煤气罩式退火炉温度控制系统

微机控制课程设计

题目：煤气罩式退火炉温度控制系统

学院：信息工程学院

专业：自动化

班级：自动化0502班

姓名：王猛

学号：05001160

目录

摘要-----------------------------------------------------2

一、工艺要求-----------------------------------------------2

二、系统分析及硬件设计------------------------------------3

1系统分析--------------------------------------------3

(1)分析系统----------------------------------------3

(2)系统框图----------------------------------------5

(3)计算过程----------------------------------------5

2硬件选择--------------------------------------------5

(1)CPU选型----------------------------------------5

(2)热电偶------------------------------------------5

(3)接口芯片----------------------------------------7

(4)A/D转换器--------------------------------------6

(5)LED显示----------------------------------------7

(6)键盘--------------------------------------------8

(7)光电隔离----------------------------------------9

(8)执行器------------------------------------------9

三、程序设计----------------------------------------------10

(1)主程序----------------------------------------------10

(2)采样子程序-----------------------------------------14

(3)滤波子程序-----------------------------------------14

⑷显示子程序-----------------------------------------16

(5)标度转换子程序-------------------------------------16

(6)键盘子程序-----------------------------------------17

(7)数字控制器子程序-----------------------------------19

四、总电路图---------------------------------------------24

五、课程设计总结-----------------------------------------24

六、参考文献---------------------------------------------25

-1-

摘要

煤气罩式退火炉主要用于对冷轧钢板进行热处理，采用高炉煤气作为

燃料。其炉体结构如下图所示，它有内罩与外罩，在内罩内放入退火

钢卷，并投入保护性气体防止氧化。燃烧在内罩与外罩之间进行。12

个喷嘴分为上下两层，煤层六个环a绕排列。煤气和空气的喷燃比由

连接两个阀门的连杆所固定，这样在燃烧时，其空然比不变。炉温控

制系统测点为保护性气体温度T1,目前工艺定为控制温度。煤气和空

气阀均为堞阀，由一台电动执行器通过连杆共同带动。整个系统可以

认为是以保护气体温度为输出，以电动执行器带动的蝶阀开度（对应

于煤气输入量）为输入的一个单输出单输入的温度控制系统。

0」488(s+l)产

系统模型

27.6675+1

一、工艺要求

工业模型图

-2-

退火温度工艺要求温度在升温、保温过程中按一定的工艺曲线升温和

保温，在此过程中，实际温度与给定工艺温度曲线的偏差不许超20℃,而

降温过程为自由降温，温控系统不作起用。

在yl(400℃)温度内，保护气体温度在供气阀门开到最大情况下，

以自由升温的速率在最短时间内升到yl(400℃),从yl(400℃)开始到

y2(700℃)的保温点，温度按45—75℃/h的速率上升，此段为升温段。

到y2点，则开始进入保温段，以y2为恒值温度进行保温。钢卷保温

(t3-t2)后停火，进入降温段，在此段中温控系统停用。

要求实现系统基本功能：

微机自动调节：正常工况下，系统投入自动。

模拟手动操作：当系统发生异常，投入手动控制。

微机监控功能：显示当前被控量的设定值、实际值、控制量的输出值、

参数报警时有灯光报警。

二、系统分析及硬件设计

1.系统分析

(1)分析系统

煤气罩式退火炉温度控制系统的测点为保护性气体温度"，煤气和

空气阀均为蝶阀，由一台电动执行器通过连杆共同带动。整个系统可以认

为是保护气体温度为输出，以电动执行器带动的蝶阀开度为输入的一个单

输出单输入的温度控制系统。

大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统

-3-

的传递函数相当于一•个带有纯滞后的一阶惯性环节，即通常认为对象与•

个零阶保持器相串联,相对应的整个闭环系统的脉冲传递函数是:

9M88("I*.

