基于AT90CAN128单片机的高炉烧结配料控制部分的研究本科毕业论文.docx
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基于AT90CAN128单片机的高炉烧结配料控制部分的研究本科毕业论文
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基于AT90CAN128单片机的高炉烧结配料控制部分的研究
摘要
烧结生产作为高炉炼铁顺利进行的前提,在冶金生产中起着相当重要的作用。
配料是烧结的重要工艺环节之一,为了达到降低烧结矿成本,提高烧结矿产量和质量的目的,提高配料系统的管理和控制水平成为首要问题。
本文详细地阐述了烧结配料计算机控制系统的组成。
由上位机和下位机构成集散控制系统。
现在,这一配料过程的计算机控制系统已在现场运行，较好地改变了配料系统的控制质量,收到了满意的使用效果。
电子皮带秤是一种智能化的数字式动态称重显示仪，由秤量框架、称重传感器、测速传感器和显示仪表等四大部件组成。
其基本原理是物料重量通过称量框架传递给称重传感器，变化为毫伏级电信号，再与测速传感器的皮带速度脉冲信号一起由显示智能仪表处理后进行累加显示。
关键词：
高炉烧结配料；降低烧结矿成本；提高烧结矿产量和品质；集散控制系统；重量配料
BasedonsinteringblastfurnaceAT90CAN128ingredients
MCUcontrolpartofthestudy
Abstract
Sinteringblastfurnaceproductionasaprerequisiteforthesmoothconductofthemetallurgicalproductionplaysanimportantrole.Batchingprocessisanimportantaspectofsinteringofthesinterinordertoachievelowercostsandimprovethequalityofsinteringofmineralandthepurposeofproportioningsystemtoimprovethemanagementandcontrolissuesbecomeapriority.Inthispaper,thesinteringdetailtheingredientsofthecompositionofthecomputercontrolsystem.Bytheupperandlowerbodyintoadistributedcontrolsystem.Now,theingredientsofcomputerprocesscontrolsystemhasbeenrunningatthescene,changedtheingredientstobettercontrolquality,hasreceivedsatisfactoryresults.ElectronicbeltscaleisakindofintelligentdigitaldisplayinstrumentWIM,byweighingtheframework,weighingsensor,Speedsensoranddisplayinstruments,suchasthefourmajorcomponents.Thebasicprincipleisthattheweightofmaterialsdeliveredtotheframeworkadoptedbyweighingweighingsensor,millivolt-levelsignalchange,andthenwiththegunbeltspeedsensorwithpulsesignalprocessingbythedisplayafterthesmartmeterdisplaycumulative.
