硝酸生产氧化炉温度控制系统设计

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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学计算机控制技术计算机控制技术 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：硝酸生产氧化炉温度控制系统设计硝酸生产氧化炉温度控制系统设计院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间： 2013.12.30-2014.01.102013.12.30-2014.01.10 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级课程设计 （论文）题 目硝酸生产氧化炉温度控制系统设计课程设计（论文）任务课题完

2、成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 氧化炉是硝酸生产中的关键设备，氨气与空气混合后进入炉内，在铂触媒作用下 进行氧化反应氨气氧化生成一氧化氮是一种放热反应过程，工艺要求反应温度为 8505。影响温度的主要因素是氨气和空气的比值。当温度受扰动而变化时，均以 改变氨量来补偿。试设计硝酸生产中氧化炉温度控制系统。本设计要求采用单片机作 为控制器，控制算法采用不完全微分 PID 控制，由键盘进行温度控制值的选择，并显 示温度。 设计任务及要求设计任务及要求 1、确定系统设计方案，包括控制器的选择，输入输出通道，键盘显示电路； 2、建立被控对象的

3、数学模型； 3、设计 PID 算法的程序流程图； 4、仿真研究，验证设计结果； 5. 按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字 以上。 技术参数技术参数 测量范围：01000； 控制温度：8505； 最大偏差：10。进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1 天） 2、对系统功能进行分析（1 天） 3、系统硬件电路设计（3 天） 4、系统软件设计（2 天） 5、撰写、打印设计说明书（2 天） 6、对设计任务进行答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%

4、 以百分制计算摘 要硝酸生产现场，分布大量 NH3和 NOx有毒气体，严重危害工人健康。对硝酸铵生产过程进行自动控制对于提高生产效率，保障工人安全、改善生产环境和促进企业快速发展有着积极的作用。本文介绍的是一种基于硝酸生产氧化炉温度控制系统设计，并从软件和硬件两方面介绍了基于硝酸生产氧化炉温度控制系统的设计思路，并对硬件原理图和程序框图作了的描述。设计了一个以 AT89S52 单片机为核心，由温度传感器模块、变送器模块、A/D 转换模块、光电隔离模块、固态继电器模块、报警电路模块等多个模块组成的控制系统。本文通过单片机实现了对硝酸氧化炉的控制检测，并根据所测的数据及时进行调整。氧化炉控制中，建

5、立了氧化炉温度的数学模型，采用了不完全微分 PID 控制算法，确保氧化炉温度在安全范围内变化。采用基于单片机控制氧化炉的控制器，减少了工业生产中需要的人力，减少了系统维护的成本，提高了系统的工作效率，从而提高了整个工业生产的效率，实现了工业自动化、智能化、现代化的生产。关键词： 氧化炉；单片机；温度控制目 录第 1 章 绪论.11.1 课题研究的目的和意义 11.2 硝酸发展的概况 1 第 2 章 系统的总体设计.22.1 设计任务及要求 .22.2 系统组成结构 .2 第 3 章 系统硬件设计.33.1 单片机的选型与最小系统 33.1.1 AT89S52 简介 33.1.2 单片机最小系统

6、设计 33.1.3 键盘电路43.1.4 显示电路 43.2 温度传感器 53.3 A/D 转换设计 63.4 报警电路设计 .63.5 光电隔离 73.6 固态继电器设计 83.7 过零检测 8 第 4 章 系统软件设计.104.1 系统软件流程图 104.2 数学模型的建立 11 第 5 章 仿真实验.14 第 6 章 课程设计总结.16 参考文献.17 附录 1 系统总电路图18 附录 2 系统程序19第第 1 1 章章 绪论绪论1.1 课题研究的目的和意义硝酸在产品规模上，仅次于硫酸。硝酸和它的盐类在国民经济中有着及其重要的地位，它主要用于农业和炸药工业。农业中用硝酸的盐类作土壤的肥料

7、，在炸药工业中，用浓硝酸将甲苯、酚及环六次甲基四羟(优洛托品)硝化制成三硝基甲苯、苦昧酸及环形三次甲基三硝基胺。浓硝酸也用来制造硝化纤维、硝化甘油等等。1.2 硝酸发展的概况由十七世纪开始到二十世纪前，硝酸工业主要是采用蒸馏硝石和硫酸的混合物制造硝酸。自然界中存在的天然硝石是制造硝酸的唯一原料。在二十世纪初，解决了大气氮固定的问题，科学家主要研究如何将大气氮转化为氮氧化物，于是有了电弧法，将空气中的氮直接固定成为一氧化氮的工艺该工艺原料来自大气，设备简单，但它需要消耗大量的电能。与此同时，苏联科学家安德烈耶夫开始研究氨接触氧化生成硝酸的工艺。他分析出该工业制造过程中，一氧化氮的氧化率与气体流速