27.667s+1

(2)系统框图:

R(S)jR(Z)Y(Z)

—

T

(3)计算过程

传递函数：

l--TS

G(z)=Z[Q(s)—e—J

=z0.1488(5+1)^1-产

-27.667s+1,-一

(s+l)e-m、(s+l)e(-E

=0.1448Z[

s(27.667s+1)5(27.6675+1)

=0.1448(「—26.667一%1H

z-1z-e

闭环传递函数：

“120s

①(z)=----------

ZS4-1

计算U(K)；

-4-

G(z)口一①⑵]

T

z-a(l-e；)

一工zz

u—J'zT-(l-e7)z-NT]G(z)

根据上式，求得U(z),进而离散化得到下式：

U(K)=6.974*E(K)+0.797*E(K-l)+0.1144*U(K-l)+U(K-3)

2.硬件选择

(1)CPU选型

在本次设计中，我们采用了MCS-51单片机，MCS-51是在一块芯片中

集成了CPU,RAM,ROM,定时器/计时器和多功能I/O口等一台计算机所需

要的基本功能部件。

(2)热电偶

根据采样温度值的变化范围，传感器选择热电偶。因为它测温范围

广，可以在1℃至2800℃的范围内使用，精度高，性能稳定，结构简单，

动态性好。在系统中选用N型银信硅一保硅热电偶传感器，其使用温度为

一200七〜1300℃,它具有线性度好，热电式大，灵敏度高、稳定性好，抗

氧化性，价格便宜等优点，所以，适合于本系统。由于工业用炉体积比较

大，会出现炉内温度不均状况。为使采样系统更加准确的对温度进行采样,

本系统设置了五个不同的采样点，在同一时刻进行采样，其平均值作为最

后的采样的结果。

-5-

采样点位置分布图

热电偶电路图

-6-

(3)接口芯片

该系统的接口芯片采用8255并行接口芯片。其中，B端口工作于。方

式输出状态，A端口工作于0方式输入状态。

(4)A/D转换器

由于A/D转换采用ADC0809,为多通道AD转换器。其工作为查询方式。

将转换结束信号EOC作为状态信号，经三态门接入数据总线最高位D7。启

动转换后，不断检测D7位是否为1,就可以知道转换是否结束。状态断口

的地址假设为238H。利此ADC0809芯片中的多路开关，我们可以实现8个

模拟信号的分时转换。系统地址总线的低3位分别连接ADC0809的地址线

C、B、A,在启动A/D转换的同时，选定要进行转换的模拟通道，对应8

个模拟通道的I/O地址分别为220-227H。

(5)LED显示

系统六位LED静态显示，此种方式可以节省大量的机时。地址译码得

其地址依次为0178H、0179H、017AH,017BH,017CH、017DH。

74LS244为LED的驱动电路，每个LED有一个74LS377作为锁存器，

芯片通过74LS138译码进行选择。

LED硬件图

-7-

(6)键盘

输入控制键盘采用8255接2x3键盘矩阵,采用软件延时去抖动方式。

键盘各部分的功能为：

1.打开：系统各组成部分开始供电，并处于待机状态。主程序开始反复

扫描键盘，直到有键按下转到相应的功能。

2.关闭：系统无处于任何状态开始断，步进电机处于断电前状态。

3.自动：系统处于自动运行方式。

4.手动：系统处于手动方式，在手动方式中系统不执行PID算法程序由

人工来调整温度。

5.升温：按下时温度阀门开始开到最大，温度开始升高。

6.降温：按下时，阀门关闭，温度开始下降。

7.报警器:全软件报警程序，被测参数如温度、压力、流量、速度、成分等

参数经传感器、变送器、模/数转换器，送到微型机后，再与规

定的上、下限值进行比较，根据比较的结果进行报警或处理，

整个过程都由软件实现。这种报警程序又可分简单上、下限报

警程序，以及上、下限饱经处理程序。PIO接口地址为A/D转换

器8位数据输入口。B口PB4,作为A/D转换的启动信号。B口

PB0-PB3分别作为上限、下限、正常情况及电笛报警信号。其

上限报警模型0F1II,下限报警模型0F2H,正常情况报警模型

0F3H。

-8-

报警器电路连接图

(7)光电隔离

由于现场温度过高，为了抗干扰，或一旦驱动电路发生故障，造

成功率放大器中的高电平信号进入微型机而烧毁器件，在驱动器与微

型机之间加一极光电隔离器，其原理图所示。

光电隔离器图

(8)执行器

电动执行器是自动控制系统中的一个重要组成部分，它接收来自

调节仪表的电信号，用电动执行机构将其转换成适当地力或力矩，以推

动各类调节阀(或其它执行机构)，从而达到自动生产的目的。电动执

行器与气动执行器相比，具有动作灵敏，能源取用方便，信号传递快捷

和适合远距离控制的优点。它由执行机构和调节机构两部分组成，其中

-9-

将调节控制信号转换成为力或力矩的部分叫做电动之行机构，各种调节

阀或调节设备统称为调节机构。

三、程序设计

(1)主程序

程序流程图：

.程序：

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H

AJMPKEYS

ORGOOOBH

AJMPPITO

ORG001BH

AJMPPIT1;中断入口及优先级

MAIN：MOVSP,#00H

CLR5FH:清上下限限越标志

MOVA,#00H

MOVR7,#09H

MOVRO,#28H

LP1：MOV@R0,A

INCRO

DJNZR7,LP1

MOVR7,#06H

MOVRO,#39H

LP2：MOV@R0,A

INCRO

DJNZR7,LP2

MOVR7,#06H

MOVRO,#50H

LP3：MOV@R0,A

INCRO

DINZR7,LP3;清显示缓冲区

MOVTMOD,#56H;TO方式2,T1方式1计数

MOVTLO,#06H

MOVTHO,#06H

MOV25H,#2BCH:设定值默认值700

SETBTRO;键盘高优先级

SETBETO

SETBEXO

SETBEA；开键盘TO。T1中断

LOOP：MOVRO,#56H

MOVRI,#55H

LCALLSCACOV;标度转化

MOVRO,#53H

LCALLDIR

NOP

LCALLDLY10MS

NOP

LCALLDLY10MS

-11-

AJMPLOOP;等中断

KEYS：CLREXO;键盘子程序

CLREA

PUSHPSW

PUSHACC;关中断

LCALLDLY10MS;消抖

CC：JBP3.2AA

SETB5DH;置“显示设定值温度值标志”

