p o r t a n tp a r a m e t e rd u r i n g t h e p r o c e s s o fn a p h t h a l e n e p u r i f i c a t i o n p r o d u c t i o n ，w h i c hu s e st h et e c h n i q u eo fc r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r ed e c i d e st h eq u a l i t yo fp r o d u c t s t h e t r a d i t i o n a lw a yt oc o n t r o lt e m p e r a t u r ed u r i n gn a p h t h a l e n ep u r i f i c a t i o np r o c e s si sa r t i f i c i a lc o n t r o l ，w h i c hi s i n e f f i c i e n ta n da f f e c t sp r o d u c t sq u a l i t y t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt ou p g r a d et h em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t s i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no fa ni n t e l l e c t u a li n s t r u m e n tf o rn a p h t h a l e n ep u r i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ec o n t r o l b a s e do f fe m b e d d e ds y s t e mt e c h n i q u ei s d i s c u s s e d ，w i t hc o n s i d e r a t i o no fp r o d u c t i o nn e e d s f i r s t ， i n t r o d u c t i o no fn a p h t h a l e n ea n di t s p u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i s g i v e n w i t ha n a l y s i s o nt h en e e do f t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，d e s i g no fa l li n t e l l e c t u a li n s t r u m e n ti sc h o s e na si m p r o v e m e n ts c h e m e 。t h e f u n c t i o na n ds y s t e ms t r u c t u r eo ft h ei n s t r u m e n ta r ep r o p o s e db a s e do nd e m a n da n a l y s i s ，a n ds o m er e l e v a n t t o p i c sa r ed i s c u s s e d ，s u c ha sd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s e c o n d ，t h ei n s t r u m e n t c i r c u i td e s i g ni sd e s c r i b e dw i t hap r e s e n t a t i o no fs c h e m a t i cd i a g r a m sa b o u tc i r c u i ts e c t i o n s 。