工業(yè)鍋爐水位微機控制系統(tǒng)

1、 工業(yè)鍋爐水位微機控制系統(tǒng) 機電13-2班 6號 史學(xué)宏 工業(yè)鍋爐是能源轉(zhuǎn)換和能源消耗的重要設(shè)備。由于我國工業(yè)鍋爐生產(chǎn)操作水平落后，造成大量的熱能丟失，經(jīng)濟效益很低。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機的逐步普及，工業(yè)鍋爐開始采用微型機算計控制。實踐證明，工業(yè)鍋爐實現(xiàn)微型計算機控制，是鍋爐安全生產(chǎn)，提高熱效率，節(jié)約能源的一大創(chuàng)舉，也為鍋爐生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。鍋爐控制的被調(diào)量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調(diào)節(jié), 使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)，雖然鍋爐汽包水位對蒸汽流量和給水流量變化的響應(yīng)呈積極特性，但是在負(fù)荷(蒸汽流量)急劇增加時，表現(xiàn)卻類似逆響應(yīng)特性，

2、即所謂的虛假水位。造成這一原因是由于負(fù)荷增加時，導(dǎo)致汽包壓力下降，使汽包內(nèi)水的沸點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。 汽包水位控制系統(tǒng)，實質(zhì)上是維持鍋爐進(jìn)出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標(biāo)，通過調(diào)整進(jìn)水量的多少來達(dá)到進(jìn)出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。 其所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為（1）可以對鍋爐水位，蒸汽量和給水量分別采集（2）通過單片機控制，使鍋爐汽包水位維持在正常的范圍內(nèi)（3）具有鍵盤顯示功能（4）具有報警功能當(dāng)水位超過上限或下限時，能及時報警。目前國內(nèi)外隨便科學(xué)技術(shù)技術(shù)的發(fā)展，都采

3、用三沖量水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該控制引進(jìn)蒸汽流量和給水流量信號作為控制信號，系統(tǒng)動作及時，有較強的抗干擾能力，因此得到廣泛的應(yīng)用。 目前在國內(nèi)外主要用微型機算機控制系統(tǒng)來控制鍋爐。微型機算機控制系統(tǒng)的特點是，其控制功能要通過內(nèi)部的控制程序來實現(xiàn)，人們只需要改變這些程序，就可以更改鍋爐設(shè)備的控制功能，以適應(yīng)新的控制要求而不需要改動硬件系統(tǒng)。這種靈活性在硬聯(lián)邏輯系統(tǒng)中是沒有的。因此，掌握微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和研制技術(shù)，是開發(fā)微型計算機應(yīng)用的一個重要課題。 采用三沖量水位控制系統(tǒng)，以鍋爐水位為主控信號，蒸汽流量為前饋信號，給水量為控制器的反饋信號來控制給水量。其目的是通過單片機的控制，使鍋爐汽包水位

4、維持在正常的范圍內(nèi)，當(dāng)水位超過上限或下限時，能及時報警并采取相應(yīng)的措施。充分體現(xiàn)三沖量控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，系統(tǒng)功能完善，結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，能耗小，擴展靈活，便于維護(hù)，并且可靠性高，而且還極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)自動化程度較高，大大降低了操作者勞動強度，降低了成本，綜合性強，實用性好，保障鍋爐正常運行。 工業(yè)鍋爐汽包水位的自動控制，根據(jù)鍋爐容量大小，供給蒸汽（或熱水）的使用要求不同，通常有單沖量自動控制系統(tǒng)、雙沖量自動控制系統(tǒng)和三沖量自動控制系統(tǒng)三種形式。1.1 單沖量水位控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號即水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)

5、汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量來保持汽包水位在容許的范圍內(nèi)。單沖量水位自動控制系統(tǒng)，是汽包水位自動控制中最簡單最基本的一種形式。單沖量水位存在的問題是：當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化很大時，由于“虛假水位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過程一開始，調(diào)節(jié)器根據(jù)水位先上升去關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減少給水量，這個錯誤動作擴大了汽包進(jìn)出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。從給水?dāng)_動下的情況看。由于給水總管壓力改變等原因所造成的給水量變動時，調(diào)節(jié)器要等到水位改變后才能動作，而調(diào)節(jié)器動作后又要經(jīng)過一段延遲時間才能影響到水位，因此將導(dǎo)致汽包水位發(fā)生較大的變化，調(diào)節(jié)時間長。1.2 雙沖量水