Keywords:
blastfurnacesinteringingredients；reducethecostofsinteringore；andmineralstoimprovesinterquality；distributedcontrolsystem；theweightofingredients
目录
摘要I
AbstractII
第一章引言1
1.1研究背景1
1.2研究题目2
1.3研究重点3
1.4研究系统的配料自动控制4
第二章整体方案设计6
2.1高炉烧结配料系统的组成6
2.2高炉烧结配料系统的工作方式6
2.3高炉烧结配料系统各部分功能7
2.3.1称重皮带秤及控制仪表功能7
2.3.2计算机监控部分8
2.3.3变频控制部分9
第三章硬件设计10
3.1单片机AT90CAN12810
3.1.1单片机AT90CAN128的结构10
3.1.2AT90CAN128的部分引脚介绍10
3.1.3AT90CAN128的特点12
3.2PWM的介绍13
3.2.1PWM的作用13
3.2.2PWM的原理13
3.2.3参数变化和滤波电路的形成15
3.3滤波电路18
3.3.1滤波电路的分类18
3.3.2电容滤波电路的作用19
3.4电压转电流电路20
3.4.1前置放大级21
3.4.2电压电流转换级（V/I－转换）21
第四章软件设计22
4.1PID控制22
4.1.1PID控制的概述22
4.1.2PID控制的特点24
4.1.3PID控制的优点26
4.1.4PID参数的调整原则26
4.1.5模拟PID控制算法控制算法27
4.1.6PID算法的程序流程27
4.1.7增强型PID的简易流程图如下图所示：
29
4.1.8克服积分饱和的方法30
4.1.9对控制量的限制31
4.2整体的软件流程图31
4.3CAN总线技术32
总结34
参考文献35
附录A设计原理图36
附录B模块设计图37
附录C程序38
致 谢45
第一章引言
1.1研究背景
烧结生产作为高炉炼铁顺利进行的前提，在冶金生产中起着相当重要的作用。
配料是烧结的重要工艺环节之一，为了达到降低烧结矿成本，提高烧结矿产量和质量的目的，提高配料系统的管理和控制水平成为首要问题。
本文详细地阐述了烧结配料计算机控制系统的组成及系统的软、硬件设计。
每一配料系统都配有一台上位机（工业控制机IPC2610）和一台下位机（PLC25/30），通过数据公路DH+相连,由上位机和下位机构成集散控制系统。
每台上位机都共享2台下位机的数据,实现双机热备,增加了系统的准确性和可靠性。
现在,这一配料过程的计算机控制系统已在现场运行，较好地改变了配料系统的控制质量，收到了满意的使用效果。
在冶金生产中，烧结生产是第1道重要的生产工序，是冶金产品（铁、钢、线材、型材等）的基础。
首先，它将冶炼过程所需的各种原料按理化特性经过定量自动配料，加水混合造球，然后均匀地铺到烧结机台车上，经过点火炉燃烧和主抽风机的负压锻烧，送入带冷机，最后经破碎、筛分、整粒，生产出合格的烧结矿送入高炉熔炼成铁。
其中，烧结配料生产是高炉原料生产的重要环节，其工艺过程是根据烧结和高炉生产的要求，将各种不同的含铁原料、熔剂和燃料按照一定的比例进行配料，以确保后道工序生产出化学成分和物理性能都符合生产要求的优质烧结矿。
烧结自动控制是检测技术、自动化技术、计算机技术与烧结工艺相结合的产物。
它的应用主要有2个目的：
一是操作的稳定性容易生产化学成分稳定、粒度均匀和强度较好的烧结矿作为高炉的原料；二是过程的最佳化能最大限度地降低生产成本乃至整个炼厂的生产成本，提高劳动生产率、降低劳动强度。
随着烧结设备的大型化和高炉对烧结矿质量要求的提高，烧结过程计算机控制技术的作用和成效更为显著，烧结自动控制水平已成为衡量烧结工艺水平的一个重要指标。
目前国内常用的配料方法有两种，即容积配料法和重量配料法。
容积配料法是利用物料的堆比重，通过给料设备对物料容积进行控制，达到配加料所要求的添加比例的一种方法。