MOVA,25H;取运算位的值

MOVB,#10H;BCD码转化

DIVAB

MOV52H,A

MOVA,B

MOV51H,A

MOVRO,#50H

LCALLDIR;显示设定温度

NOP

LCALLDLY10MS

NOP

LCALLDLY10MS

JBP1.7,BB

MOVR1,#25H

LCALLDAAD1

NOP

LCALLDLY10MS

AJMPCC

BB:JBPL6CC

MOVR1,#25H

LCALLDEEC1

NOP

LCALLDLY10MS

AJMPCC

AA:POPACC

POPPSW

SETBEXO

SETBEA；出栈

RETI

DAADkMOVA,#00H

ORLA,@R1

ADDA,#01H

CJNEA,#17CH,DAAD2;超过380度了吗？

DAAD3:MOV@R1,A

DAA:RET

DAAD2:JCDAAD3

-12-

MOV@R1,#2BCH;超过380则转回到700

AJMPDAA

DEEC1:MOVA,@R1

DECA

CJNEA,#2A8H,DEEC2;低于680度了吗？

DEEC3:MOV@R1,A

DEE:RET

DEEC2:JNCDEEC3

MOV@R1,#17CH;低于680则转回到380

AJMPDEE

PTTO:CLREA;TO中断子程序

PUSHACC

PUSHPSW

PUAHDPL

PUSHDPH

SETBEA；压栈后开中断响应键盘

PPP:LCALLSMAP;采样数据

LCALLFILTER；数字滤波

MOVA,2AH；取采样值

CJNEA,#17CH,AAA;下限380比较

AJMPBBB

AAA:JCCCC；小于380度转

CJNEA,#2D0H,DDD;上限720比较

AJMPBBB;转至380~720正常范围处理

DDD:JCBBB

CLRPl.2;大于720黄灯亮

SETB5EH

CLRP1.1;置标志启动风扇

AJMPPPP

CCC:CLRPl.3;小于380红灯亮

SETB5FH

BBB:CLRP1.0;置标志启动电炉

AJMPPPP

SETBP1.0

SETBPl.1

SETBPl.2

SETBPl.3

CLR5EH

CLR5FH;400~700之间正常

LCALLDL

JNB20H,EEF；设定温度小于实际值转到DL

MOVA,29H

LCALLFFF

CLRP1.0

-13-

LOOP10:MOVR0,#56H;存放相乘结果的首址

MOVR1,#55H;赋显示缓冲区最高位地址

LCALLSCACOV;标度转化

MOVR0,#53H;赋显示首址

CLRDIR

JBD5KLOOP10；等待T1中断

CLREA

POPDPH

POPDPL

POPPSW

SETBEA

POPACC

RETI

EEE:MOVA,28H;DL处理

LCALLFFF

CLRPl.1

AJMPLOOP10

FFF:CRLA;根据DL结果计算T1初值

INCA

MOVTL1,A

MOVTH1,#OFFH

SETBPI1

SETBTRI

SETBET1

RET

(2)采样子程序

程序清单

SWAP:MOVRO,#20H

MOVRl,#03H

SAW1:MOVDPTR,#7FF8H

MOVX@DPTRA:A/D转化

MOVR2,#20H

DLY:DJNZR2,DLY；延时

HERE:JBP3.3,HERE

MOVDPTR,#7FF8H

MOVXA,@DPTR；读转化结果

MOV@R0,A

INCRO

DJNZRI,SAMI

RET

(3)滤波子程序

程序流程图

返回

程序清单

FILTER:MOVA,20H

CJNEA,2DHCMP1

AJMPCMP2

CMP1:JNCCMP2

XCHA,2DH

XCHA,2CH

CMP2:MOVA,2DH

CJNEA,22EH,CMP3

MOV2AH,A

AJMPRR

CMP3:JCCMP4