s u c ha sm c u ， s t o r a g e ，s i g n a ld e t e c t i o n ，o u t p u tc o n t r o l ，l c da n dk e y b o a r d ，s e r i a li n t e r f a c ea n dp o w e rs u p p l y t h ep r i n t e d c i r c u i tb o a r d sa r ed e s i g n e dw i t hc o n s i d e r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y t h i r d ，t h ei n s t r u m e n t s o f t w a r ei sd e s i g n e db yu s i n gl a y e r e dm e t h o d ，f u n c t i o n a lm o d u l e sa r ep r o g r a m m e ds u c ha sm e a s u r e m e n t ， c o n t r o l ，m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ，d i s p l a y , d a t ac o m m u n i c t i o n ，d a t ar e c o r d i n t e g r a ls e p a r a t e dp i di su s e d 嬲c o n t r o lm e t h o d s t h ef u n c t i o n s o ft h ei n s t r u m e n ta r ev e r i f i e da n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o le x p e r i m e n t s h o w st h a tt h ei n s t r u m e n th a sa c h i e v e dt h ed e s i r e do b j e c t i v e s f i n a l l y , t h ep r o j e c tw o r ki nt h i sp a p e ri s s u m m a r i z e d ，a n ds o m es u g g e s t i o n so nf u r t h e rd e v e l o p m e n ta r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ： n a p h t h a l e n ep u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y t e m p e r a t u r ec o n t r o l i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a r m o c o s - i i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证一1 5 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印什和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：导师签 期： 第一章绪论 1 1 萘及其提纯 第一章绪论 萘是最基本的稠环芳烃，常温- 卜为无色片状品体，熔点8 0 5 ，沸点2 1 8 ，有特殊的气味， 易升华，不溶丁二水，易溶于热的乙醇和乙醚。蔡是重要的有机化t 原料，主要用于合成苯酐、1 3 萘 酚、甲基酚、乙基酚、q 禁酐、h 一酸、减水剂、分散剂等，萘及萘系产品广泛应用于合成树脂、涂 料、医药、农药、轻工、塑料、助剂等行业。 萘按生产原料不同，分为煤焦油禁和石油荼。萘是在1 8 1 9 年被发现并丁18 2 1 年从热解的煤焦 油中分离出的较纯i 司体；另外在石油炼制过程中，利用催化裂化、重整等馏分为原料，经过加氢精 制、催化脱烷基、脱氢等j i j 艺也可获得禁，通称石油禁。在国内，从煤焦油中提取禁是主要的生产 方式。从焦化厂米的焦油送到焦油油库，在此进行脱水脱渣，然后送至焦油蒸馏工段，馏份塔分离 山轻油、i 葸油和混合份，得到的混合份送至馏份脱酚工段，馏份脱酚工段采用连续洗涤上艺，分 离出中性酚钠、已洗混合酚。己洗混合酚送至工业荼i ：段，中性酚钠经酚盐蒸吹釜得到净酚盐，酚 盐分解在分解塔内分别分离出粗酚和碳酸钠【7 l 。 工业荼蒸馏采用双炉双塔常压蒸馏工艺。馏份脱酚工段得到的已洗混合份进入工业萘初馏塔， 分离出酚油后进入工业荼精馏塔，分离出洗油和：业蔡产品。纯度较高的精荼由t 业荼作为原料经 提纯得到。 由工业禁制取精蔡，主要是除去以硫茚为代表的含硫化合物和少量酚类及不饱和化合物等。传 统的方法是酸洗法、加氢精制法，发展趋势是结晶洲9 1 。 1 酸洗法：浓硫酸洗涤是传统的化学精制法，主要是利用硫茚易磺化同时与酚类和不饱和化合 物一起在浓硫酸作用卜- 可聚合为树脂状物质的原理除去。由于该法产生废酸及环境污染等问题已逐 渐被彻底淘汰。 2 加氢精制法：加氢精制是新化学精制法。1 9 6 5 年美国柯柏斯公司( k o p p e r s ) 首先借鉴了斫油 化t 生产中加氢脱硫精制技术，开发了上业荼加氢脱硫上艺。使祭中的硫茚、酚等杂质转化成易于 除去的物质加以分离。