专利名称：一种总线型工业管线保温效果测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及单片机控制和数据采集通信技术领域，特别是涉及一种总线型工业管 线保温效果测试装置。
背景技术：
目前国内已经开始重视节能效果评价工作，但是，工业管线的现场节能效果评价 仍然处于摸索阶段，包括评价手段、评价方法、计算方法等方面，至今还没有比较完善的方案。研究人员在过去的检测中发现，评价结果受环境因素的影响较大，而对于一种绝 热材料，其节能效果主要取决与工程设计和施工质量，环境因素的影响应该很小。工业总线 的检测数据受环境影响差别比较大，直接关系到评价的正确性。在很多生产过程中，工业总线温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效 率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，工业总线温度的测量与控 制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。目前迫切需要开发出一种在进行管线保温效果测试时减少环境干扰的数据分析 方法，以求正确评价保温(保冷)管线的节能效果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种总线型工业管线保温效果测试装置，其通过 模拟工业管线在不同工作环境下的模型，完成对工业管线温度的数据采集以及实时监控， 从而为工作人员根据要求模拟现场工业管线工作条件，实现对工业管线保温效果的测试与 评价提供专用的测试装置，对于提高工业总线的保温效果，降低管理的成本，促进工业上的 推广应用，具有重大的实际意义。为此，本发明提供了一种总线型工业管线保温效果测试装置，包括多个管线加热装置，包括有多组工业管线和管式加热器，用于根据工作人员输入 的切换指令，选择多组管线中的一组来进行加热；温度采集单元，与管线加热装置相连接，用于采集所述管线加热装置正在加热的 管线的温度信号，并转发给智能温度监控单元；智能温度监控单元，分别与温度采集单元、功率驱动单元相连接，其上具有液晶显 示屏，用于接收所述温度采集单元所采集工业管线的温度信号，通过实时采集到的温度信 号实时输出控制策略给功率驱动单元，所述功率驱动单元与管线加热装置相连接，从而驱 动控制管式加热器的加热工作。其中，所述智能温度监控单元用于通过实时采集到的温度信号，并且根据PID控 制算法实时输出控制策略给功率驱动单元。其中，所述智能温度监控单元用于预先存储单元预先存储的多个不同的温度信号 与多个不同的控制策略之间的映射关系，接收所述温度采集单元所采集工业管线的温度信号，获得与所接收的温度信号具有映射关系的控制策略，然后显示给工作人员，并且根据工 作人员输入的指令，选择切换运行一个管线加热装置并控制功率驱动单元来驱动管式加热 器进行工作。其中，所述管线加热装置包括有三组工业管线，所述工业管线上安装有U型的管 式加热器，该管式加热器在功率驱动单元的驱动输出下完成对管线的加热工作。其中，每组工业管线均为碳钢材质的钢管1，每个钢管1外壁设置有可拆装的保温 套2，所述钢管1内安装有U型的不锈钢管式加热器3。其中，每个保温套2均为可拆装式，其由两个半圆形套组成，所述保温套2 —侧通 过铰链固定连接钢管1，另一侧通过螺栓固定在钢管1上。其中，所述功率驱动单元104为继电接触器。其中，所述温度采集单元包括有单片机AT89S51和温度传感器，温度传感器用于 采集模拟的温度电信号，在经模数A/D转换器转换形成数字信号送至单片机，单片机用于 将温度数字信号数据通过RS485总线上传至智能温度监控单元。其中，所述RS485总线收发器由MAX485芯片组成。由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种总线 型工业管线保温效果测试装置，其通过模拟工业管线在不同工作环境下的模型，完成对工 业管线温度的数据采集以及实时监控，为工业管线保温效果的测试与评价提供专用的测试 装置，对于提高工业总线的保温效果，降低管理的成本，促进工业上的推广应用，具有重大 的实际意义。
图1为本发明提供的一种总线型工业管线保温效果测试装置的结构框图；图2为本发明具有的管线加热装置的结构示意图；图3为温度采集单元中具有的看门狗电路连接图；图4为温度采集单元中具有的单片机的工作电路图；图5为温度采集单元中具有的RS485通信的电路连接图；图6为温度采集单元中具有的模数A/D转换器的电路连接图；图7为直流稳压电源的电路原理图；图8为智能温度监控单元中的显示电路的电路连接图；图9为智能温度监控单元中的液晶屏电路；图10为智能温度监控单元中的按键电路原理图。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本图1为本发明提供的一种总线型工业管线保温效果测试装置的结构框图；参见图1，本发明提供了一种总线型工业管线保温效果测试装置，包括有多个管线 加热装置101、温度采集单元102和智能温度监控单元103，其中多个管线加热装置101，包括有多组工业管线和管式加热器，用于根据工作人员 输入的切换指令，选择多组管线中的一组来进行加热(即切换选择运行一个管线加热装置
