工业锅炉水位微机控制系统设计 (1)

1、 工业锅炉水位微机控制系统 工业锅炉是能源转换和能源消耗的重要设备。由于我国工业锅炉生产操作水平落后，造成大量的热能丢失，经济效益很低。随着科学技术的发展，计算机的逐步普及，工业锅炉开始采用微型机算计控制。实践证明，工业锅炉实现微型计算机控制，是锅炉安全生产，提高热效率，节约能源的一大创举，也为锅炉生产开辟了广阔的前景。锅炉控制的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，虽然锅炉汽包水位对蒸汽流量和给水流量变化的响应呈积极特性，但是在负荷(蒸汽流量)急剧增加时，表现却类似逆响应特性，即所谓的虚假水位。造成这一原因

2、是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。 汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。 其所能达到的技术指标为（1）可以对锅炉水位，蒸汽量和给水量分别采集（2）通过单片机控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内（3）具有键盘显示功能（4）具有报警功能当水位超过上限或下限时，能及时报警。目前国内外随便科学技术技术的发展，都采用三冲量水位自动调节系统，该控

3、制引进蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，因此得到广泛的应用。 目前在国内外主要用微型机算机控制系统来控制锅炉。微型机算机控制系统的特点是，其控制功能要通过内部的控制程序来实现，人们只需要改变这些程序，就可以更改锅炉设备的控制功能，以适应新的控制要求而不需要改动硬件系统。这种灵活性在硬联逻辑系统中是没有的。因此，掌握微型计算机应用系统的设计和研制技术，是开发微型计算机应用的一个重要课题。 采用三冲量水位控制系统，以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水量为控制器的反馈信号来控制给水量。其目的是通过单片机的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过

4、上限或下限时，能及时报警并采取相应的措施。充分体现三冲量控制系统的优越性，系统功能完善，结构先进合理，能耗小，扩展灵活，便于维护，并且可靠性高，而且还极大地提高了企业的生产效率和经济效益。该系统自动化程度较高，大大降低了操作者劳动强度，降低了成本，综合性强，实用性好，保障锅炉正常运行。 工业锅炉汽包水位的自动控制，根据锅炉容量大小，供给蒸汽（或热水）的使用要求不同，通常有单冲量自动控制系统、双冲量自动控制系统和三冲量自动控制系统三种形式。1.1 单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去

5、控制给水调节阀，改变给水量来保持汽包水位在容许的范围内。单冲量水位自动控制系统，是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式。单冲量水位存在的问题是：当锅炉蒸汽负荷变化很大时，由于“虚假水位”现象的影响，在调节过程一开始，调节器根据水位先上升去关小调节阀，减少给水量，这个错误动作扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。从给水扰动下的情况看。由于给水总管压力改变等原因所造成的给水量变动时，调节器要等到水位改变后才能动作，而调节器动作后又要经过一段延迟时间才能影响到水位，因此将导致汽包水位发生较大的变化，调节时间长。1.2 双冲量水位控制系统在单冲量汽包水位控制

6、的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号构成双冲量水位自动控制系统。这种水位控制的特点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对控制的不良影响，当负荷蒸汽变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽流量向相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水和水位的波动，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。双冲量汽包水位控制，能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位控制任务。在给水压力比较平衡时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。双冲量汽包水位控制存在的问题是：控制作用不能及时反映给水方面的扰动，当给水量扰动时，

7、控制系统等于单冲量的控制。因此，如果给水母管压力经常波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制。1.3 三冲量水位控制系统近代工业锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量就越小，容许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在1030s就会发生危险水位；如仅是给水量与蒸汽量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对汽包水位控制要求就更高了。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动而使其他锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发性变化不能及时反映出来，要经过一定的延迟时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而

8、被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位控制又互相影响，使得控制过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制平衡，在双冲量水位控制的基础上引入了给水流量信号，这时调节器接受三个输入信号：汽包水位是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量是前馈信号，给水流量是反馈信号，这就是汽包水位的三冲量控制系统。 图1 三冲量框图工业锅炉采用三冲量控制系统时，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，控制器能迅速消除干扰。如给水流量减少，控制器立即根据给