6、位控制系統(tǒng)在單沖量汽包水位控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號構(gòu)成雙沖量水位自動控制系統(tǒng)。這種水位控制的特點是：引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對控制的不良影響，當(dāng)負(fù)荷蒸汽變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽流量向相反方向變化的誤動作，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水和水位的波動，能夠改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。雙沖量汽包水位控制，能在負(fù)荷變化頻繁的工況下比較好的完成水位控制任務(wù)。在給水壓力比較平衡時，采用雙沖量控制是能夠達(dá)到控制要求的。雙沖量汽包水位控制存在的問題是：控制作用不能及時反映給

7、水方面的擾動，當(dāng)給水量擾動時，控制系統(tǒng)等于單沖量的控制。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量控制。1.3 三沖量水位控制系統(tǒng)近代工業(yè)鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量就越小，容許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在1030s就會發(fā)生危險水位；如僅是給水量與蒸汽量不相適應(yīng)，在一分鐘到幾分鐘內(nèi)也將發(fā)生缺水或滿水事故。這樣對汽包水位控制要求就更高了。當(dāng)某一臺鍋爐負(fù)荷和給水量改變時，引起給水母管壓力波動而使其他鍋爐的給水量受到擾動。在雙沖量水位調(diào)節(jié)中，對于給水量這種自發(fā)性變化不能及時反映出來，要經(jīng)過一定的延遲時間之后，給水量

8、的擾動才能通過汽包水位的變化而被發(fā)覺，此后在克服擾動時，幾臺鍋爐的水位控制又互相影響，使得控制過程非常復(fù)雜。針對上述情況，為了把水位控制平衡，在雙沖量水位控制的基礎(chǔ)上引入了給水流量信號，這時調(diào)節(jié)器接受三個輸入信號：汽包水位是被調(diào)量，是主沖量信號，蒸汽流量是前饋信號，給水流量是反饋信號，這就是汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)。 圖1 三沖量框圖工業(yè)鍋爐采用三沖量控制系統(tǒng)時，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當(dāng)由于水壓干擾使給水流量改變時，控制器能迅速消除干擾。如

9、給水流量減少，控制器立即根據(jù)給水流量減少的信號，開大給水閥門，使水流量保持不變。另外，給水流量信號也是控制器動作后的反饋信號，能使控制器及早知道調(diào)節(jié)的效果，所以三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制器動作快，還可以避免調(diào)節(jié)過頭，減少波動和失調(diào)，這樣汽包水位就很少受到影響。從三沖量水位控制系統(tǒng)的可以看出，它由兩個閉合回路組成：（1）是由給水量，調(diào)節(jié)閥，控制器組成的內(nèi)回路；（2）由汽包水位對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路，蒸汽流量和分流器均在閉合回路之外，它的引入可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。以鍋爐水位為主控信號，蒸汽流量為前饋信號給水量為控制器的反饋信號來

10、控制給水量。通過單片機的控制，使鍋爐汽包水位維持在正常的范圍內(nèi)，當(dāng)水位超過上限或下限時，能及時報警并采取相應(yīng)措施。以蒸汽流量為前饋信號，給水量為控制的反饋信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送入單片機，經(jīng)單片機分析計算后輸出控制信號，通過控制給水流量來控制鍋爐水位，使鍋爐水位維持在正常的范圍內(nèi)。同時系統(tǒng)對溫度和壓力信號進(jìn)行采集和分析，可對超標(biāo)量的進(jìn)行報警，同時具有鍵盤、顯示電路和看門狗電路。如圖所示 方案框圖2 硬件2.1 最小系統(tǒng)2.1.1單片機 MCS-51由如下幾個功能部件組成：（1）微處理器（2）數(shù)據(jù)存儲器（3）程序存儲器（4）4個8位并行I/O口（5）一個串行口（6）2個16位定時器/計數(shù)器（7）中斷

11、系統(tǒng)（8）特殊功能寄存器。MCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點，特別值得一提的是MCS-51CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微機算機。這個1位計算機有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。1位機在開關(guān)決策，邏輯電路仿真，工業(yè)控制方面非常有效：而8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS-51單片機中8位機和1位機的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相成，它是計算機的技術(shù)上的一個突破，89C51其主要特性為（1）與MCS-51 兼容（2）4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 （3）壽命：1000寫/擦循環(huán)（4）數(shù)據(jù)保留時間：10年（5）全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz（

12、6）三級程序存儲器鎖定（7）128*8位內(nèi)部RAM（8）32可編程I/O線（9）兩個16位定時器/計數(shù)器（10）5個中斷源 （11）可編程串行通道（12）低功耗的閑置和掉電模式（13）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 。2.1.2 復(fù)位電路設(shè)計MCS-51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路連接，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種形式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。當(dāng)電源接通時只要Vcc的上升時間不超過1m