过稃发生的主要反应有：硫茚加氢生成乙苯和硫化氢；甲基苯腈加氢生 成间二甲苯和n h 3 ；二甲基氧茚加氢生成二甲基乙苯和h 2 0 ；3 ，5 二甲酸加氢生成问二甲苯和 h 2 0 ；荼加氢转化为四氢蔡。该工艺需提及的一点是催化剂选择性要强，希望对萘的加氢反应生 成四氢蔡产物要低，转化其它杂质的程度要高。该法其脱硫精度远高于硫酸精制，硫茚含量可达到 小于0 0 5 。 3 结晶法：工业禁制精萘的最大难点是脱除荼中的硫茚。因为荼和硫茚沸点仅相差2 。c ，而结 晶点相差4 8 。c ，冈此利用结晶法制精荼是精禁技术发展的方向。结品法从工艺过程中是否添加溶剂 可分为熔融结品和溶剂结品法两人类，其中熔融结晶法中的分步结晶法目前在国内外应用较为广泛。 工业荼分布结晶法分离精荼的理论是依据物系的液一i 矧相平衡。蒸馏法生产的上业萘中主要杂质 是硫茚、酚类、碱性含氮化合物及中性油类，杂质量约占总量的5 。蔡与芳烃及酸、碱性芳香化合 物组成的体系形成简单的低共熔体，而且最低共熔点都出现在蔡的低浓度区。理论上这些杂质经过 一次重结品就可以除去。特殊的是萘与硫茚所形成的复杂体系，两者不但不能形成共熔体，而且在 萘的高浓度区形成i 州熔体。理论上只有经过若干平衡样级的处理便可达到需要的分离效果，在实际 生产中，需要确定恰当的分离级数和产品需要达剑的蔡纯度指标。通过控制一定温度条件是上业荼 处在两相区内，物系中的各组成部分将在共存的两相中重新分布。 在实际生产中，这种方法的核心是通过调：骼物料的温度变化，使物料在结晶箱中结晶，然后部 分融熔。分离液化物后的镏分再重复进行结晶和部分融熔处理，这样一般经过4 - 6 次的重复过程， 就可以得剑纯度在9 9 以上的精祭。 1 东南大学硕十学位论文 该工艺产品纯度高、收率高，原料消耗较小、不需要溶剂和其它辅助原材料，过程无废物排放， 对环境污染小，操作简便，质量稳定。缺点是生产周期长、能耗较高。 1 2 课题的提出 1 2 1 课题背景 受某化工厂委托，我f i j 需要对其蔡提纯装置的温度控制系统进行自动化改造，该厂萘提纯t 艺 采用的是结晶法，温度是生产过程中最重要的参数。 原料采用的是符合国家标准( g b 6 7 0 0 8 6 ) 的焦油蒸馏上业萘，将在地下熔萘槽熔融的原料在 8 5 9 0 温度条件下送人结品箱，以2 h 的降温速度，使液体荼在箱内全部结晶。然后再以4 h 的速率升温。在升温过程中，按不同的温度区间，通过控制阀门，接收不同的馏分一禁熔化物。按 如卜熔点分成不同的5 个馏分段：1 号馏分c p6 0 6 2 、2 号馏分c p7 0 7 2 、3 号馏分c p7 5 7 7 、4 号馏分c p7 8 7 8 5 、5 号馏分c p7 9 3 。然后以各馏分为原料重复分布结晶操作，不停的 投放原料，形成整个荼提纯装置加：l ：的系统t 程。馏分中的荼逐渐向高结晶点馏分集中，而杂质则 向低结晶温度转移，实现蔡和其它杂质的分离。最后以5 号馏分为原料，在特定的结品箱中进行加 工。在升温融化过程中，每3 0 分钟检测一次箱内流山的熔化物，当流出熔化物的结晶点c p 值达到 7 9 4 以上时，箱内剩余的朱熔化物的荼含鼍己达到9 9 。此时，箱内结晶体便是需要的成品精祭， 可经过加热，使其全部熔化后放出，由转鼓结晶机制片即得成品。 该厂有9 套禁提纯装置，采用p r o a b d 工艺【l0 1 ，流程如图1 1 所示，每套装置均由结晶箱、水槽、 循环水泵和加热冷却系统组成。结品箱内有专门设计的传热元件。以导出物料结晶时释放出热量。 加热系统由外部提供的蒸汽通过控制阀fj 对循环水进行加热，从而提高结品箱的温 度；冷却系统由阀门控制冷却水降低循环 水的温度，从而降低结晶箱的温度。 该厂原有的温度测鼙控制系统如图 1 2 所示，控制台由显示结晶箱及循环水 温度的显示仪表，控制蒸汽和冷却水量阀 门开度的显示和手动操控的电动操作器两 部分组成。工人依照经验通过操控电动操 作器开关蒸汽及冷却水阀门控制循环水温 度完成生产。 由前所述，在提纯过程中，温度是最 重要的参数，温度变化的过快或者过慢对 于出料的良品率都会产生负面影响。采用 人工依照经验控制的方法，从原料入箱之 后开始就要有人值守，集中精力面对着操 图1 - 1p r o a b d 工艺流程 作台的9 套仪表，按j ! ：c 事先规定好的操作流程操作控制阀门、电机的起停。因为提纯过程会持续很 长时间，一般至少几个小时甚至儿十个小时，人工控制温度的误差较大，不仅效率低，而且影响出 料的纯度。 对于捉纯生产过程来说，要提高纯萘的生产效率，就需要在升温和降温的过程中保持温度的均 匀变化，这对于人= 控制来说对丁t 人的经验和耐性要求很高，而设计一套白动化装置控制提纯过 程的温度变化，不仅可以降低人_ l 成本，而且较之人工可以使温度变化更均匀，更能满足提纯生产 过程中对于温度变化的要求。 2 第一章绪论 图1 2 原有的温度测量控制系统 综上所述，对于萘提纯温度控制设备的改造升级成为当务之急。