9、水流量减少的信号，开大给水阀门，使水流量保持不变。另外，给水流量信号也是控制器动作后的反馈信号，能使控制器及早知道调节的效果，所以三冲量给水调节系统，控制器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失调，这样汽包水位就很少受到影响。从三冲量水位控制系统的可以看出，它由两个闭合回路组成：（1）是由给水量，调节阀，控制器组成的内回路；（2）由汽包水位对象和内回路构成的主回路，蒸汽流量和分流器均在闭合回路之外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号给水量为控制器的反馈信号来控制给水量。通过单片机的控制，

10、使锅炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相应措施。以蒸汽流量为前馈信号，给水量为控制的反馈信号，经AD转换后送入单片机，经单片机分析计算后输出控制信号，通过控制给水流量来控制锅炉水位，使锅炉水位维持在正常的范围内。同时系统对温度和压力信号进行采集和分析，可对超标量的进行报警，同时具有键盘、显示电路和看门狗电路。如图所示 设计方案框图2 硬件2.1 最小系统2.1.1单片机 MCS-51由如下几个功能部件组成：（1）微处理器（2）数据存储器（3）程序存储器（4）4个8位并行I/O口（5）一个串行口（6）2个16位定时器/计数器（7）中断系统（8）特殊功能寄存器。

11、MCS-51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点，特别值得一提的是MCS-51CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微机算机。这个1位计算机有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。1位机在开关决策，逻辑电路仿真，工业控制方面非常有效：而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相成，它是计算机的技术上的一个突破，89C51其主要特性为（1）与MCS-51 兼容（2）4K字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000写/擦循环（4）数据保留时间：10年（5）全静态工作：0Hz-24Hz（6）三级程序存储器锁定（7

12、）128*8位内部RAM（8）32可编程I/O线（9）两个16位定时器/计数器（10）5个中断源 （11）可编程串行通道（12）低功耗的闲置和掉电模式（13）片内振荡器和时钟电路 。2.1.2 复位电路设计MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路连接，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种形式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位

13、，当时钟频率选用6MHz时，C取22F时，R取1K欧姆。2.1.3 时钟电路选择MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，本设计采用内部时钟方式。2.1.4 “看门狗”电路本设计采用MAX690芯片，具有以下性能：具有看门狗电路，进入死循环的时间间隔超过1.6s时，将产生一个复位输出。具有备用电池切换电路，备用电池可供电给RAM芯片，在微处理器上电、掉电及供电电压时，产生一个复位输出信号可用于低电平检测，看门狗电路如图所示看门狗电路2.2.1 传感器的选择 （1） 温度传

14、感器WP-PT100温度传感器，其特性与应用：抗震性好，耐高压，多种温度型号可选择，安装方式多元化，可进行OEM定做，应用与化纤，橡塑，石油，造纸，水电，食品等设备的过程温度测量与控制。（2） 压力传感器PT112型压力传感器，PT112系列高温熔体压力传感器是一种基于惠斯登电桥原理而工作的，其耐高温特性可以应用于特殊的的工业，使其成为橡塑，化纤等机械设备中高温流体压力测量与控制的理想产品。 （3）水位传感器CR-601C型水位传感器，CR-60系列电容式液位变送器，适用于高温高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞等恶劣条件下连续检测可导电的液体。特别适合测量酸碱溶液和锅炉的水位。整机无任何可动或弹性部

15、件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高、性能价格比好。替代传统的浮球式、投入式、差压式等液位变送器在各种场合下应用有不可比拟的优势。（4）流量传感器选择LUGB-21/ZX涡街流量传感器,可以用于多种数据散集系统，与XS型流量显示仪配套组成流量计，用于测量管道中液体、气体、蒸汽的瞬时流量和累积流量，并输出信号控制相应设备。该传感器广泛用于电力、机械、轻工、冶金、石油、化工、造纸、科研及城市供水、供热、供气以及各种工业过程控制、能源管理和环境工程等领域。2.2.2 A/D转换芯片的选择本设计采用A/D转换器ADC0809,ADC0809是一个逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。

16、ADC0809转换是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V供电，片内带有锁存功能的8路选一的模拟开关，由A，B，C引脚的编码来确定所选通道。0809完成一次转换需要100us左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS-51的数据总线上，通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。如上所说，其0809接线图如图所示。 ADC0809接线图2.3 V/I转换芯片选择本设计采用V/I转换芯片AD694,AD694产品是一个单片电流变送器接受高层次的信号输入标准4 -20毫安电流回路为控制阀门，执行器和其他装置中常用的过程控制。输入信号缓冲，是由一个输入放大器，可