13、s,就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，當(dāng)時鐘頻率選用6MHz時，C取22F時，R取1K歐姆。2.1.3 時鐘電路選擇MCS-51單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式。2.1.4 “看門狗”電路本設(shè)計采用MAX690芯片，具有以下性能：具有看門狗電路，進(jìn)入死循環(huán)的時間間隔超過1.6s時，將產(chǎn)生一個復(fù)位輸出。具有備用電池切換電路，備用電池可供電給RAM芯片，在微處理器上電、掉電及供電電壓時，產(chǎn)生一個復(fù)位輸出信號可用于低電平檢測，看門狗電路如圖所示看門狗電路2.2.1 傳

14、感器的選擇 （1） 溫度傳感器WP-PT100溫度傳感器，其特性與應(yīng)用：抗震性好，耐高壓，多種溫度型號可選擇，安裝方式多元化，可進(jìn)行OEM定做，應(yīng)用與化纖，橡塑，石油，造紙，水電，食品等設(shè)備的過程溫度測量與控制。（2） 壓力傳感器PT112型壓力傳感器，PT112系列高溫熔體壓力傳感器是一種基于惠斯登電橋原理而工作的，其耐高溫特性可以應(yīng)用于特殊的的工業(yè)，使其成為橡塑，化纖等機械設(shè)備中高溫流體壓力測量與控制的理想產(chǎn)品。 （3）水位傳感器CR-601C型水位傳感器，CR-60系列電容式液位變送器，適用于高溫高壓、強腐蝕、易結(jié)晶、易堵塞等惡劣條件下連續(xù)檢測可導(dǎo)電的液體。特別適合測量酸堿溶液和鍋爐的水

15、位。整機無任何可動或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高、性能價格比好。替代傳統(tǒng)的浮球式、投入式、差壓式等液位變送器在各種場合下應(yīng)用有不可比擬的優(yōu)勢。（4）流量傳感器選擇LUGB-21/ZX渦街流量傳感器,可以用于多種數(shù)據(jù)散集系統(tǒng)，與XS型流量顯示儀配套組成流量計，用于測量管道中液體、氣體、蒸汽的瞬時流量和累積流量，并輸出信號控制相應(yīng)設(shè)備。該傳感器廣泛用于電力、機械、輕工、冶金、石油、化工、造紙、科研及城市供水、供熱、供氣以及各種工業(yè)過程控制、能源管理和環(huán)境工程等領(lǐng)域。2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇本設(shè)計采用A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809,ADC0809是一個逐次比較式8路模擬輸入、8位

16、數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809轉(zhuǎn)換是采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選一的模擬開關(guān)，由A，B，C引腳的編碼來確定所選通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需要100us左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到MCS-51的數(shù)據(jù)總線上，通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5V的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如上所說，其0809接線圖如圖所示。 ADC0809接線圖2.3 V/I轉(zhuǎn)換芯片選擇本設(shè)計采用V/I轉(zhuǎn)換芯片AD694,AD694產(chǎn)品是一個單片電流變送器接受高層次的信號輸入標(biāo)準(zhǔn)4 -20毫安電流回路為控制閥門，執(zhí)行器和其他裝置中常用的過程控制。輸入信號緩

17、沖，是由一個輸入放大器，可用于大規(guī)模輸入信號或緩沖輸出從一個電流模式展。輻射校正輸入跨度為0 V至2V和0 V至10 V被選上的簡單針捷，其他跨度可能被編程與外部電阻器。輸出級延伸到2.5Vs和其特殊設(shè)計允許輸出電壓，以擴大共同下文，在雙電源運作。鬧鈴警告的一個開放4-20或不合格的輸出階段。AD694產(chǎn)品的薄膜電阻結(jié)果在高水平的精度，而不需要額外調(diào)整和標(biāo)定。外部通過晶體管可用于與AD694產(chǎn)品，以場外負(fù)載功率損耗，延長溫度范圍內(nèi)運作。 2.4 鍵盤顯示電路2.4.1 鍵盤電路鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)，傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的集

18、合,通常，鍵盤開關(guān)利用了機械觸點的合斷作用。鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平或低電平，如果高電平表示鍵斷開，低電平則表示鍵閉合，通過對行線電平高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。常采用軟件來消除按鍵抖動,常用的鍵盤接口分為獨立式鍵盤接口和行列式鍵盤接口,行列式鍵盤適用于按鍵數(shù)目較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上。很明顯，在按鍵數(shù)目較多的場，行列式鍵盤與獨立式鍵盤相比，要節(jié)省很多的I/O口線。所以本設(shè)計采用行列式鍵盤。 為進(jìn)一步提高單片機掃描鍵盤的工作效率，可采用中斷掃描方式，既只有在鍵盤有鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描程序并執(zhí)行該按鍵功能程序，如果無鍵按下，單片