为使茶提纯化工过程温度参数 的控制可靠，本课题着力于研制开发出一套h j 于萘提纯化工过程温度控制的现代化的设备，通过对 控温对象的分析，利用先进的控制策略，实现整个控温过程的白动化操作，这对于节约生产成本、 提高生产效率有着重要的意义，并为信息化管理提供基础。 1 2 2 改造方案 经调研分析，我们得剑了两个备选的改造方案，一个是选用工控机+ 板卡+ p c 编程的方案，另一 个是设计智能化仪表替代原有仪表的方案。 1 ：控机+ 板i ：- + p c 编栏方案 工控机由计算机基本系统和过程i o 系统组成，计算机基本系统由系统总线、主机模板、存储 器板、人机接口板与c r t 、磁盘机、打印机等通用外闸设备组成。过程i o 系统由输入信号调理板 和a d 转换器将现场传感器测量的物理信号转变为电信号，模拟量经模数转换( a d 转换器) ，变成数字 量输入计算机，计算机输山信号经数模( d a ) 转换和输出调理( 隔离放人) 成执行机构的功率驱动信号 控制执行机构。相比丁普通微机，它具有下列特点： ( 1 ) 高可靠性，以适应i ：业现场十分恶劣和复杂的上作条件； ( 2 ) 具有实时响应处理能力，以满足工业生产过程实时控制要求； ( 3 ) 丰富的与工业现场信号相连的1 二业i o 接口： ( 4 ) 结构搭配合理，易于扩展； ( 5 ) 先进的系统软件和应用软件，便于开发。 此方案需要购买一i ：控p c 机以及相应的采集板卡，主要一i ：作在于信号的处理及软件功能的实现。 此方案的优点是硬件平台现成、扩展性好，但同时将9 组设备集中控制风险高，舍弃原有系统对生 产影响人，而且一次性投入较大。 2 智能仪表方案 智能仪表即内置微机的自动化仪表。借助丁微机的强人功能，它能通过编科设定过程参数的时 3 东南人学珂! 上学位论文 问曲线，能够记忆过程参数的历史数据，能够完成复杂数学计算和数据处理并在异常情况下执行预 先设置的处理程序，所以称为“智能仪表”。 智能仪表土要由微机系统、测控通道、人机通道、通信接口和仪表软件等部分组成。它以微控 制器为核心，以计算机控制理论为基础，通过各种芯片采集信号以及将微控制器处理后的控制信号 转换为模拟信号输出，并且可以通过网络接口实现仪表与仪表甚至仪表与计算机的连网，使得很多 先进控制理论和控制方法在自动化仪表中的应j j 成为可能。 工业自动化仪表是用以实现信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析，并根据处理结果对 生产过程进行控制的重要技术装置。其中包括检测仪表、分析仪表、控制与执行仪表、记录与通讯 仪表笛几大类，也有把儿个部分功能集成在一个仪表中，它已经是工业控制领域的基础和核心之一。 本方案基丁每套提纯装置配置一台温度自动控制仪表，要求新仪表的安装结构与原有温度测量 仪表相同，可直接替换原有温度测鼍仪表，通过生产装置中已有的手动控制操作单元仪表的“自动 控制信号”接线端子接入新仪表的控制输出信号功能，并将控制方式开关切换到“自动控制”位置， 即可实现温度自动控制。这个方案的优点是新系统与老系统结构相同，对原有系统改动部分少，改 造易于实现，并有利于边生产边改造；同时，每套装置配置一台仪表，不仅可分散使用过程中的没 备故障风险，而且改造可逐步实施，初期成本投入低，降低技术风险。另外，未来可以通信仪表的 数据通信接口与p c 微机联机，构成多智能仪表d c s ，实现更为先进的控制和管理功能。然而，由 于没有适用于荼提纯装置温度自动控制的现成仪表产晶，必须要进行全新的仪表研究开发和应用实 验。 在与企业充分讨论沟通的基础上，综合比较以上两种方案的利弊得火，并结合现有的技术条件 和研究开发经验，我们选择了智能仪表改造方案，并将萘提纯装置温度控制仪表研制与应刚作为本 文研究课题的内容，其中仪表的设计开发是课题研究的核心部分。 研制与开发一台智能仪表是一个复杂的过程，这一过程包括：分析仪表的功能要求和拟制总体 设计方案，确定硬件结构和软件算法，研制逻辑电路和编制程序，以及仪表的调试和性能功能测试 等等。为保证仪表质量和提高研制效率，应在止确的设计思想指导下进行仪表研制的各项工作。 依据仪表的功能、精度要求和经济技术指标，自上而下( 或由大到小) 按仪表功能层次把硬什和软 件分成若干个模块，分别进行设计与调试，然后把它们连接起来，进行总调，这就是设计仪表的最 基本的思想。 通常把硬件分为主机、过程通道、人机联系部件、通信接口、传感器及工作电源等几个模块； 而把软件分成监控程序( 包括初始化、键盘与显示管理、中断管理、时钟管理、自诊断等) 、中断处理 程序及各种测鼙和控制算法等功能模块。这些硬件和软件模块还可以根据所设计的仪表的特殊性与 特殊功能继续细分，由f 一层次的更为具体的模块米支持和实现。模块化设的计优点是：无论硬件 还是软件，每个模块都相对独立，故能独立地进行研制和修改，从而使复杂的研制= 作得到简化。 同时模块化设计方式有助丁研制工作的分解和设计研制人员之间的分工合作，从而提高了工作效率 和研制速度。 上述各种软、硬件研制和调试之后还需要将它们按一定的方式连接起来，才能构成完整的仪表， 以实现既定的各种功能。