【文章內(nèi)容簡介】 9 分布式計算機控制系統(tǒng)各級并行工作，很多采樣和控制功能都分散到各個子環(huán)節(jié)中，僅在必要時才通過高速數(shù)據(jù)通道與監(jiān)督計算機進行信息交換，因此減少了數(shù)據(jù)集中串行處理時間，也減少了信息傳遞的次數(shù)， 所以速度提高了。 結(jié)構(gòu)靈活，易于擴展 分布式計算機控制系統(tǒng)采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，即把任務(wù)相同的部分作成一個模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，可大可小，便于操作、組裝和調(diào)度，容易擴展。 設(shè)計、開發(fā)、維護簡便 由于系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，且具有自診斷和錯誤檢測系統(tǒng)，所以設(shè)計、開發(fā)及維護都很方便，并且能實現(xiàn)高級復(fù)雜規(guī)律控制。 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計算機根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供 操作員參考，這時計算機就起到了操作指導(dǎo)的作用。 該系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全可靠。缺點是要由人工進行操作，操作速度受到人為的限制，并且不能控制多個回路。該系統(tǒng)常用在計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試階段，進行數(shù)據(jù)檢測、處理及試驗新的控制程序等。 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)（ SCC 系統(tǒng)） SCC（ Superbisory Computer Control）系統(tǒng)比 DDC 系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 際情況，因為在 DCC 系統(tǒng)匯總計算機只是代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，系統(tǒng)不能進行在最佳狀態(tài)，而 SCC 系統(tǒng)不僅可以進行給定值 控制 ,并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等，它是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和 DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。 SCC系統(tǒng)有兩種形式：一種是 SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)；另種是 SCC+DCC控制系統(tǒng)。 CC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng) SCC 級微機的作用是收集檢測信號及執(zhí)行管理命令，然后按照一定的數(shù)學(xué)模型計算后，給定值與檢測到的被控參數(shù)進行比較，其偏差經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計算后輸出控制量給執(zhí)行機構(gòu)，以使工作保持在最優(yōu)狀態(tài)，從而達到調(diào)節(jié)產(chǎn)生過程的目的。當(dāng)SCC 微機出現(xiàn)故障時，可由模擬調(diào)節(jié)器獨立完成操作。該系統(tǒng)形式適合于老企業(yè)的技術(shù)改造 ，既用上了原有的模擬調(diào)節(jié)器，有實現(xiàn)了最佳給定值控制。 SCC+DDC控制系統(tǒng) 這是兩級計算機控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)督級、計算機的作用與 SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的 SCC計算機一樣，進行分析、計算，并且給出最佳給定值；另一級是直接數(shù)字控制 DDC級，用來將給定值與測量值進行比較，其偏差有 DDC計算機進行數(shù)字控制運算，然后經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器和多路開關(guān)分別控制各個執(zhí)行機構(gòu)以及對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)。當(dāng) DDC級危機出現(xiàn)故障時，可有 SCC級微機完成 DDC 的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。 SCC+DDC控制系統(tǒng)與 SCC+模擬調(diào)節(jié)器控 制系統(tǒng)相比有許多優(yōu)點，其控制規(guī)律可以改變，使用更加靈活，而且一臺 DDC可以控制多個回路，使系統(tǒng)比較簡單?？傊?，雖然 SCC系統(tǒng)比 DDC 系統(tǒng)有很多優(yōu)越性，但由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，有時很難建立數(shù)學(xué)模型，所以 SCC 系統(tǒng)實現(xiàn)起來比較困難 確定方案 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 比較以上各種控制系統(tǒng)，在考慮到本設(shè)計的目標(biāo)是要使供熱公司對用戶實現(xiàn)高質(zhì)量的供熱服務(wù)，也就要求該控制系統(tǒng)可靠性高，速度快，結(jié)構(gòu)靈活，易于擴展而且要便于維修。綜合以上要求，我選用分布式控制系統(tǒng)作為該設(shè)計的方案。 整個系統(tǒng)可以分布式結(jié)構(gòu)，上位管理機最多可與 255個 供熱站控制裝置連接，每一控制又可接 255 個溫度巡測儀。 供熱一般要保證用戶室溫為 18177。 2℃。由于各用戶建筑面積、暖氣片性能及保溫質(zhì)量各不相同，很難確定一組典型的室內(nèi)溫度作為直接被控量，而供、回水的平均溫度從整體上反映了各個用戶暖氣片的平均溫度，因此本系統(tǒng)采用控制供、回水平均溫度的方法來見解控制用戶室溫?？刂圃砜驁D見下圖 圖中 T0表示室外大氣溫度 5min內(nèi)的平均值， TS表示供、回水的溫度的設(shè)定值，T1 表示供水溫度測量值， T2表示回水溫度測量值。 供、回水溫度與室外大氣溫度應(yīng)是一個反向變化的 量，當(dāng)大氣溫度降低時，應(yīng)增加供熱量，反之則減少供熱量。其近似關(guān)系式為： Ts = 18+ K（ 18T0） 上式中 K 為供熱系數(shù)。由于用戶的熱交換關(guān)系比較復(fù)雜，系統(tǒng)循環(huán)水泵的開啟臺數(shù)又是一個變值，因此供熱系數(shù) K應(yīng)根據(jù)具體情況作適當(dāng)調(diào)整。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 供、回水的壓力是熱網(wǎng)安全運行的重要參數(shù)。供回水壓力過高可能造成熱水管道及用戶暖氣片破裂：循環(huán)熱水的流失會使水壓力過低，有可能形成熱水汽化，引起熱交換器的振動。 為此，采用自動補水的控制方案。控制邏輯為： （ P1 595 kPa 且 P2 305 kPa） 或（ P1 605 kPa 且 P2 295 kPa） 開補水泵 P1 605 kPa 或 P2 305 kPa 停止補水 595kPaP1605kPa 且 295kPaP2305kPa 保持原狀態(tài) 式中， P1表示供水壓力， P2表示回水壓力。 由于補水溫度較低，有時補水動作還相當(dāng)頻繁，所以補水成為影響供、回水溫度的主擾動。