MOV2AH,A

AJMPRR

CMP4:MOVA,2EH

CJNEA,2cH,CMP5

MOV2AH,A

AJMPRR

CMP5:JCCMP6

XCHA,2CH

CMP6:MOV2AH,A

RR:RET

(4)显示子程序

程序清单

DIR:MOVSCON,#00H;置串行口移位寄存器状态

SETBPl.4;开显示

JB5DH,DL1;显示设定温度

DL2:MOVDPTR,#SEGT

DLO:MOVA,@R0

MOVCA,@A+DPTR

MOVSBUF,A

LOOP1:JNBTI,LOOP1

CLRTI

INCRO

MOVA,@R0

MOVCA,@A+DPTR

ANLA,#7FH;使数带小数点

MOVSBUF,A

LOOP2:JNBTI,LOOP2

CLRTI

INCRO

MOVA,@R0

MOVCA,@A+DPTR

-16-

MOVSBUF,A

LOOP3:JNBTI,LOOP3

CLRTI

CLRP1.4

CLR5DH

RET

DL1:MOV50H,#0AH

AJMPDL2

SEGT:DBOCOH,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH

(5)标度转换子程序

程序清单

SCACOV:PROCNEAR

MOVDX,0

MOVDATA1,#258H

MOVDATA2,#708H

MOVDATA3,#960H

PROCNEAR

MOVDX,0

MOVAX,DATAP

CMPAXJDATA3

JAEQ3DOR

CMPAX,DATA2

JAEQ3-Q2

CMPAX,DATA3

JAEQ2-Q1

Q0:MOVBX,0.8H

MULBX

ADCDX,0

JMPDONE

Q2-Q1:MOVAX,#15EH

Q3-Q2:SUBAX,DATA2

MOVBX,0.8H

MULBX

MOVAX,#15EH

SUBAX,BX

MOV@R1,A

PP:RET

(6)键盘子程序

程序清单

KEYS：CLREXO

CLREA

PUSHPSW

-17-

PUSHACC;关中断

LCALLDLY10MS;消抖

cc：JBP3o2AA

SETB5DH;置“显示设定值温度值标志”

MOVA,25H:取运算位的值

MOVB,#10H；BCD码转化

DIVAB

MOV52H,A

MOVA,B

MOV51H,A

MOVR0,#50H

LCALLDIR；显示设定温度

NOP

LCALLDLY10MS

NOP

LCALLDLY10MS

JBPI.7,BB

MOVR1,#25H

LCALLDAAD1

NOP

LCALLDLY10MS

AJMPCC

BB:JBP1.6CC

MOVR1,#25H

LCALLDEEC1

NOP

LCALLDLY10MS

AJMPCC

AA:POPACC

POPPSW

SETBEXO

SETBEA；出栈

RETI

-18-

(7)数字控制器子程序

程序流程图

-19-

程序清单

此程序用PLC单片机语言实现：大林算法程序该程序的功能是实现

U(K)=6.974*E(K)+0.797*E(K-l)+0.1144*U(K-l)+U(K-3)的迭代

入口：El为规格化数

出口：0P1为规格化数

LISTP=16F877

INCLUDEPl6F877.INC

ACCALOEQU20

ACCAHIEQU21

EXPAEQU22

ACCBLOEQU23

ACCBHIEQU24

EXPBEQU25

ACCCLOEQU26

ACCCHIEQU27

ACCDLOEQU28

ACCDHIEQU29

TEMPEQU2A

TEMPIEQU30

TIMESEQU31

SIGNEQU2B

COUNTEQU2F

ACCEHIEQU30

ACCELOEQU31

OP1LOEQU32

OP1HIEQU33

OP1EXEQU34；U(K)