软件模块的连接一般是通过监控主程序调用各种功能模块，或采刖中断的 方法实时地执行相应服务模块来实现。 1 3 本文的研究内容与结构安排 本论文首先从生产需求出发提出荼提纯温度控制仪表功能的需求，再讨论仪表的具体设计。其 以a r m 微控制器为核心，配置测量控制、人机交互、通信接口等硬件，基于p c o s i i 开发软件并 实现控制功能。本论文的后续章节主要同绕基于a r m 的萘提纯温度智能控制仪表的设计、应用功 能开发与功能调试实验展开阐述，具体包括： 第二章在分析控制对象的基础上讨论了萘提纯温度智能仪表系统的设计。首先对禁提纯生产上 艺进行了分析，给出了仪表设计的需求和功能指标，提出了系统架构设计和相关技术开发的条件。 4 第一章绪论 第三章在功能需求的基础上，阐述了荼提纯温度智能仪表硬件设计方案，详细给【j 了各硬什功 能模块的设计原理图，包括电源设计、存储器扩展模块、系统采样及控制模块、以太网模块、s d 卡 模块等，并给出了p c b 版图的没计和e m c 设计。 第四章首先给出软件的总体设计方案，然后分别介纠软件模块的设计。在简要介绍与硬什操作 有关的底层软件模块设计的基础上，介绍了如何将g c o s i i 移植剑本设计的微控制器平台理器上。 论文详细地阐述了多任务操作系统中完成各种功能的任务的具体实现，控制算法的选择，以及一种 菜单的实现方法。 第五章对萘提纯温度智能仪表调试中的一些技术问题及解决方法做了介绍，并给出了仪表各功 能的实现情况，介绍了现场调试的结果。 第八章总结了本文研究工作，并对今后的研究开发工作提出了建议。 5 东南大学硕十学位论文 2 1 控制系统结构 2 1 1 工艺流程 第二章系统设计 单个荼提纯装置结构如图2 1 所示，要控制的对像是萘结晶箱内的温度，该温度信号由热电阻 p t l 0 0 检测送出。循环水泵不断将管道中的水循环，循环水在荼结晶箱中与反应的原料进行换热， 通过控制循环水的温度米提高降低荼结品箱中反应的温度，循环水的温度信号也由热电阻p t 0 0 检 测送出。 循环水温由蒸汽和冷水调节，在加温过程中，打开蒸汽阀门并调。13 其开度以控制换热蒸汽的量， 可以控制循环水换热升温；在降温过程中，打开冷水阀fj 并调节其开度以控制换热冷水的量，可以 控制循环水换热降温。 为达到节能的目的，在单向的升降温过程中，蒸汽阀和冷水阀不同时打开。生产过程中已有 的成熟工艺是将循环水温度作为主控对象，同时参考结晶箱内的温度，依靠工人自身的经验对于阀 门进行开关，通过控制循环水温度影响萘结晶箱温度。由于荼在结晶时放热、熔化时吸热，且萘结 品箱巨人，每次生产量很多，整个系统是1 卜线性、时变的人时滞系统。 i i - 丫丫丫 r 监 控 室 蒸j 蒸 - 孽 粢。 冷 i 留 水 00 阀 榨温度控制仪表 - 制 17 信 汽 汽 。 j 闷为多水。羳 】 为一f 1 紧一 、 0 0 热器热器i 循 夕一厂一 分 一 1 萘提纯装置结构图6 第二章系统设计 2 1 2 温度控制系统 通过对t 艺流程的调研，我们了解剑，蔡结品箱温度通过循环水的温度进行控制，而循环水又 是通过蒸汽和冷水的量进行控制，由丁温度的变化本米就是缓慢的过程，再加上通过两级问接控制， 被控对象滞后较人，故可以采用串级控制的方式进行控制。 如图2 2 方框图所示，循环水温作为副控制变量，对其的控制过程作为副被控过程，萘结晶箱 温度作为主控制变量，其由副控制器的输出控制，这样可以有效减少系统人时滞带来的影响。对于 控制阀的控制滞后问题，在副控制回路内部设计一个反馈，减少冈控制阀的时滞造成对系统的影响。 对于类似的串级多同路控制，传统的方法是每个同路都使用一个仪表，对每个测鼙值进行处理 输出。这种方法的优点是有现成的一些标准仪表可以直接使用，但缺点也很明显，比如前级输出和 后级输入的信号的匹配，各个仪表参数的整定帮l 协调等。由于传统方法有着比较多的缺点，故设计 一个多路测量和输山的仪表，将多个控制回路参数的整定和协调放在一个仪表内实现，简化了调试 过程，提高了设计的效率。 t bt a 图2 2 以祭结晶箱温度为控制对象的方框图 理论上按照以上以萘结品箱温度为对象的串级控制的方式可以获得较好的控制效果，但工厂方 面由于以循环水温为对象手工凋：悔的生产下艺已经成熟，借崩已有的经验在设备初步调试之时可以 减少控制算法的复杂程度，并可与人工调节做对比，故我们优先选择了以调节循环水温为目标的控 制设计算法，如图2 3 所示。 图2 3 以循环水温度为控制对象的方框图 2 1 3 执行机构与传感器 执行机构，即萘提纯温度控制装置中控制蒸汽和冷水的调：仃阀，采用的是上海上仪仪表阀门有 限公司的z a z p 一6 4 k g 型电动单座阀，即公称压力6 4 m p a 的热片型电动直通单座调：肖阀，其由电动 执行机构及调节阀两部分组成，是一个用二相交流伺服电动机为原动力的位置伺服执行机构。 