8、、温度及氨空混和气成分的关系，为后来氨氧化制造硝酸的工业发展奠定了基础。在合成氨工业的推动下，氨接触氧化制取硝酸工艺得到大力广泛推广，在经历了常压法、综合法和中压法之后，目前，发展成为工艺先进的全高压法和双加压法。其中双加压法最为先进。双加压法的氧化压力和吸收压力是不同，它氧化压力由来自空气压缩机一次空气提供(0.40.5MPa)，吸收压力由来自氧化氮压缩机的二次空气提供(0.81.4MPa)单加压法中，氧化压力和吸收压力都由空气压缩机提供(0.81.0MPa)。吸收压力越高，其吸收效率越高。单加压法的铂耗较高，是双加压法的两倍。双加压法蒸汽自给自足，所以双加压法的生产消耗很少。但单加压法投资

9、少，资金回报快，以及其环保效益高等特点，促使其在市场中具有很强的竞争力。我国于 2003 年成功地开发研制了全国首套全高压法硝酸“三合一”机组。其机组配置的合理性、安全性以及经济性都优于从国外进口的二手设备。第 2 章 系统的总体设计2.1 设计任务及要求本文首先确定了设计方案，画出了方案框图。然后进行了控制器的硬件的选择。包括控制器的选择，输入输出通道，键盘电路以及显示电路等。之后绘制出了温度传感器器的原理图、固态继电器的原理图、光电隔离的原理图。软件方面首先建立了被控对象的数学模型，然后绘制出了 PID 算法程序流程图，最后，进行了仿真研究，验证了设计结果。本文要求认真独立的完成了所规定的

10、全部内容，并要求所设计的内容要求正确、合理。2.2 系统组成结构本文采用了 AT89S52 为控制核心，提高了编程效率。AT89S52 单片机首先根据炉温的给定值和测量值计算出温度偏差然后进 PID 控制并计算出相应的控制数据。然后将输出的控制数据送往光电耦合隔离器的输入端，最后达到使炉温控制在某一设定温度的目的。AT89S52 单片机还负责按键处理、温度显示等工作。测温时，热电阻输出热电势，必须经过变送器变换成 0-5V 的标准信号。本系统选用 DWB 型温度变送器，并将其直接安装温度传感器偶的接线盒内，构成一体化的温度变送器，不仅可以节省补偿导线，而且可以减少温度信号在传递过程中产生的失真

11、和干扰。光电隔离器采用了 6N137，能够较好的抑制干扰，使接收的数据更准确。A/D 转换器采用了 10 位 8 通道得 A/D 转换器 AD7812。本系统实现了氧化炉温度的控制，从而实现了工业上生产硝酸的目的。系统总体控制结构框图如图 2.1 所示：氧化炉温度传感器固态继电器变送器A/D转换单片机显示电路报警电路键盘光电隔离过零检测图 2.1 系统总体控制结构框图第 3 章 系统硬件设计3.1 单片机的选型与最小系统3.1.1 AT89S52 简介AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程FLASH 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性

12、存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。有两级或三级程序存储器保密系统，防止 EPROM 中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器 EPROM 容量可达 256字节。其引脚如图 3.1 所示：3.1.2 单片机最小系统设计采用 AT89S52 单片机构成了控制系统的核心，其基本模块就主要包括复位电路和晶体震荡电路。复位电路设计的好坏直接影响单片机系统工作的稳定性，由于单片机上电瞬间电源电压不稳定，此时单片机不能立即投入工作，需要继续保持一段时间的复位状态，待电源稳定后单片机才开始工作。单片机中都有晶振，在单片机系统中晶振作用非常大，全称叫做晶体振荡器，

13、他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。单片机最小系统的接线如图 3.2 所示：T 2 P1.01 T 2EX P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78 RES V PD9 RX D P3.010 T X D P3.111 IN T0 P3.212 IN T1 P3.313 T 0 P3.414 T 1 P3.515 WR P3.616 RD P3.717 X T AL218 X T AL119 V SS20V CC40 P0.039 P

14、0.138 P0.237 P0.336 P0.435 P0.534 P0.633 P0.732 EA V PP31 ALE V PP30 PSEN29 P2.728 P2.627 P2.526 P2.425 P2.324 P2.223 P2.122 P2.021U1AT 89C51AT 89S52V CCC130PFC230PF12MHZX T AL2X T AL1V CCC 104R 10KS1 RSTRESETRESETX T AL2 X T AL1图 3.2 最小系统3.1.3 键盘电路本次设计选用的是单片机的 P1 口来控制信号的输入，所以把按键开关和 P1 口连接起来，当按下开关 S

15、1 时，相当于给 P1.0 口一个低电平；当按下开关 S2 时，相当于给 P1.1 口一个低电平；当按下开关 S3 时，相当于给 P1.2 口一个低电平；当按下开关 S4 时，相当于给 P1.3 口一个低电平；当按下开关 S5 时，相当于给 P1.4 口一个低电平，然后通过单片机实行相应的操作。如图 3.3 所示： T 2 P1.01 T 2EX P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78 RES V PD9 RX D P3.010 T X D P3.111 IN T0 P3.212 IN T1 P3.313 T 0 P3.414 T 1 P3.515 WR P3.616 RD P3.717 X T AL218 X T AL119 V SS20V CC40 P0.039 P0.138 P0.237 P0.336 P0.435 P0.534 P0.633 P0.732 EA V PP31 ALE V PP30 PSEN29 P2.728 P2.627 P2.526 P2.425 P2.324 P2.223 P2.122 P2.02