4101)，模拟工业管线在不同工作环境下的模型；温度采集单元102，与管线加热装置101相连接，用于采集所述管线加热装置101 正在加热的管线的温度信号，并转发给智能温度监控单元103 ；智能温度监控单元103，分别与温度采集单元102、功率驱动单元104相连接，其上 具有液晶显示屏，用于接收所述温度采集单元102所采集工业管线的温度信号，通过实时 采集到的温度信号并且根据相应的控制算法实时输出控制策略给功率驱动单元104，所述 功率驱动单元104与管线加热装置101相连接，从而驱动控制管式加热器的加热工作。具体实现上，所述智能温度监控单元103采取的控制算法为PID算法(比例P、积 分I、微分D算法)；对于智能温度监控单元103，具体实现上，它预先存储多个不同的温度信号与多 个不同的控制策略之间的映射关系，接收所述温度采集单元102所采集工业管线的温度信 号，根据预先存储的多个不同的温度信号与多个不同的控制策略之间的映射关系，通过运 行控制算法(如PID算法)可以获得与所接收的温度信号具有映射关系的控制策略，然 后显示给工作人员，让工作人员可以实时根据该控制策略控制对工业管线的加热操作，并 且根据工作人员输入的指令，选择切换运行一个管线加热装置101并控制功率驱动单元 104(具体为继电接触器)来驱动管式加热器进行工作，还可以让工作人员修改工业管线的 温度设定值。对于智能温度监控单元103，它通过实时采集到的温度信号并且根据预先设置好 的相应控制算法(例如PID算法)实时输出控制策略给功率驱动单元104，从而控制管式加 热器(即管线加热装置101)的加热工作。具体实现上，对于本发明，还可以单独设置一个控制策略预先存储单元，其外置于 智能温度监控单元103且与智能温度监控单元103相连接，用于单独预先存储多个不同的 温度信号与多个不同的控制策略之间的映射关系；在本发明中，所述控制策略预先存储单 元可以为一个数据存储器，优选为非易失性随机访问存储器NVRAM。需要说明的是，在本发明中，对于智能温度监控单元103，它将温度采样值与温度 设定值进行比较获得偏差，通过PID运算与归一化处理输出占空比来控制采样周期内加热 器的加热工作。例如当前设定温度为250度，实测采样温度为100度，此时经过根据相关 运算得出的对应控制策略逻辑上为控制对工业管线一直加热(即在一个采样周期内占空 比为百分之百)；例如当前设定温度为350度，实测温度为345度，控制工业管线的温度进 入微调阶段，此时通过PID归一化运算得出的占空比很小，即在一个采样周期内加热的时 间很短；又如当前设定温度为350，实测温度为355度，此时经过PID归一化运算后得出的 占空比数值为0，即在采样周期内加热器应停止对工业管线进行加热。在本发明中，具体实现上，所述管线加热装置101包括有三组工业管线，所述工业 管线上安装有U型的管式加热器，从而形成有三套独立的管线加热装置，这三套独立的加 热装置不同时工作，根据工作人员的指令加以切换，不允许在加热过程中进行切换，必须停 止加热后再进行切换。内置在管线内部的U型不锈钢管式加热器，在功率驱动单元104的 驱动输出下完成对管线的加热工作。参见图2，具体实现上，本发明选取直径和长度为Φ 114X2000、Φ 159X2000、 Φ219Χ2000的钢管各一根，本发明选取的每组工业管线均为碳钢材质的钢管1，钢管1的两端端面均可拆装，钢管1底部两端分别与一个支架固定，采用带隔热层的固定方式。每个 钢管1外壁设置有可拆装的保温套2，对于直径和长度为Φ 219 X 2000的钢管，设置有三个 保温套，其余两只钢管分别设置两个保温套。；所述保温套2采用耐高温(高达500°C )的保温材料(如硅酸铝毡)制成，所述保 温套2的外壁设置有0. 5mm厚薄板，每个保温套2均为可拆装式，其由两个半圆形套组成， 所述保温套2 —侧通过铰链(螺栓)加以连接钢管1，另一侧通过螺栓加以固定在钢管1。具体实现上，直径和长度为Φ219Χ2000的钢管的三个保温层(硅酸铝)厚度分 别为70mm、95mm和115mm ；直径和长度为Φ 159X2000钢管的两个保温层的厚度为60mm和 105mm;直径和长度为Φ 114X 2000钢管的两个保温层的厚度为60mm和95mm。