电动调1 y 阀输入由变送器或凋1 7 器送来的直流电流信号，经伺服放大器放人后驱动执行机构， 产生轴向推力，带动调节阀动作，从而引起介质流量的变化以达到凋节系统中各热工参数的目的， 同时执行机构发出一个阀的位移信号供伺服放人器比较，使调1 ，阉始终保持在一个与输入信号相对 应的位置上，完成伺服调= 1 了任务；在电流中断时，电动调= 恬阀保持在断电的位置，拉出手轮即可进 行手动操作。 电动调节f i ；i 的主要技术性能如表2 1 所示。 序号 技术性能名称技术性能指标 l 输入信号 0 1 0 m a 2 输入电阻 2 0 0q 7 东南人学硕 ：学位论文 3 基本议差 4 o 4 同著 3 5 5死区 3 6电源电压 2 2 0 v 1 0 ：5 0 h z 7 公称通径 5 0 m m 8 公称压力 6 4 m p a 9 ：1 ：作温度 4 0 2 5 0 1 0 行程 2 5 m m 1 1 阀fj 驱动电流 1 答 o _ c 1 9 3 0 0 星爹爹要 a 摹p12 0 t r c e s 眦 o 17 c a p i2 n o c k i m a t i 2 p 0l6 卧r r o 热怕1 0 2 1 a t 0 2 p o l 彭口n 1 2 p1 2l 同p e s t a t o v d d v 鼹 p 0l 邻【扑汀l 愿d a l p1 2 2 p i p p 3 1 a t l p 0 13 ，叭t 1 1 p 0 1 2 m a t l0 p o 1l ，c a p l 1 s c l l 口 n m o o n 凸 p 1 23 p l p e 5i a 1 2 一 p oj0 c a p l 0 宝p 0 9 r x d l h n t 3 击p08 t x d l 董当 委苜 崩匿 迥寺 q 星己 秦 ! _v d d 3 鼻f 图3 - 3l p c 2 1 3 8 管脚分配原理图 a l 4 8 4 7 4 6 4 5 4 4 4 3 2 m h z p 12 0 c l k i ，h p 0 15 1 n 1 2 i 12 l i i ) 5 l a v i ) d 33 4 0 3 9 3 8 3 7 3 6 3 5 3 4 3 3 p l22 4 0 5 i b p 03 m a | 1 1 1 p 01 2 m ar i lo p l ：3 7 7 0 5 p 0 lu l a p 】0 l p c 2 1 3 x 调试与测试接口不是系统运行必需的，但现代系统越来越强调可测性，凋试、测试接口的设计 也越来越受剑重视。l p c 2 1 3 8 有一个内置j t a g 调试接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取 内部信息。调试接口电路如图3 - 4 所示。 采崩a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真调试接口，j t a g 接口上的信号n t r s t 连接到 l p c 2 1 3 8 芯片的t r s t 引脚，达剑控制l p c 2 1 3 8 内部j t a g 接口电路复位的目的( 但不控制c p u 复 位) 。根据l p c 2 1 3 8 的应用手册说明，在r t c k 引脚接一个4 7 k 的下拉电阻，使系统复位后l p c 2 2 2 0 内部j t a g 接口使能，这样就可以直接进行j t a g 仿真调试了。如何需要使用p 1 2 6 p 1 3 1 作为i o ， 不进行j t a g 仿真调试，则可以在程序中通过设置p i n s e l 2 寄存器来使l p c 2 1 3 8 内部j t a g 接口禁 能。 lod，n一卜 a 的状态，逻辑0 ( 负逻辑电平) 为a b 的状态，a 、b 之间的压差不小于2 0 0 m v 。本系统采用m a x 4 8 5 作为r s 4 8 5 接口芯片，串口硬件电路图3 1 7 如下： v 1 1 ) 3 3 卜q v c o a d 冬i i k l v o o m - i 3 7 电源模块 图3 - 1 7r s - - 4 8 5 通讯电路 5 1 v s s c 硬件设计中，选择合适的电源是1 f 常必要的。其中开关电源由于具有了体积小、重量轻、效率 高、自身干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点，现在越来越多的应用到智能仪表中。但是由 于逆变电路中产生高频电压，对测控电路会产生一定的干扰。同时考虑到开发时间有限以及电源也 不是本系统设计的重点，因此选刖了线性电源米进行开发。 为了防止模拟、数字信号间相互干扰，仪表的设计共使用三组电源，由变压器分三组抽头提供 独立的1 2 v 交流电源。一组抽头提供数字信号部分的电源，如图3 18 所示，首先将变压器的交流电 源通过桥堆2 w 0 6 整流，变成单向脉动电压，经电解电容滤波，然后通过7 8 0 5 稳压至5 v 然后将其 送入s p x l l 7 - 3 3 ，稳压至3 3 v 。