OP2LOEQU35

OP2HIEQU36

OP2EXEQU37；U(K-1)

OP3LOEQU38

OP3HIEQU39

OP3EXEQU3AU(K-2)

OP4LOEQU3B

OP4HIEQU3C

OP4EXEQU3DU(K-3)

E1LOEQU3E

E1HIEQU3F

E1EXEQU40E(K)

E2LOEQU41

E2HIEQU42

E2EXEQU43E(K-l)

-20-

TEM1LOEQU44

TEM1HIEQU45

TEM1EXEQU46

TEM2LOEQU47

TEM2HIEQU48

TEM2EXEQU49

ORG0X000

STARTGOTODALIN

DALINMOVLWOXCA

MOVWFACCBLO

MOVLW0X37

MOVWFACCBHI

MOVLW0X03

MOVWFEXPB

MOVFE1LO,0

MOWFACCALO

MOVFE1HI,0

MOWFACCAHI

MOVFE1EX,0

MOWFEXPA；6.974*E(K)

CALLF_mpy;调用乘法子程序

MOVFACCBLO,0

MOVWFTEM1LO

MOVFACCBHI,0

MOVWFTEM1HI

MOVFEXPB,0

MOVWFTEM1EX;将积存入teml

MOVLW0X01

MOVWFACCBLO

MOVLW0X33

MOVWFACCBHI

MOVLW0X00

MOVWFEXPB

MOVFE2LO,0

MOWFACCALO

MOVFE2HI,0

MOWFACCAHI

MOVFE2EX,0

MOWFEXPA；0.797*E(K-l)

CALLF_mpy;调用乘法子程序

MOVFTEM1LO,0

MOVWFACCALO

MOVFTEM1HI,0

MOVWFACCAHI

-21-

MOVFTEM1EX,O

MOVWFEXPA;6.974*E(K)+0.797*

E(K-l)

CALLF_sub；调用加法子程序

MOVFACCBLO,0

MOVWFTEM1LO

MOVFACCBHI,0

MOVWFTEM1HI

MOVFEXPB.O

MOVWFTEM1EX；将6.974*E(K)+0.797*E(K-l)的和存入

teml

MOVLW0X92

MOVWFACCBLO

MOVLW0X3A

MOVWFACCBHI

MOVLWOXFD

MOVWFEXPB

MOVFE1LO,0

MOWFACCALO

MOVFE1HI,0

MOWFACCAHI

MOVFElEX,0

MOWFEXPA；0.1144*U(K-l)

CALLF_mpy:调用乘法子程序

MOVFTEM1LO,0

MOVWFACCALO

MOVFTEM1HI,0

MOVWFACCAHI

MOVFTEM1EX,0

MOVWFEXPA;6.974*E(K)+0.797*E(K-l)+0.1144*U

(K-l)

CALLF_add;调用加法子程序

MOVFACCBLO,0

MOVWFTEM1LO

MOVFACCBHI,0

MOVWFTEM1HI

MOVFEXPB,0；将6.974*E(K)+0.797*E(K-l)+0.1144*U

(K-l)

的和存入teml

MOVWFTEM1EX

MOVLW0X2D

MOVWFACCBLO

MOVLW0X38

MOVWFACCBHI

-22-

MOVLW0X00

MOVWFEXPB

MOVFOP4LO,0

MOWFACCALO

MOVFOP4H1,0

MOWFACCAHI

MOVFOP4EX,0

MOWFEXPA；0.8856*U(K-3)

CALLF_mpy;调用乘法子程序

MOVFTEM1LO,0

MOVWFACCALO

MOVFTEM1HI,0

MOVWFACCAHI

MOVFTEM1EX,0

MOVWFEXPA;6.974*E(K)+0.797*E(K-l)+0.1144*U

(K-l)+U(K-3)

CALLF_add;调用加法子程序得到最终的输出值

U(K)

MOVFE1LO,0

MOVWFE2LO

MOVFElHI,0

MOVWFE2HI

MOVFElEX,0

MOVWFE2EX;将E(K)的值传递到

E(K-l)

MOVFOP3LO,0

MOVWFOP4LO

MOVFOP3HLO

MOVWFOP4HI

MOVFOP3EX,0

MOVWFOP4EX；将U(K-2)的值传递到

U(K-3)

MOVFOP2LO,0

MOVWFOP3LO

MOVFOP2HI,0

MOVWFOP3HI

MOVFOP2EX,0

MOVWFOP3EX