此法优点是设备简单，操作方便。
其缺点是物料的堆比重受物料水分、成分、粒度等影响。
所以，尽管闸门开口大小不变，若上述性质改变时，其给料量往往不同，造成配料误差。
重量配料法是按照物料重量进行配料的一种方法，该法是借助于电子皮带称和定量给料自动调节系统实现自动配料的。
优点是：
重量配料比容积配料更加精确，特别是对添加数量较少的原料，这一点更明显。
除这两种配料法外，化学成分配料是一种目前最为理想的配料方法，它采用先进的在线检测技术，随时测出原料混合料成分并输入微机进行分析、判断、调整，使烧结矿质量稳固在高水平。
国外对这种方法也处于开发阶段，我国的宝钢、首钢已具备开发这种水平的条件。
我所用的设计题目是通过重量来配料的。
工艺要求是系统设计的主要依据,也是控制系统所要实现的最终目标。
配料系统的工艺流程就是把各种铁矿石、熔剂、燃料按一定的比例进行混合,成为满足要求的混合料。
为了使混合料不仅具有一定的化学成分,而且具有一定化学成分的稳定性和良好的透气性,要求物料流量的测量精度高,给料仓的物料下料量控制准确。
1.2研究题目
烧结控制的目的就是通过调整原料参数、操作参数和设备参数,使状态参数和指标参数达到最优。
在本配料控制系统中,对每一种物料都进行单独的PID调节。
以便达到较好的控制功能。
设定流量根据各物料的配比计算得出，通过测速电机测得各定量皮带电机和称量皮带电机的转速，通过荷重传感器检测物料重量，根据速度信号和重量信号计算实际物料流量，由PID调节的输出控制变频器改变其输出频率，从而改变圆盘电机和定量皮带电机的转速,以此来控制物料流量使其达到设定值。
近年来,国内新建烧结机的配料方法均采用重量配料法，重量配料就是按原料的重量来配料，采用电子皮带秤对物料进行连续计量，通过调节圆盘给料机或皮带的速度来实现定量给料，重量配料易实现自动配料,配料精度较高。
烧结配料系统种往往由多个单圆盘给配料系统和工业计算机等组成，下图1.1为单个圆盘给配料系统。
1.3研究重点
本圆盘给配料系统由检测回馈、给定信号、比较运算与转化、变频器、圆盘给料机等部分组成。
圆盘给配料系统中给料量主要由圆盘给料机圆盘转速决定，且给料量与圆盘转速成线性关系。
圆盘给料机转速是由变频器控制。
流料检测由核子称信号与主皮带信号换算得出作为本圆盘给配料系统的回馈信号，累计流量Q=K*T*∑G,（K为比例系数，T为皮带速度，G为瞬时流量）。
根据每一采样时刻的瞬时流量计算出采样时刻前一段时间（10S左右）的平均流量，并将其与上位机流量给定值比较并对偏差进行PID运算得到控制量，最后经D/A模块转换为4~20mA信号作为变频器速度信号去控制圆盘转速最终达到控制物料流量目的。
我所涉及到的是给料系统的控制部分的设计。
所以PID也是我设计部分的主要内容。
烧结厂处理的原料种类繁多，必须根据烧结生产过程的要求和烧结质量的要求进行精确的配料。
本文针对实际需要，将PID算法运用于对配料的控制中，并详细介绍烧结系统运用AT90CAN128来实现配料系统的PID控制的过程。
实践证明,该取得了很好的控制效果,适合现场实际应用。
烧结用的新原料有混匀矿、熔剂、生石灰等，将这些新原料和冷返矿、燃料按照所要求的配比进行自动给料的过程称为配料系统的自动控制。
操作人员在画面上输入“设定干配比”，设定干配比使用前必须进行人工确认，再通过合理性检查得到“采用干配比”后才能进行湿配比的计算。
根据采用干配比和采用水分率经计算求出各种原料的湿配比，再根据混合料槽料位之需要，确定总的配料量，求出每台配料秤排料量的设定值。
由于贮矿槽空间位置的不同，则设定值必须经过延时处理，使各种原料的实际干配比在总配料量发生变化或槽变更时保持一致。
1.4研究系统的配料自动控制
配料系统的各种计算、延迟设定及跟踪等功能由PLC完成;配料秤二次仪表对排料量设定值和测量值进行PI运算，并将控制输出信号通过通讯方式送给变频器完成死循环控制。