电源输出端分别采用电解电释和0 1 p f 的非电解电容进行滤波，分别 滤除低频和高频干扰。第二组抽头提供模拟部分的电源，模拟电路中模拟开关、运放等芯片都采用 双电源供电，故需要产生5 v 电源。如图3 1 9 所示，线性电源输出经过整流、滤波，分别送入7 8 0 5 和7 9 0 5 ，稳压至+ 5 v 和5 v 。第三组抽头提供给串口通信部分电源，如图3 2 0 所示，与上两组类似， 不再赘述。 j 图3 1 8 系统主控板数字信号部分的电源 2 7 f 一 东南人学硕十学位论文 图3 1 9 系统模拟部分电源 j 3 3 8p c b 设计与抗干扰 图3 2 0 串口通信部分电源 p c b 板布线是硬件设计中的重要部分。其中必须考虑剑p c b 几何尺寸与仪表机壳的相互配合， 更关系到硬什电路是否能够止常、稳定可靠地上作，同时也关系剑硬件电路调试是否方便。 1 印刷电路扳的布局 印刷电路极的儿何尺寸受到仪表外壳大小的限制，大小要适中，要有利于元件放置和电气连线。 印刷电路板尺寸过大，则印制线条加长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；尺寸过小，则 电路板散热性能不好，且邻近导线间容易产生交义干扰。 在确定p c b 尺寸后，首先必须确定印刷电路极定位孔或同定支架安装孔的位置以及一些特殊元 件位置。然后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行整体布局，将模拟电路区( 对噪声 和干扰敏感的区域) ，功率元件区( 干扰源) ，数字电路区( 即产生干扰义怕受到干扰) 合理的分开。 布局时，以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它米进行布局。元器什应均匀、整齐、紧凑地排 列在p c b 上。应尽餐把相互有关的器件放得靠近些，例如，石英晶体振荡器和m c u 的时钟输入端都 易产生噪卢，应尽可能相互靠近，同时，将石英晶体振荡器的外壳接地。i o 驱动器件、功率放人 器件应尽量放置在印刷电路板的边缘部分，尽鼍靠近引山的接插件的位置。容易产生噪声的器件、 人电流电路等应尽量远离仪表中的逻辑电路，如有可能，可设计在另外一块电路板上。最后，还要 考虑电路扳在机箱中放置的方向，将发热量大的器件放置在上方。 根据现有的仪表盒大小尺寸，将所有器什分别放置在三块板上：主极、上板和前板。上板放置 与强电相关的后向输出通道器件，前板放置按键及显示模块器件，主板放置微控制器、电源及其他 功能器件。相对于上板和前板，主板上放置的器件较多，接插什也很多。主要芯片有四块，l p c 2 1 3 8 、 a d 7 7 0 5 、c d 4 0 5 1 、m a x 4 8 5 ，但是主板面积不大，所以器件布局比较紧凑。 因为每个模块的电源相对独立，所以各路电源本着就近原则放置，人体将整块主板分为数字电 源区和模拟电源区，以斜4 5 度线为区分，左上是模拟电源区，中间是数字电源区，右下是通信用电 源区。在主板的底测焊接了前板液品接口的接插什，主极左侧焊接了与上板连接削接插件，均采用 软排线连接，容易放入产品的外壳中，形成一个完美的整体。主板p c b 如图3 2 l 所示。 2 8 搪! 帝收女碰件设计 h3 - 2 1 上扳p c b 布局i 划 2 、电气迮线 电气垤线方面，首先要求尽簟缩短各元器件之问的引线。时钟信母区或噪卢敏感器仆下戊尽量 避免走线，时钟信号区f r g 可能有大面积的地。同时，a d 转换器的参考电源输入端尽量远离散字 l u 路的信号线尤其是高频时钟信号线模拟电路和数字电路部分的走线也麻避免交叉。最后，席 遥免在电路扳上打太多的过孔太多的过孔会对电路饭的i l 气特性和机槐性能产生不良的影响。另 外，对于备苍片投有用到的引脚要接地或接l e 电源，所有晶振电路的外接电容的引线尽可能的短。 3 、电源录i 地线 相当多的千扰是通过l b 源和地线耦台而进 的良好的电源帛l 地线的设计可以人人提高仪衰抗 干扰性能。在印刷电路板设计时麻撤据印制线路板电流的大小，尽撤加租电源线的宽度，减少环 蹄电阻。同时，应使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪卢能力。此 外，在l u 子产品设汁中，接地是控制干扰的重要措施。在地线设计中应注意以f 几点： ( 1 ) 正确选抒单点接地与多点接地。 低额电路柏地廊尽鼍采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再井联接地高额电 路宣采h 多点串联接地地线短而粗。高频元件周围尽量采_ l j 大面积橱格状的地如有可能，要尽 量加人线性电路的接地面积。 位) 数字地与模拟地分开 电路板上既有高速数字镬辑电路。