為了及時克服補水造成的供水溫度降低，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，本系統(tǒng)采取了以補水為前饋量的靜態(tài)熱量前饋措施，以熱量平衡為基本出發(fā)點，保持補水時供水溫度不變。 補水前饋與熱量計算 系統(tǒng)不補水時，供水流量 M1等于回水流量 M2，此時瞬時供熱量為： q1 =供水量 – 回水熱量 =Cp M2（ T1T2） 當(dāng)系統(tǒng)處于補水狀態(tài)時，供水流量 M1 等于回水流量 M2 與補水流量 M3 之和，此時瞬時供、供熱量為： q1 =供水量 – 回水熱量 – 補水熱量 =Cp [M2（ T1T2） +M3（ T1T3） ] 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 上式中， T1為供水溫度 (℃ )， T2問回水溫度 (℃ )， T3為補水溫度 (℃ )， Cp 為水的定壓質(zhì)量比熱。因為 P和 T都不太高，為簡化計算，取 Cp=（ MJ/T℃），流量單位為 t/h,熱量單位為 MJ。 比較以上兩式可以看出，如果要保持補水前后供熱溫度 T1 不變，需要在開啟補水泵的同時，加大蒸汽投放量，多提供： q3=q1q2=Cp M3 (T1T3)的熱量。新增熱量占原供熱量的比例為： q3/q1 = M3 (T1 – T3) / M2 (T1 – T2) 供水熱量是由供熱蒸汽提供的，蒸汽熱量與蒸汽流量基本上成正比關(guān)系，所以下式成立： △ Q / Q = q3 / q1 式中，△ Q為蒸汽流量增量，與熱水新增熱量 q3為對應(yīng)； Q為原蒸汽流量，與原熱水熱量 q1對應(yīng)。 共熱蒸汽采用對數(shù)閥進行調(diào)節(jié)。假設(shè)調(diào)節(jié)閥為理想流量特性，以補水為前饋量，保持供水溫度不變時，閥門相對開度的增量為： △ 1/L =（ 1/LnR） Ln(1=q3/q1) 式中， 1/L表示閥門相對開度， R表示閥門理想可調(diào)比。 考慮到系統(tǒng)實際運行情況的復(fù)雜性，閥門實際相對開度的增量比上式計算略小為宜。 系統(tǒng)的瞬時供熱量，分補水和不補水兩種情況，分別按 q1式和 q2式計算。對瞬時供熱量進行累計，就得出供熱總量。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 第三章 硬件設(shè)計 CUP AT89C51單片機是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的 8位 CMOS單片機。其片內(nèi)含 4K 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的只讀存儲器（ EPROM）， 128 字節(jié)的隨機存取 數(shù)據(jù)長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 存儲器（ RAM）。器件采用 ATMEL公司高密度、非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)、并兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置有通用的 8 位 CPU 和 Flash 存儲單元?？伸`活運用于各種控制領(lǐng)域，且其性價比較高。 AT89C51芯片引腳圖 AT89C51 單片機的主要性能參數(shù)： ●與 MCS51系列產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； ● 4K字節(jié)的可重復(fù)擦寫的 FLASH存儲器； ●存儲器可循環(huán)寫入 /擦寫 10000次； ●全靜態(tài)操作： 0Hz16MHz； ●三級加密程序存儲器； ●內(nèi)部有 128字節(jié)的 RAM； 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 ● 32個可編程的 I/O口線； ● 2個 16位的定時 /計數(shù)器； ●可編程串行 URAT 通道； ●空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容； 功能特性概述： AT89C51 單片機提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié)的 Flash 存儲器、 128 字節(jié)的內(nèi)部RAM、 32 個 I/O 口線、 2 個 16 位的定時 /計數(shù)器、 1 個全雙工串行通信口、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。同時， AT89C51單片機可降置 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM、定時 /計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有的工作，直到下一個硬件復(fù)位。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 引腳說明： ● Vcc:電源引腳； ● GND:地； ● P0 口 （ ）：是一組 8 位的開漏雙向 I/O 口，即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口使用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8個 TTL 邏輯門電路，對斷口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端來使用。 在訪問外部的數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash編程 時， P0口接受指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。在校驗時，要求外接上拉電阻。 ● P1口（ ） : 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4個 TTL 邏輯門電路。向端口寫入 1的時候， P1口被內(nèi)部上拉為高電平，此時可用做輸入口，當(dāng)作為輸入腳的時候，外部拉低的P1 口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。 在 Flash編程和程序校驗期間， P1口接受低 8位地址。 ● P2口（ ） :是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口。當(dāng)向 P2 口寫入 1時， P2口被內(nèi)部上 拉為高電平，可作為輸入口。當(dāng)作為輸入引腳 的時候，被外部拉底的 P2口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。 在訪問片外程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR 指令）時，P2 口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @Ri指令）時， P2 口上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器 SFR 區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不變。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 在 Flash編程和程序校驗期間， P2 口接受高位地址和其他控制信號。 ● P3 口（ ）：是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口的輸出緩沖 級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4個 TTL邏輯門電路。向端口寫入 1的時候，P3 口被內(nèi)部上拉為高電平，此時可用做輸入口，當(dāng)作為輸入