毕业设计基于单片机的供热温度控制系统设计Word文件下载.docx
《毕业设计基于单片机的供热温度控制系统设计Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计基于单片机的供热温度控制系统设计Word文件下载.docx（64页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
热源主要是热电站和区域锅炉房（工业区域锅炉房一般采用蒸汽锅炉，民用区域锅炉房一般采用热水锅炉），负责制备热水，热力网分为热水管网和蒸汽管网，由输热干线、配热干线和支线组成，负责热媒的输送，热用户是指用热场所。
集中供热系统的热用户有供暖、通风、热水供应、空气调节及生产工艺等用热系统。
各热用户用热系统的热负荷，按其性质可分为两大类：
季节性热负荷和常年性热负荷。
热水供热系统按系统的密闭性可分为开式和闭式两种型式。
在闭式系统中，热网的循环水仅作热媒，供给热用户热量，而不从中取出使用。
在开式系统中，热网循环水部分或全部从热网中取出，直接用于生产或热水供应。
由于供热系统中热用户的热负荷并不是恒定的，如供暖通风热负荷随室外气象条件变化，热水供应和生产工艺用热随使用条件等因素变化。
要保证供热质量，满足各热用户要求，并使热能制备和输送合理，就要对供热系统进行运行调节——也就是供热调节。
供热调节的目的，在于使供暖用户的散热设备的放热量与用户热负荷的变化规律相适应，以防止供暖热用户出现温度过高或过低。
集中供热系统的热力站是供热网路与热用户的连接场所，在其内安装有与用户连接的有关设备、管道、阀门、仪表和控制装置。
它的作用是根据热网工况和不同的条件，采用不同的连接方式，将热网输送的热媒加以调节、转换，向热用户系统分配热量以满足用户的需求，同时还应根据需要，进行集中计量、检测供热热媒的参数和数量。
集中供热事业的快速发展，是与集中供热系统自身的优越性分不开的。
从热源向一个较大的区域供热称为集中供热，它是建立在以热电联产的热电厂或区域性供热锅炉房为热源基础上的供热系统。
集中供热系统的优点：
1）集中供热系统可以节约能源提高能源的利用率,节约能源。
普通火炉供暖的热效率平均为15%-25%，现代大型凝汽式机组的热效率为40%左右，而供热机组的热电联产综合热效率可达85%,大型区域锅炉房的热效率也可达到80％～90％，所以相比之下，相同的热负荷，集中供热燃料的消耗量比较小,由此可见，集中供热对节约能源有积极的作用。
2）集中供热系统可以改善大气环境质量。
因为热能利用效率高，相对减少了污染物的排放。
同时，集中供热可以采用先进的热源技术以及高大的烟囱、高效率的除尘器和烟尘脱硫装置,便于消除烟尘，减轻大气污染，改善环境卫生，还可以实现低质燃料和垃圾的利用。
2000年国家发展计划委员会组织实施发电设备国产化工作中，清洁燃煤的CPB锅炉利用自主知识产权技术，完成国产l00MW级循环流化床锅炉及辅机研制，而分散的小型锅炉单台容量小、烟囱低，由于资金等原因，除尘脱硫设备均不能与集中供热相比。
集中供热便于灰渣的运输和综合利用，避免运输过程中的二次污染。
3）集中供热系统中热电联产项目有效地缓和了当地的电力紧张局面。
同时，减轻了分散锅炉房工人的劳动强度，使操作人员有一个安全舒适的工作环境，同时也节约了宝贵的城建用地。
以热电厂和区域锅炉房为热源的集中供热系统，能有效利用能源节约了生产成本，节能效益和经济效益都非常显著。
热电厂供热的热效率可高达75%-85%,单位供热成本约为16.2-18元每平方米。
4）易于实现科学管理，提高供热质量。
实现集中供热是城市能源建设的一项基础设施，是城市现代化的一个重要标志，也是国家能源合理分配和利用的一项重要措施。
近年来，根据国家对城市环境质量的要求，对市场能源结构进行调整，采用燃气、燃油和用电供暖方式进行多能源的供热，但是由于经济性和费用等问题使其很难大面积推广，只作为集中供热方式的一种补充，所以，坚持以燃煤、集中供热为主要供热方式，是保证我国供热事业长期稳定、持续发展的关键。
1.2供热系统的发展现状
手段完善，设备质量高，通常一次管网所提供的热量在热力站交换成二次采暖热水和民用生活热水，在热力站的二次水系统中均安装有变频调速的水泵，差压控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制器等设备，有了一整套成熟的供热系统运行模式。