对于本发明， 采用的钢管式加热装置采用卧式放置，具体实现上，钢管1内安装有1900mm长、U型的不锈 钢管式加热器3 (具体工作电压为380伏)，管式加热器的一端采用螺纹固定(根据加热器 具体确定)在钢管端部的法兰上，管式加热器的另一端在钢管内需要加以支撑固定。对于用于驱动管式加热器的功率驱动单元104，该功率驱动单元104通过执行上 位智能温度监控单元103的控制策略完成对加热器的驱动，从而实现对管线进行加热，具 体实现上，直径和长度为Φ 219 X 2000的钢管，采用的加热功率为采用8千瓦；直径和长度 为Φ 114X2000、Φ 159X2000钢管采用的加热功率均为5千瓦。具体加热控制上，采用继 电器接触器(即功率驱动单元104)两级控制以降低控制驱动功率。温度传感器优选为K 分度热电偶，采用K分度热电偶进行温度检测，在每根被加热管外壁适当位置分别布置两 个热电偶，要求测量准确，对检测两点温度进行平均作为管壁温度加以控制，温度传感器在 钢管没安装加热器的一侧引出至变送器箱。在本发明中，对于温度采集单元102，其包括有单片机AT89S51和温度传感器，该 单片机在不工作的时刻采用监听状态，当接收到来自上位智能温度监控单元的控制信号后 开始响应工作。因为单片机只能处理数字信号，温度传感器用于采集模拟的温度电信号， 故在由温度传感器采集到的温度电信号经模数A/D转换器转换后，形成八位数字信号送至 单片机；单片机将温度数字信号数据通过RS485总线上传至上位智能温度监控单元进行处 理；具体实现上，所述RS485总线通信选择ΜΑΧ485芯片组成，以保证物理层通信的可靠工 作，保证通信的快速有效。对于本发明，具体实现上，通过所述智能温度监控单元103，工作人员根据测试需 要可通过按键对三个加热装置工作进行切换，分别实现对三个管线加热装置的监测控制， 三个独立加热装置不同时工作，根据工作人员的指令加以切换，不允许在加热过程中进行 切换，必须停止加热后再进行切换；此外，该智能温度监控单元103可以实现工业管线的温 度设定、测温点实际平均温度的显示与变更，具体实现上，温度设定共分为150°C、25(TC、 350°C、40(TC四个档，温度可根据需要在150°C -400°C范围内进行设定，控温范围为100 4500C ；智能温度监控单元103接收到来自下位机温度采集单元102的温度采样信号，通过 计算处理输出控制策略至功率驱动单元104，从而驱动U型管式加热器的加热工作，控制策 略采用分段砰砰控制以优化控制效果，降低超调量，提高控制的可靠性，温度稳态控制误差 彡士2% FS满量程。具体实现上，下面说明本发明的温度采集单元102和智能温度监控单元103中各 个部分的电路连接结构。
图3为温度采集单元中看门狗的电路图。在本发明的装置运行以后也就启动了看 门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗 计数器就会溢出，看门狗的WDO引脚输出低电平，从而将MR脚拉低，造成系统复位。图4为单片机AT89S51的电路图，本发明的温度采集单元中的单片机采用Atmel 公司的强力控制芯片，以确保控制可靠以及控制策略的有效实施。图5为一片MAX485组成的RS485总线通信电路，即作为温度采集单元中的RS485 总线收发器。MAX485芯片接收器的输出RO端和驱动器的输入DI端分别与温度采集单元中 单片机的P3. 0和P3. 1引脚相连接；其RE接收和DE发送使能端与RS485总线收发器的输 出管脚相连接，用来控制MAX485的收发，同时要加入匹配电阻，一般选120Ω的电阻。图6为温度采集单元中的模数A/D转换器的连接电路。由于其DO端与DI端在通 信时并未同时有效，并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI端并联在 一根数据线上使用。DI端用以选取模拟量的输入通道，DO端输出经过模数A/D转换后的温 度数字信号。图7为本发明装置具有的直流稳压电源电路原理图。直流稳压电源输出是+5V 电压，稳压电路采用稳压器LM2575，这类稳压器芯片内部设有过流、过热保护以及调整管安 全保护电路，其所需外接元件少，使用方便、可靠，广泛用于各种电子设备中，作为电压稳压