其控制算法15“，]设计如图1.2所示，其中m，c，r;为原料干配比，h为原料水分率，Wts砰乍忿为综合输送量，t为延迟时间，Di为配料设备运行状态。
图1.2配料控制算法设计图
第二章整体方案设计
2.1高炉烧结配料系统的组成
烧结机的配料采用13个定量圆盘给料机和电子皮带秤定量给料，为提高皮带配料秤的计量精度和配料系统给料精度，所有给料机的皮带配料秤均采用变频调速的方式进行控制。
该自动称重配料控制由下列五大部分：
电子皮带称、称重控制仪表、变频控制柜、监控计算机及现场操作箱部分。
图2.1高炉烧结配料系统的组成
配料自动控制实现烧结用的原料如混匀矿、燃料、熔剂白云石、生石灰、冷返矿按照工艺要求的配比进行自动给料，能够判断下料堵料和失控故障、变频器故障，并报警。
2.2高炉烧结配料系统的工作方式
高炉烧结配料系统检修和工作方式有二种：
手动检修方式：
即通过现场操作箱选择开关及按钮控制变频器以点动频率驱动电动机正反向运行速度；
工作方式有二种：
第一种是仪表自动给料；即通过称重控制仪表键盘，任意给定所需给料量，并通过给料量大小变化自动调整变频器频率（电动机的运行速度）；第二种是上位机自动给料，给料设定就可由上位机画面来完成。
正常工作在上位机自动给料，受计算机控制。
检修或调试时在“检修”状态，可以单机运行。
2.3高炉烧结配料系统各部分功能
2.3.1称重皮带秤及控制仪表功能
要确保烧结配料成分的稳定，圆盘给料机和螺旋的流量控制是关键。
通过圆盘给料机和料仓给料器与集料皮带机之间安装调试好的电子配料皮带秤称量检测，以及配料皮带测速编码器（传感器）测量皮带运输原料速度的检测，称重仪表采集测量皮带秤上每单位长度的载荷值q（kg/m）以及皮带在同一时刻的运行速度v（m/s），且两者相乘得到物料的瞬时流量q×v（kg/s）。
只要保证q（t）×V（t）的乘积不变，就可以保证物料流量的恒定。
即随皮带上物料重量的变化控制皮带运行速度做出相应的调整，就可以保证物料流量的恒定。
在本系统中圆盘给料机的速度是恒定不可调的，所以控制流量的恒定只能调节皮带上物料重量，而重量的改变又只能通过改变变频器的频率，以改变皮带秤的速度。
流量恒定控制原理图2.2所示，每一个称重控制都是一个“小死循环”控制系统。
称重仪表检测并运算q（t）×V（t）的乘积与流量设定值（上位机给定或仪表键盘给定）进行比较，然后进行PID运算,，得出相应的输出频率信号到变频器，实现自动控制流量大小的要求。
图2.2流量恒定控制原理图
实现流量恒定的控制。
仪表控制部分采用模块控制方式,电子秤与仪表控制模块之间的信号传输采用差分频率信号传输技术,具有极强的抗干扰能力和远传能力,从而保证了系统信道的可靠性和准确性,在回馈控制上采用新型的人工智能PID调节算法,无振荡,无超调。
仪表控制部分与监控计算机采用CAN总线通信方式，信号传输的快速实时性更高、抗干扰更强、可靠性更高，保证配料精度和稳定性。
配料秤有补偿功能，即皮带本身影响自动补偿功能。
能在配料秤正常生产运行过程中，连续不断地测量皮带本身实际重量的变化（如物料局部粘结等造成的皮带皮重的变化，天长日久磨损程度不同导致的皮带薄厚不均，以及张力不匀等所产生的对称重传感器的外部影响），并随时进行精确补偿，因而其动态测量精度要比一般设备厂家的配料秤动态测量精度高。
2.3.2计算机监控部分
该计算机采用品牌机作为控制计算机,系统软件是在Win2000操作平台下,用组态王（或VB6.0）开发研制的通用应用程序，整个程序兼顾鼠标和键盘操作。
各种操作接口、数据显示及打印管理,用户可方便进行各种资料的修改操作,运行数据的图形显示及打印各种报表。
工艺流程动画显示美观大方,友好的操作接口，简单易学,其功能如下：
显示功能
1）该系统能显示整个配料工艺及流程画面;
2）显示各设备瞬时运行情况;
3）显示各台秤的给定流量、实际流量、下料累计量，显示各种原料的瞬间下料量、总流量及总累计量。