19、機將不理睬鍵盤。2.4.2 顯示電路LED是發(fā)光二極管英文的縮寫。LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，LED顯示器在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。常用的LED顯示器分為8段，每一段對應(yīng)一個發(fā)光二極管。這種顯示器共有共陰極和共陽極兩種顯示。LED顯示器有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示2種顯示方式。LED靜態(tài)顯示方式：各位的共陰極或共陽極連接在一起并接地；每位的段碼線分別與1個8位的鎖存器輸出相連。之所以稱為靜態(tài)顯示，是因為各個LED的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器鎖存的段碼輸出將維持不變，直接送入另一個字符的段碼為止。LED動態(tài)顯示方式：在多位LED顯示時，為簡化硬件電路，通常將所有位的段碼線相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由1

20、個8位I/O口控制，形成各位的分時選通。 2.5 報警電路 在單片機測控系統(tǒng)發(fā)生故障或處于某種緊急狀態(tài)時，單片機系統(tǒng)能發(fā)出提醒人們警覺的報警信號或者提示信號，常見的報警信號可分為閃光報警，鳴音報警和音樂報警，2.5.1 蜂鳴音報警壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或者7407低電平驅(qū)動。本設(shè)計采用蜂鳴音樂報警裝置 蜂鳴報警電路圖6 PID運算PID參數(shù)的整定有兩種可用的方法，理論設(shè)計法及實驗確定法。用理論設(shè)計法確定PID控制參數(shù)的前提是要有被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過程中是很難做到的。因此，用實驗確定法來選擇PID控制參數(shù)的方法便成為經(jīng)常采用而行之有效

21、的辦法。試湊法試湊法是通過仿真或?qū)嶋H運行，觀察系統(tǒng)對典型輸入作用的響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數(shù)。我們知道，PID控制器各參數(shù)對系統(tǒng)的影響是；增大開環(huán)比例系數(shù)，一般將加快系統(tǒng)的影響速度，在有靜差的情況下則有利于減小靜差；但過大的比例系數(shù)又會加大系統(tǒng)超調(diào)，甚至產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。在試湊時，實行先比例、后積分、再微分的反復(fù)調(diào)整。其步驟如下：1）整定比例部分，先置PID控制器中的T1=、T2=0，使之成為比例控制器，再將比例系數(shù)由小變大，觀察相應(yīng)的響應(yīng)，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到4:1的衰減振蕩和較小的靜差。如果系統(tǒng)靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且已達(dá)到

22、4：1衰減的響應(yīng)曲線，那么只需用比例控制器既可，最優(yōu)比例度就由此確定。2）加入積分環(huán)節(jié)，如果只用比例控制，系統(tǒng)的靜差不能滿足要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時，先將比例系統(tǒng)減小1020%，以補償因加入積分作用而引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，然后由大到小調(diào)節(jié)，在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下消除靜差。這一步可以反復(fù)進(jìn)行，以期得到滿意的效果。3）加入微分環(huán)節(jié)，在整定時，先置T為零，然后，在第2步整定的基礎(chǔ)上再增大T，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)K和積分時間T，逐步試湊以獲得的控制效果和控制參數(shù)。臨界比例度法擴充臨界比例度法是模擬控制器使用的臨界比例度法的擴充，它用來整定數(shù)字PID控制器的參數(shù)。其整定步驟如下：1）被控系統(tǒng)穩(wěn)定后，把控制器的積分時間放到最大，微分時間放到零。2）通過外界干擾或使控制器設(shè)定值作一階躍變化，觀察由此而引起的測量值振蕩。3）從大到小的，逐步把控制器的比例度減小，看測量值振蕩的變化是發(fā)散的還是衰減的?如是衰減的則應(yīng)把比例度繼續(xù)減??；如是發(fā)散的則應(yīng)把比例度放大。4）連續(xù)重復(fù)2、3步，直至測量值按恒定幅度和周期發(fā)生振蕩，即持續(xù)45次等幅振蕩為止。此時的比例度示值就是臨界比例度PB。然后根據(jù)臨界振蕩公式進(jìn)行PID計算。響應(yīng)曲線法擴充響應(yīng)曲線法是將模擬控制器響應(yīng)曲線法