在控制上，基本上采用以压差控制为主的方案，其基本方法是控制供热系统最不利环路的供回水压差不小于给定值，而最不利环路的压差控制，实际上只为流量的调节提供了可能，本身并不等于进行了流量调节。
各用户流量的调节，则是通过热源的集中调节和用户热入口的局部调节即散热器处温控阀的个体调节进行的。
国外供热系统在用户入口和热源处都加设了自控装置。
在用户入口设温控器维持温度，设循环泵保证流量，在热源处采用集中质调节或量调节，由于量调节的节能效果显著，在国外得到普遍国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统，其调节与控制技术先进，调控应用。
这种集中和局部自控装置的设置，适应了调节工况下用户作用压差的变化，保证了室内热舒适的要求。
与国外相比，我国目前采暖系统相当落后，由于我国供热系统管理运行跟不上供热规模的发展，绝大多数系统仍然处于手动操作阶段，从而影响里集中供热优越性的充分发挥。
主要反映在：
供热品质差，即室温冷热不均，系统热效率差，不仅多耗成倍的能量，而且用户不能自行调节室温;
缺少全面的参数测量手段，无法对运行工况进行系统的分析判断供热量与需热量不匹配；
系统工况失调难以消除；
采暖费按平方计费，无助于用户的节能意识。
据资料介绍，我住宅建筑采暖能耗为相近气候条件的发达国家的3倍左右。
目前的采暖用能己占全国商品能源总消耗的9.6%。
采暖能耗不仅造成资源的浪费，而且是大气污染的一个重要因素
。
在功能上，发达国家通常室内保证温度是22℃，我国仅为16℃。
我国城市集中供热目前存在的能源浪费主要来源于：
1）建筑的保温隔热和气密性能差；
2）采暖系统相当落后
1.3本次设计的目的和现实意义
目前我国大多数地区集中供热系统的运行管理和控制技术还不成熟，自动化水平较低，缺乏合理性。
主要问题反映在：
缺少全面的参数测量手段，无法对运行工况进行系统的分析判断；
系统工况失调难以消除，造成用户冷热不均；
供热参数未能在最佳工况下运行，供热量和需热量不匹配；
故障发生时，不能及时诊断报警，影响可靠运行；
数据不全，难以量化管理，这样使供热系统的控制方法跟不上供热规模的发展，从而影响了集中供热优越性的发挥。
热电厂供热站温度控制系统设计，可以按用户所需热量对用户进行集中供热，既节约了能源又保证了供热质量，避免了不必要的浪费。
供热系统的改进同时也会提高劳动生产效率，改善劳动者的劳动条件，使其操作更直观更容易。
供热系统的改进在节约能源的同时也改善了人们的生活环境，它减少了供热站对大气污染源的排放，使人们有了一个绿色的生存环境。
热电厂供热站温度控制系统设计除了节约了燃料提高经济效益之外，还对社会效益等诸多方面有着重要的意义。
本次设计预期将实现：
1）实现计算机自动检测，可及时的了解供热系统的温度、压力、流量等各参数，设备运行人员在调度室内就可以知道整套设备的运行工况，有效地对系统进行调节控制。
2）实现合理匹配工况，保证按需供热。
对热力站温度控制进行实时监控，达到按需供热的目的。
3）实现自动控制，通过计算机控制可消除水力工况失调，随时对热力站和热用户入口处温度及供水平均温度的测量，通过电动调节阀实现温度调节，达到流量的均匀分配，从而消除冷热不均的现象。
4）计算机可建立各种信息数据库，对运行过程的各种运行参数进行分析，从而可以打印出各种数据，便于工作人员查询、研究。
2热水供热系统特性简介
2.1热力站的集中调节
2.1.1循环水泵调速
控制原理：
通过调节一次回水管上的电动两通阀改变一次水流量，保证一次供水温度不变。
二次循环水泵根据最不利环路的压差信号（压差小于给定值）对水泵调速，实现节能运行。
如图2-1所示。
图2-1循环水泵调速系统
Fig.2-1Circulatingpumpspeed-governingsystem
2.1.2循环水泵不调速
1）间接连接系统
通过调节一次回水管上的电动两通阀改变一次水流量，保证一次供水A点温度不变。
控制器根据室外温度，调节二次回水管上的电动三通阀，改变供水点B的温度，满足用户需要。
如图2-2所示。
2）直接连接系统
压差控制器和超压控制阀用来保护一次水循环系统正常运行。
控制器根据室外温度，调节二次回水管上的电动两通阀，改变供水的温度，满足用户需要。