4）具有系统报警功能。
操作及控制功能
该系统利用操作提示菜单方便、简单，快速引导进行系统操作。
其功能如下:
1）能实现变频器的远程操作（启停、手自动转换、单动）；
2）能快速修改各台电子秤的计量参数及换仓后各物料吸收系数的变更设置;
3）修改配料系统的控制参数;
4）根据工艺要求，可随时、方便的选定、修改、更换配比和配料总流量;
5）当物料水分含量发生变化时,可方便的变更水分组和手动输入各物料的水分变化量。
6）根据现场实际需要，可对打印时间间隔、报警时间进行设置;
报警功能
1）当系统各测量单元出现故障时,工艺流程主画面将以警示色提醒用户,按下相关键后,可由CRT显示故障代码;
2）当系统出现空仓或园盘给料机堵料而无法下料时,工艺流程画面报警提醒用户及时处理。
2.3.3变频控制部分
皮带电机采用流量死循环变频调速方式，保证配料精度和稳定性，节电效果显著。
将每台变频器集中在变频电控制柜中。
正常工作时，称重仪表PID的输出控制变频器的输出频率，检修调试时，按钮点动控制变频器的输出频率。
现场操作箱
调试或现场检修时，通过现场操作箱实现单机的正反运行。
第三章硬件设计
3.1单片机AT90CAN128
3.1.1单片机AT90CAN128的结构
单片机AT90CAN128的结构图如图3.1所示
图3.1AT90CAN128结构图
3.1.2AT90CAN128的部分引脚介绍
本次试验主要是以PWM口为主，所以，我主要介绍一下PB口的相关作用，主要是PB7-PB0的作用。
如表3.1所示：
表3.1部分引脚的菜单
引脚名
第二功能
PB7
OC2（T/C2的比较匹配输出和PWM输出口）
OC1C（T/C1的比较匹配输出和PWM-C输出口）
PB6
OC1B（T/C1的比较匹配输出和PWM-B输出口）
PB5
OC1A（T/C1的比较匹配输出和PWM-A输出口）
PB4
OC0（T/C0的比较匹配输出和PWM输出口）
PB3
MISO（SPI总线主输入口/从输出口）
PB2
MOSI（SPI总线主输出口/从输入口）
PB1
SCK（SPI总线时钟）
PB0
SS（SPI总线主从选择）
埠B，位7——OC2/OC1C
OC2比较输出：
PB7脚作为定时器/计数器2的比较输出。
该引脚必须被配置成输出（DDB7=1），才能作为该功能使用。
OC2引脚同时也能作为PWM模式输出。
OC1C比较C输出：
PB7引脚还能作为定时器/比较器1比较C的输出。
该引脚必须被配置成输出（DDB7=1），才能作为该功能使用。
同时OC1C也能作为PWM模式下的输出使用。
埠B，位6——OC1B
比较B输出：
PB6引脚可以作为定时器/比较器1的比较B输出。
该引脚必须被配置成输出（DDB5=1），才能作为该第二功能使用。
OC1B引脚同时也能作为PWM模式下的输出引脚用。
埠B，位5——OC1A
比较A输出：
PB5引脚可以作为定时器/比较器1的比较A输出。
该引脚必被配置成输出（DDB5=1），才能作为该第二功能使用。
OC1A引脚同时也能作为PWM模式下的输出引脚用。
3.1.3AT90CAN128的特点
AT90CAN128是一款低功率CMOS8位的微处理器，它是基于AVR增强型RISC结构的。
在一个时钟周期里执行强大功效的指令，AT90CAN128可完成1MIP每MHz
的吞吐量，从而让系统设计者可对进程速度进行优化功率消耗。
AVR内核结合了一个丰富的指令设置，有32个通用目标工作寄存器。
所有32个寄存器都直接和运算器连接，两个独立的寄存器允许被在一个时钟周期里执行的一条单个指令访问。
这种结构比常规的微处理器更具有效率。
AT90CAN128有以下特点：
128K的内部可编程FLASH，具有可擦写能力，4K的EEPROM，4K的SRAM，53个通用目标I/O接口，32个通
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