单片机在电解稳流控制系统中的应用

■ 抚顺铝业有限公司动力厂 宋 涛 周铁生

引言

随着工业自动化先进技术的推广和应用，单片微型计算机在工业控制系统中的应用日趋成熟和广泛，本文主要介绍一种以单片微型计算机80C196为核心的电解稳流控制技术，该技术主要特点运行稳定，控制精度高，且具备串口通讯功能，可实现信号遥控功能，生产运行中效果良好。

1 电解供电系统简介

本文以60KA铝电解生产系列应用为例进行介绍，整流供电机组接线形式如下图所示， 当时电解生产为3台整流机组供电系列。为稳定电解电流，在每台机组主降压变压器二次套接饱和电抗器，生产中通过控制饱和电抗器饱和度来稳定电解电流。当整流机组输出电流超出饱和电抗器控制范围（即饱和或截止时将失去稳流作用）时，调整整流变压器调变（即饱和电抗器饱和时升调压变变压器调高供电电压，饱和电抗器截止时降调压变压器调低供电电压）使各机组电流恢复到饱和电抗器控制范围之内，实现电解电流精确控制。

2 稳流系统控制方式

本控制系统以单片微型计算机80C196KC型芯片为控制核心，采用串级控制方式，控制系统框图见下页：

由框图可以看出，该系统有两种稳流方式，一是单机组稳流，单独设定该机组电流，实现输出电流自动控制，稳定电解系列供电电流；二是在单机组稳流的情况下，系列电流可以加入控制，形成串级控制控制，精确调整系列电流输出。如此设计运行方式灵活，在系列电流控制故障情况下，可采用各机组电流分别设置方式稳定电解电流；反之，在某台机组稳流故障情况下，可退出运行，运用系列控制稳定电解电流。正常情况下，采用系列电流控制和分调稳流控制相结合方式来稳定电解电流达到最佳控制效果。系统均为模块化设计，各种逻辑计算运用软件完成，接线简单，操作方便。系列电流由上位机设定，有上限控制，同时上位机采集电解电流电压信号。

3 各机组稳流控制设计原理

单机组稳流控制原理如下图所示，该系统以80C196KC型单片机为核心，主要包含4个功能单元，即信号采集，PID运算，晶闸管触发角设置，饱和电抗器超限控制，各单元介绍如下：

3.1 信号采集

单片机在运行中主要采集机组控制电流设置信号、机组电流反馈信号、晶闸管触发同步信号，机组电流控制为0—5V模拟信号，反馈为0—20MA电流信号，信号采集过程中，采用软件进行数字滤波。

3.2 PID运算

在80C196KC型单片机中建立PID运算数学模型，对采集的机组电流设置信号、机组电流反馈信号进行PID运算，得到控制值。

3.3 晶闸管触发角设置

将通过PID运算得到控制值转化成晶闸管触发控制角度，利用单片机高速输入引角HSI0引入晶闸管正半周同步触发信号，通过软件计算出晶闸管负半周同步触发角度，由高速输出引脚HSO.0和HSO.1输出晶闸管触发脉冲。

3.4 饱和电抗器超限控制

当饱和电抗器饱和或截止超出控制范围时，单片机可由PID运算获知结果，并发出饱和或截止信号，由PI.6、PI.7能输出给总调控制单片机，根据系列电流要求判断是否升降整流机组调压变压器变调整系列电流。

4 系列稳流控制原理

如下图所示，系列电流控制单片机工作原理介绍如下：

系列控制单片机即以采集到的系列电流信号和上位机设定电流信号作为控制。两路信号在单片机内部通过软件完成PID运算，得出控制量，控制值转成PWM占空比信号由HSO.0引角输出。该信号驱动后经滤波转成直流电压输出到各机组给定，对各单机组进行自动控制，形成一个串级控制方式，达到一个高效、快速的效果。同时总调控制单片机还接收各机组发送来的饱和和截止信号，并进行控制。当各机组饱和电抗器全饱和时，系列电流控制单片机将发出升机组调压变压器信号；当饱和电抗器截止时，系列电流控制单片机将发出降机组调压变压器信号。保证各机组电流在饱和电抗器控制范围内，系列电流稳定。

5 单片机与上位机通信

单片机与上位机组态王进行数据通信时采用组态王所规定的ASCII码通信协议。通信方式采用RS232。半双工、 波收率设顶为9600bps。1位停止位。8位数据位，偶效验方式。

5.1 地址的格式

格式：##.#

说明：前面两个字符是单片机的地址，范围为0—FF，由单片中的程序决定：后面的字符由用户设定是否打包，“0”为不打包，“1”为打包，用户一旦在定义设备时确定了打包，组态王收处理读下位机变量时数据打包的工作。

5.2 在组态王中寄存器格式定义

寄存器名称 DD上限 DD下限 数据类型XDD 65356 0 FLOAT/BYTE/UIM

斜体字dd代表数据地址，此地址与单片机的数据地址相对应。

在组态王中定义变量时。1个X寄存器根据所选数据类型（BYTE、VNVT、FLOAT）的不同分别占用一个、两个、四个字节。定义不同的数据类型时要注意寄存器后面的地址,同一数据区不可交差定义不同数据类型的变量。

5.3 单片机与组态王通信的命令格式

格式说明：

字头：1字节1个ASCII码，40H。

设备地址：1字节2个ASCII码，0—255。

标志：1字节2个ASCII码，bit0—bit7，bit0=0：读；bit0=：写；bit1=0：不打包；bit1=1：打包；bit3 bit2=00：数据类型为字节；bi t3 bi t2=01：数据类型为字；bi t3 bit2=1x：数据类型为浮点型。

数据地址：2字节4个ASCII码，0x0000—0xf f f f。

数据字节数：1字节2个ASCII码。1—100，为实际读写的字节数。

数据字节：把实际的数据转换为ASCII码。个数为字节数乘2。

异或：从设备地址到异或字节前，异或值转换成2个ASCII码。

按上条件可以将系列控制用单片机采集到的各种信号送上位机，如电解电流，电压等。同时上位机又可以发出各种控制命令给单片机，如系列给定电流设定等各种控制命令。

6 结束语

运行两年时间，电解电流控制稳定可靠，很少发生故障，且控制精度高，小时电流误差均在0.1%以下，保证了电解生产的稳定。同时，该系统还具有通用性，其通讯控制部分设计稍作修改可用于其它生产需要，作为远方A/D信号采集和其它控制，实用性强。

孙涵芳.INTEL16位单片机［M］.北京：北京航空航天大学出版社,2001.

张幽彤,陈宝江. MCS 8098系统实用大全［M］.北京：清华大学出版社,1993.

宋伯生.可编程序控制器［M］.北京：中国劳动出版社，1993.