ο图8、图9为智能温度监控单元103中的液晶显示电路。BC7281是8位/16位LED 数码管显示及键盘接口专用控制芯片，741sl64是一个串入并出的8位移位寄存器，它与 BC7281相连，构成了智能温度监控单元中微控制器显示电路的主要部分，鉴于本发明装置 需要显示设置温度和采样温度平均值，因此只需要8位数码管显示即可，前四位数码管用 于显示设定的温度，后四位数码管用于显示采样温度的平均值。图10为智能温度监控单元103中的按键电路原理图。对于本发明，键盘扫描采用 中断方式和扫描方式，芯片74HC08为4组2短输入与门，各个按键S1、S2、S3均接地(Si为 升温按钮，S2为降温按钮，S3为开关)，当任一按键闭合时即输入低电位，74HC08输出低电 位，触发上位机(即智能温度监控单元)中断，在中断程序中扫描管脚，以确定是哪一个开 关闭合，从而执行相应指令。上述本发明提供的测试装置为评价测试系统，尤其是在单片机控制的管线保温评 价系统中，为工业管线保温效果的测试与评价提供了专用的测试装置。综上所述，与现有技术相比较，本发明提供了一种总线型工业管线保温效果测试 装置，其通过模拟工业管线在不同工作环境下的模型，完成对工业管线温度的数据采集以 及实时监控，为工业管线保温效果的测试与评价提供了专用的测试装置，对于提高工业总 线的保温效果，降低管理的成本，促进工业上的推广应用，具有重大的实际意义。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种总线型工业管线保温效果测试装置，其特征在于，包括多个管线加热装置，包括有多组工业管线和管式加热器，用于根据工作人员输入的切换指令，选择多组管线中的一组来进行加热；温度采集单元，与管线加热装置相连接，用于采集所述管线加热装置正在加热的管线的温度信号，并转发给智能温度监控单元；智能温度监控单元，分别与温度采集单元、功率驱动单元相连接，其上具有液晶显示屏，用于接收所述温度采集单元所采集工业管线的温度信号，通过实时采集到的温度信号实时输出控制策略给功率驱动单元，所述功率驱动单元与管线加热装置相连接，从而驱动控制管式加热器的加热工作。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述智能温度监控单元用于通过实时采集 到的温度信号，并且根据PID控制算法实时输出控制策略给功率驱动单元。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述智能温度监控单元用于预先存储 单元预先存储的多个不同的温度信号与多个不同的控制策略之间的映射关系，接收所述温 度采集单元所采集工业管线的温度信号，获得与所接收的温度信号具有映射关系的控制策 略，然后显示给工作人员，并且根据工作人员输入的指令，选择切换运行一个管线加热装置 并控制功率驱动单元来驱动管式加热器进行工作。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述管线加热装置包括有三组工业管线，所 述工业管线上安装有U型的管式加热器，该管式加热器在功率驱动单元的驱动输出下完成 对管线的加热工作。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，每组工业管线均为碳钢材质的钢管(1)，每 个钢管(1)外壁设置有可拆装的保温套(2)，所述钢管(1)内安装有U型的不锈钢管式加热 器(3) ο
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，每个保温套(2)均为可拆装式，其由两个半 圆形套组成，所述保温套(2) —侧通过铰链固定连接钢管(1)，另一侧通过螺栓固定在钢管 ⑴上。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率驱动单元104为继电接触器。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度采集单元包括有单片机AT89S51和 温度传感器，温度传感器用于采集模拟的温度电信号，在经模数A/D转换器转换形成数字 信号送至单片机，单片机用于将温度数字信号数据通过RS485总线上传至智能温度监控单兀。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述RS485总线收发器由MAX485芯片组成。
全文摘要
本发明公开了一种总线型工业管线保温效果测试装置，包括多个管线加热装置，用于根据工作人员输入的切换指令，选择多组管线中的一组来进行加热；温度采集单元，用于采集正在加热的管线的温度信号并转发给智能温度监控单元；智能温度监控单元，分别与温度采集单元、功率驱动单元相连接，用于接收所述温度采集单元所采集工业管线的温度信号，通过实时采集到的温度信号实时输出控制策略给功率驱动单元，所述功率驱动单元与管线加热装置相连接，从而驱动控制管式加热器的加热工作。本发明通过模拟工业管线在不同工作环境下的模型，完成对工业管线温度的数据采集以及实时监控，为工业管线保温效果的测试与评价提供专用的测试装置。
文档编号G08C19/00GK101907885SQ20101021682
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者倪建云, 冯亮, 刘洋, 孙全胜, 常乐, 李兴军, 陈在平, 魏一 申请人:天津理工大学