如图2-3所示。
图2-2热力站间接连接系统
Fig.2-2TheIndirectconnectionsystemofthermalenergystation
图2-3直接连接系统
Fig.2-3Thedirectconnectionsystem
2.2供热系统的水力工况和热力工况分析
供热系统中水力工况分析。
供热系统中流量、压力的分布状况称为系统的水力工况。
供热系统供热质量的好坏，与系统的水力工况有着密切的联系。
供热系统普遍存在的冷热不均现象，主要原因就是系统水力工况失调所致。
供热系统正常运行时对水压的基本要求：
保证用户有足够的资用压头，保证散热设备不会因压力过大而损坏，保证供热系统充满水不倒空，保证系统不汽化，否则供热系统不能正常运行。
为此，需要通过对系统的供水压力进行分析，制定合理的静水压线和恒压点。
静水压线表示供热系统在静止状态下，系统内热媒的总水头值，亦即系统充水后保证系统各点都能灌满水的最低水头值。
这是系统正常运行的前提条件。
在供热系统运行或者停止状态下，压力始终恒定不变的点称为恒压点。
在同一个供热系统中，在无泄漏补水并忽略热媒体积膨胀的前提下，恒压点的压力值唯一且等于静水压线值。
保证恒压点压力恒定的技术措施，称为供热系统定压。
确定定压方式，是供热系统设计中的一个重要内容。
供热系统中热力工况分析。
供热系统中温度、供热量、散热量的分布状况称为供热系统的热力工况，供热系统的热力工况与其水力工况有着密不可分的联系，甚至可以说水力工况研究是热力工况研究的前提。
我国目前的设计规范规定：
一般民用住宅的供暖实际室温18摄氏度。
在实际运行时，考虑到资金、燃料的不足，室温能达到16摄氏度以上时，即认为满足设计要求。
供热的主要目的是为了给人们创造一个适合人们正常生活、工作和生产的室内温度环境，因此，室温的高低是衡量供热效果和进行热力工况分析计算的最重要参数之一。
2.3供热系统的运行调节
为使用户室温达到设计室温的要求，还必须在整个供暖期，随室外气温的变化，随时进行供水流量和供水温度的调节，以期实现按需供热，这后一种调节称为供热系统的运行调节。
供热站的集中供热调节方式有质调节、量调节、分阶段改变流量的质调节和间歇调节（见附录A）。
3供热站温度控制方案设计
3.1供热站供热方式选择
本次设计中的供热系统为间接供热系统，以热水作为热媒，采用双管热水闭式系统。
对于一次管网采用集中量调节方式。
对于二次管网采用分阶段改变流量的质调节，分三个阶段改变流量的调节方式。
在每一阶段，二次管网上的流量不变，通过调节一次给水通过换热器的流量，来控制二次水出水温度。
采用分阶段改变流量的质调节即吸收了质调节和量调节的优点，又克服了两者的不足。
即节约能源又不会引起严重的热力工况失调。
本设计主要针对供热站的二次管网的温度控制。
3.2供热站自动控制系统的介绍
热电厂供热系统的工作原理如图3-1所示：
由热电厂锅炉烧制而成的高温高压热水，经由一次管网输送至各分热力站处，各分站利用平板换热器将一次管网中的高温高压热水的热能传递给二次管网中的循环水，再由二次给水将热能输送至用户处。
冷却后的回水返回二次热网回水管中重新接受热能。
二次管网中的循环水由热力站的循环水泵驱动，使循环水在管网中不断流动。
热电厂供热站的供热系统由热源、热力站、热用户三大部分组成，而供热温度控制系统主要对热源和热力站两处进行温度控制。
本设计主要设计热力站处的供热温度控制系统。
热电厂供热站采用间接集中供热系统，在间接集中供热系统中，热网将热能输送到热力站，用户则通过热力站从热网中获取热能，从而实现采暖的目的。
由此可见，热力站的运行工况直接影响着整个供热系统的运行工况和供热效果。
热力站的主要任务是确定和保持热媒介参数如：
压力、温度、流量等，使其达到热力站供热装置安全和经济运行时所需要的额定值。
为了保证供热管网的稳定运行，通过及时的参数检测，发现故障并进行声光报警、显示，以便操作人员及时对故障进行维修，维持系统正常工作。
此外，为了防止因停电或微机故障等原因而发生事故，热力站控制系统还设有常规就地仪表和手动操作阀。
至于热力站的供热控制方式，根据实际情况在二次管网中采用分阶段改变流量的质调节。
在同一阶段内，二次水网的循环流量保持不变。
根据二次网的供水温度调节一次网流量，进而控制二次网供热量，满足用户采暖需求