又有线性模拟电路戍使它们尽量分开，两者的地线不婴相 互混淆，最厉实行一点接地连接 ( 3 ) 接地线应尽颦加柑 若接地线用很细的线举，则地线的公共阻抗明显加人不同地点的地电位则随地线上电流的加 大会造成 艮人的差异，使得并处地电位发生偏移从而影响仪表摧体性能。田此，应尽可能的将地 线加粗。 东南人学硕上学位论文 4 1 软件总体设计 第四章仪表软件设计 本系统的设计构架采用分层结构，每层完成相应的功能。同时对系统程序源文件的管理也遵循 层次式的结构，方便了二次开发者的模块移植和系统升级。系统分为四层，体系结构如图4 - 1 所示。 图4 1 软件体系结构 1 启动代码是系统加电启运行的第一段软件代码，初始化硬件设备、建立内存空间的映射图， 从而将系统的软硬件环境带剑一个合适的状态。 2 驱动层主要是为应用层提供对底层硬件的访问接口，对应用层屏蔽掉底层硬件的细节。例如 对s d 卡访问、l c d 驱动、a d 驱动等。对于d r y a p i 模块，其又分为l c d d r y 、k e y d r y 、s d _ d r v 等模块。对于这个层的文件命名方式都加以“一d r y ”的方式。 3 嵌入式操作系统uc o s i i 是系统运行的调度中心，主要负责提供以下一些基本服务；任务 调度、任务间通信、中断管理、内存管理等。在操作系统之上，任务之下加入了文什系统和g u i ， 它们主要是为上层任务提供封装好的函数接口，方便任务程序的编写。 4 应用层是完成仪表具体功能的实现层，我们把这个层又划分为三个模块：a p p _ t a s k 、i n c l u d e 和u s r m e n u v i e w 。其中a p p _ t a s k 主要是实现具体功能的任务，包括看门狗任务、文件系统任务、测 量与输出控制任务、控制算法任务、读写s d 卡任务、按键检测任务、消息处理任务、l c d 显示任务、 r s 4 8 5 通信任务；i n c l u d e 为系统共享头文件等资源；u s r m e n u v i e w 包含了用户的界面操作接口、界 面定义文件等。i n c l u d e 文件夹的作用是把a p p和文件夹联系起来。_ t a s k u s r m e n u v i e w 对于模块划分，我们遵循以下原则： 令 一个功能模块建立一个源文件，当不需要此功能时程序也可以通过编译。 建立与此功能源文件相配对的头文件，放入i n c l u d e 文件夹中。 提供应刚所需的基本功能接口，这些功能尽可能满足火部分系统设计需求。 夺 对此功能模块中的全局变量，只在此文什中效，当外部需要操作这些变量时，通过函数接 口提供。 4 2 启动代码 由于a r m 是一个复杂的片上系统( s o c ) ， 用需求由软件米设置其所需的j 二作功能。因此， 其多数硬件模块都是可配置的，需要针对不同的应 在用户的应用程序启动之前，需要有专门的一段启 3 0 第网章仪表软件设计 动代码来完成对系统的初始化。由于这类代码直接面对处理器内核和硬件控制器进行编程，一般都 使用汇编语言。本系统主控板初始化程序包括：2 个汇编文件( s t a n u p s 、i r q s ) 、一个c 文件( t a 唱e t c ) 文件名功 能 c o n f i g h 系统配置和类型定义。 t a 唱e t h 一些和目标板相关的声明。 i r q s允许中断嵌套时的i r q 句柄 l p c 2 1 3 x 的启动代码，包含异常向量入口、c 语言主 s t o u p s 程序入口、初始化堆栈的代码等。 l p c 213 x 主控极初始化代码，包括异常处理程序和目 t a 喀e t c 标板初始化科序。 表l 初始化软件及功能介绍 由于厂家提供l p c 2 1 3 x 的标准t 程模板，创立t 程软件的时候可以在编译环境中白动生成以上 几个初始化文件，开发者只需根据自己主控板的具体硬件环境进行相应的配置修改。冈此，为我们 的开发提供了非常便捷的途径。 4 3 驱动设计 4 3 1a d 芯片驱动 系统中a 9 采样电路使用了a d 7 7 0 5 芯片，其主时钟取：f a = 2 4 5 7 6 姗z 。a d 7 7 0 5 的串行数据接 口包括5 个：片选输入c s 、串行时钟输入s c l k 、数据输入d i n 、转换输山d o u t ，状态信号输出口 d r d y ，当d r d y 为低电平时，转换数据可用，当为高电平时，输出寄存器正在更新数据，不能读出数 据。图4 - 2 、4 - 3 分别为a d 7 7 0 5 的读和写周期的时序图。 _ ，、 一卜t 3 ” 扣t l o 一 ，、 i 叫k t b 卜l 厂 厂 厂 厂 广 r 。u t 5 一匕 - qt ，卜- ，k 一卜_ | i 丁 f | 厂t 1 峙b7 图4 2 读周期时序图 图4 - 3 写周期时序图 利用g p i o 模拟串行口的时序c l k ，实现对a d 7 7 0 5 的转换状态设置并从数据寄存器中读取数据。 3 l 东南人学硕上学位论文 a d 7 7 0 5 所有的操作都是