17、用于大规模输入信号或缓冲输出从一个电流模式展。辐射校正输入跨度为0 V至2V和0 V至10 V被选上的简单针捷，其他跨度可能被编程与外部电阻器。输出级延伸到2.5Vs和其特殊设计允许输出电压，以扩大共同下文，在双电源运作。闹铃警告的一个开放4-20或不合格的输出阶段。AD694产品的薄膜电阻结果在高水平的精度，而不需要额外调整和标定。外部通过晶体管可用于与AD694产品，以场外负载功率损耗，延长温度范围内运作。 2.4 键盘显示电路2.4.1 键盘电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实际上是一组按键开关的集合,通常，键盘开关利用了机

18、械触点的合断作用。键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平，如果高电平表示键断开，低电平则表示键闭合，通过对行线电平高低状态的检测，便可确认按键按下与否。常采用软件来消除按键抖动,常用的键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口,行列式键盘适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。很明显，在按键数目较多的场，行列式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。所以本设计采用行列式键盘。 为进一步提高单片机扫描键盘的工作效率，可采用中断扫描方式，既只有在键盘有键按下时，才执行键盘扫描程序并执行该按键功能程序，如果无键按下，单片机将不理睬键盘。2.4.2

19、 显示电路LED是发光二极管英文的缩写。LED显示器是由发光二极管构成的，LED显示器在单片机系统中应用非常普遍。常用的LED显示器分为8段，每一段对应一个发光二极管。这种显示器共有共阴极和共阳极两种显示。LED显示器有动态显示和静态显示2种显示方式。LED静态显示方式：各位的共阴极或共阳极连接在一起并接地；每位的段码线分别与1个8位的锁存器输出相连。之所以称为静态显示，是因为各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器锁存的段码输出将维持不变，直接送入另一个字符的段码为止。LED动态显示方式：在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有位的段码线相应段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成各

20、位的分时选通。 2.5 报警电路 在单片机测控系统发生故障或处于某种紧急状态时，单片机系统能发出提醒人们警觉的报警信号或者提示信号，常见的报警信号可分为闪光报警，鸣音报警和音乐报警，2.5.1 蜂鸣音报警压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或者7407低电平驱动。本设计采用蜂鸣音乐报警装置 蜂鸣报警电6 PID运算PID参数的整定有两种可用的方法，理论设计法及实验确定法。用理论设计法确定PID控制参数的前提是要有被控对象准确的数学模型，这在工业过程中是很难做到的。因此，用实验确定法来选择PID控制参数的方法便成为经常采用而行之有效的办法。试凑法试凑法是通过仿真

21、或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。我们知道，PID控制器各参数对系统的影响是；增大开环比例系数，一般将加快系统的影响速度，在有静差的情况下则有利于减小静差；但过大的比例系数又会加大系统超调，甚至产生振荡，使系统不稳定。在试凑时，实行先比例、后积分、再微分的反复调整。其步骤如下：1）整定比例部分，先置PID控制器中的T1=、T2=0，使之成为比例控制器，再将比例系数由小变大，观察相应的响应，使系统的过渡过程达到4:1的衰减振荡和较小的静差。如果系统静差已小到允许范围内，并且已达到4：1衰减的响应曲线，那么只需

22、用比例控制器既可，最优比例度就由此确定。2）加入积分环节，如果只用比例控制，系统的静差不能满足要求，则需加入积分环节。整定时，先将比例系统减小1020%，以补偿因加入积分作用而引起的系统稳定性下降，然后由大到小调节，在保持系统良好动态性能的情况下消除静差。这一步可以反复进行，以期得到满意的效果。3）加入微分环节，在整定时，先置T为零，然后，在第2步整定的基础上再增大T，同时相应地改变比例系数K和积分时间T，逐步试凑以获得的控制效果和控制参数。临界比例度法扩充临界比例度法是模拟控制器使用的临界比例度法的扩充，它用来整定数字PID控制器的参数。其整定步骤如下：1）被控系统稳定后，把控制器的积分时间放到最大，微分时间放到零。2）通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察由此而引起的测量值振荡。3）从大到小的，逐步把控制器的比例度减小，看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的?如是衰减的则应把比例度继续减小；如是发散的则应把比例度放大。4）连续重复2、3步，直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡，即持续45次等幅振荡为止。此时的比例度示值就是临界比例度PB。然后根据临界振荡公式进行PID计算。响应曲线法扩充响应曲线法是将模拟控制器响应曲线法推广