图3-1供热系统的工作原理图
Fig.3-1Theheatingsystemworkschematicdiagram
3.3变频定压控制系统
在供热系统中，为了保持热网运行的稳定性和高效性，热网补水系统还应该保持一定的水压，即保持系统恒压点的压力恒定，在各热力站中我们采取补水泵变频调速定压。
补水泵变频控制系统框图如图3-2所示：
图3-2补水泵变频控制系统框图
Fig.3-2Frequencyconversioncontrolsystemblockdiagramofthemakeuppump
在系统的供、回水干管之间连接一根旁通管，利用补水泵使旁通管（恒压点）压力保持符合静水压线要求的压力。
在循环水泵运行时，当恒压点压力高于控制值时，变频器输出频率减小，水泵转速变慢，补水量减少，恒压点压力下降。
当恒压点的压力低于控制值时，变频器输出频率增大，水泵转速加快，补水量增大，恒压点压力升高；
当压力偏高时，泄水压力调节阀打开，泄放系统中部分水
变频定压工作原理如图3-3所示：
图3-3变频补水定压工作原理图
Fig.3-3Thefunctionaldiagramofblockdiagramseawatercompensationconstantpressure
3.4集中供热温度控制的方式及原理
3.4.1供热站温度控制的方式
热电厂供热站一般采用集中供热的供热方式。
用改变热水流量的办法来实现供热量改变的控制方式。
供热量的控制根据实施控制的地点可分为单独的个别调节、局部调节和中央集中调节。
单独的个别的调节是指直接在供热设备、机组处进行的调节。
局部调节是指在供暖系统的局部管网的某一段或入口处所进行的调节。
中央集中调节则专指在热源处进行的热量调节。
中央集中式调节一般总是根据某些对供热工况起决定性影响的共同因素，例如根据室外温度来对热量的供应进行整体的粗略调节。
局部调节则根据供暖局部系统的用热特点对中央集中调节进行必要的补充。
单独的个别的调节则根据用热设备的使用对象的特点作进一步的具体的补充调节。
间歇供热的调节方式一般只是在采暖期时，室外温度较高的短暂的时间内，用作局部调节或单独的个别调节，以补充中央集中式调节不足之处。
3.4.2供热站温度控制的原理
本设计采用二次供水温度自动控制系统。
热力站的基本控制策略就是要保证二次水出口处有一个恒定的预设定温度，使其获得恒定温度的控制元件是换热器一次水出口处的控制阀，该阀门通过控制换热器的一次供水流量大小来改变交换热量的多少。
控制系统将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度大小作为输出值，来保证二次供水温度的恒定。
预设定温度值是根据室外温度计算得出，每个热力站均安装了室外温度传感器，通过相关公式计算出当前的预设定温度值，这个设定点的大小是随着室外温度的变化而改变的，通过变频定压控制系统来实现其设定的改变。
供热站温度控制系统框图，如图3-4所示。
图3-4供热站温度控制系统框图
Fig.3-4Thediagramofheatingstationtemperaturecontrolsystem
3.5供热站自动控制的意义
随着微型计算机普遍推广应用，它已经取代常规仪表。
供热站采用微机控制己成为可能，并真正应用到我们现实的生产中，例如此次研究的集中供热系统，可以在供热站中实现微型计算机自动控制。
供热站采用微机控制具有以下明显优势：
1）能直观而集中地显示画面和运行参数。
能快速计算出机组在正常运行和起停过程中的有用数据，并能在显示器上同时显示供水流量、供水压力、回水压力、供水温度、回水温度、水位等数个运行参量的瞬时值、累计值以及给定值，和所有的报警信号指示值，以便于操作人员观察和比较。
同时还可以按需要在供热站的结构示意图画面的相应位置上显示出当前运行的参数值，令人直观形象的观察，减少观察的疲劳和失误。
2）运行中能随时快速而简便地修改各种运行参数的控制值（给定值），并能修改系统的控制参数（变量）。
3）可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确的记录，这也便于一旦需要进行事故处理时，能追忆打印并记录事故前的参数，为有关人员以及相关部门对故障进行分析和研究。
4）在运行监督指导方面，微机系统可以对启动、监视、运行过程中的工作状况进行计算和监控，对主要参数变化趋势进行分析，进行操作程序的监视等。
5）减少了显示仪表，还可以利用软件来代替许多仪表单元（例如加减器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率。
6）节约了蒸汽，减少运行成本，提高了人们的生活质量（通过人们对室内温度的舒适性角度进行供热）。
从已在运行的供热站来看，采用计算机控制可普遍提高热效率，原来运行状态较好的供热站至少可提高10%
而对于一些原来自动化运行欠佳的供热站，这个值将更大些，节能更明显。
7）供热系统是一个多输入、非线性的动态对象。
理论模型难以建立。
将微型计算机引入供热控制系统。
充分地利用专家知识或熟练操作者的经验，成功地解决了理论精确模型难以建立这一困难。
8）供热站微机控制系统经扩展后，可构成分级控制系统，可与计算机联网工作，这对于企业的现代化管理也是必不可少的。
联网后将对能源的利用率进一步提高，这对于能源有限并且利用率低的我国来说是有着重要意义的。
随着我国计算机技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，供热站的微机控制将日益广泛，尤其对于一些容量较大的供热站更是如此。
同时我们应看到，微机控制技术也将推动仪表行业的某些监测仪表的迅速发展，使其适应供热站上各种不同工艺参数自动检测仪的需要，进而满足供热站自动控制的要求。
可以预言，我国目前已拥有供热站近万个，遍布全国各地，在我国的供热系统中发挥着重要的作用，随着计算机技术的进一步发展，供热站微机控制系统必将作为一类产品投放市场以供用户直接选用，这类产品有着无比巨大的商机，供热站微机控制正在我国形成一种新兴产业，必将成为主流产业，供热站自动控制将给人们带来更温馨、更舒适的生活环境，提高我们的生活质量。
4温度控制系统的硬件部分设计
4.1控制系统的硬件组成设计
本设计的微机监控系统选用AT89S51单片机作主处理器，并采用可编程逻辑器件8255A，用来完成接口I/O线的扩展及多种逻辑功能的实现
本次设计温度控制系统硬件原理如图4-1所示。
图4-1温度控制系统硬件原理图
Fig.4-1Thehardwareprinciplediagramoftemperaturecontrolsystem
从传感器采集的各个模拟量信号进入多路模拟开关CD4051，经I/V变换、放大后，利用AD574A、A/D转换器，将模拟量信号转换为数字量信号，以供控制、运算处理模块使用。
本设计的主处理元件AT89S51如图4-2所示。
AT89S51硬件结构有如下一些主要特点：
1）AT89S51单片机内的I/O口的数量和种类较多且齐全尤其是它有一个全双工的串行口。
该串口是利用两根I/O口线构成，有四种工作方式，可通过编程选定，AT89S51共有32根I/O线。
2）AT89S51可以对64KB的外部数据存储器寻址，并且不受该系统中其它各种芯片型号的影响，对内外总空间为64KB范围的程序存储器进行寻址。
3）AT89S51有5个中断源，分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的。
它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达128字节。
4）有4K字节的闪速程序存储器和128字节内部数据存储器（RAM）容量。
5）AT89S51设有静态逻辑，可以在低到零频率的条件下工作，支持两种软件可选的省电模式。
在闲置模式下，CUP停止工作，但RAM、定时器/计数器、串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所有其它片内控制单元功能，直到下一个硬件复位为止。
6）AT89S51有2个16位定时/计数器，通过编程可以实现四种工作模式。
图4-2AT89S51芯片电图
Fig.4-2TheAT89S51sliceelectriccircuitdiagram
本次设计的温度控制系统硬件部分设计，主要由以下五部分硬件电路所组成：
1）存储器扩展电路；
2）模拟量输入电路；
3）模拟量、开关量输出电路；
4）液晶显示电路；
5）打印、键盘、报警电路。
4.2存储器扩展电路部分设计
AT89S5
升级会员 