基于單片機的余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計【畢業(yè)設計】

1、摘摘 要要 汽包水位是影響余熱鍋爐安全運行的一個重要參數(shù)。汽包水位過高或過低 的后果都是非常嚴重的。因此對汽包水位必須進行嚴格控制。單片機技術的快 速發(fā)展使得單片機廣泛應用于過程控制領域并極大地提高了控制性能。 本設計從分析影響汽包水位的各種因數(shù)出發(fā)，提出了采用汽包水位三沖量 控制系統(tǒng)方案。按照工程整定的方法，進行了 pid 參數(shù)整定，并以 matlab 為仿真平臺進行仿真，仿真結(jié)果表明此控制系統(tǒng)具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精 度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定。根據(jù)控制要求和所設計的控制方案進行了系統(tǒng) 的硬件設計，利用了單片機的編程實現(xiàn)控制算法并進行系統(tǒng)的軟件設計，最終 完成單片機在余熱鍋爐汽包水位控制

2、系統(tǒng)中的應用。 關鍵詞：汽包水位 三沖量控制 單片機 pid 控制 abstract drum water level is an important parameter influencing the safe operation of the surplus energy boiler. the consequences are very serious when the water level is too high or too low. so the drum water level must be strictly controlled. the rapid development

3、 of scm technology makes it widely used in control field and it improves the performance of control greatly. according to the influence of various factors on the drum water level, this design adopts the three impulse control system scheme of drum level. according to the method of engineering tuning,

4、 the design adopts the tuning of pid parameters and uses matlab as the simulation platform. the simulation results show that this control system has high quality regulation and it can maintain the stability of the drum level. according to the control requirements and the design scheme of the control

5、 system, the hardware design was carried out. the software design of the system uses scm programming control. finally, we can finish that the drum water level of the surplus energy boiler is controlled based on scm. keywords: water level of the steam drum three impulse control scm pid control 目目 錄錄

6、摘摘 要要.i abstract.ii 第第 1 章章 緒論緒論 .1 1.1 本設計研究的目的和意義.1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展情況.3 第第 2 章章 余熱鍋爐汽包水位的設計余熱鍋爐汽包水位的設計 .5 2.1 汽包水位控制系統(tǒng)的動態(tài)特性分析.5 2.1.1 保持汽包正常水位的意義 .5 2.1.2 被控參數(shù)與控制變量選擇 .6 2.1.3 在給水流量擾動下的動態(tài)特性 .8 2.1.4 在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性 .9 2.2 控制系統(tǒng)的方案.11 2.2.1 單沖量控制系統(tǒng) .12 2.2.2 雙沖量控制系統(tǒng) .13 2.2.3 三沖量控制系統(tǒng) .15 2.2.4 方案選擇 .16 2.3

7、建立數(shù)學模型.16 2.3.1 汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 .17 2.3.2 測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) .18 2.3.3 執(zhí)行機構(gòu)的傳遞函數(shù) .19 2.4 儀表的選擇與各變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定.19 2.4.1 流量變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算 .19 2.4.2 給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算 .20 2.4.3 液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算 .20 第第 3 章章 硬件電路設計硬件電路設計 .21 3.1 a/d 轉(zhuǎn)換電路.22 3.2 i/v 變換電路 .23 3.3 d/a 轉(zhuǎn)換電路.24 3.3.1 dac0832 的簡介.25 3.3.2 at89c51 與 dac0832 的接口電路設計.26

8、3.4 v/i 變換電路 .27 3.5 at89c51 對 lcd 的接口電路.28 3.6 聲光報警電路.29 3.7 at89c51 的最小系統(tǒng).30 3.7.1 復位電路 .31 3.7.2 時鐘電路 .32 3.7.3 電源電路 .33 3.8 上位機與 at89c51 的通信.34 第第 4 章章 軟件設計軟件設計 .36 4.1 程序流程設計.36 4.1.1 系統(tǒng)主程序流程圖 .36 4.1.2 系統(tǒng)的初始化子程序 .37 4.1.3 a/d 轉(zhuǎn)換檢測子程序.38 4.1.4 增量型 pid 控制算法子程序.42 4.1.5 d/a 轉(zhuǎn)換監(jiān)控子程序.46 4.1.6 報警子程序

9、流程圖 .46 第第 5 章章 pid 參數(shù)整定及仿真參數(shù)整定及仿真.48 5.1 pid 控制器參數(shù)整定.48 5.2 系統(tǒng)仿真分析.51 總總 結(jié)結(jié) .54 致致 謝謝 .55 參考文參考文獻獻 .56 附錄附錄 1: vi 電路仿真圖電路仿真圖.58 附錄附錄 2: 硬件電路大圖硬件電路大圖.59 contents abstract(chinese).i abstract.ii chapter 1 introduction .1 1.1 this design research purpose and meaning .1 1.2 the development situation at

10、 home and abroad. .3 chapter 2 design of the boiler steam water level .5 2.1 dynamic analysis of steam water level control system.5 2.1.1 maintain normal steam water level of significance.5 2.1.2 the choice of parameters and control variables.6 2.1.3 the dynamic characteristics of under water distur

11、bance.8 2.1.4 the dynamic characteristics of under steam disturbance.9 2.2 scheme of the control system .11 2.2.1 single pulse control system .12 2.2.2 double pulse control system .13 2.2.3 three impulse control system .15 2.2.4 scheme selection .16 2.3 mathematical model is set up .16 2.3.1 mathema

12、tical model of steam water level system .17 2.3.2 measuring the transfer function of the part .18 2.3.3 the transfer function of the actuator .19 2.4 instrument selection and determination of coefficient.19 2.4.1 the calculation of transmitter conversion coefficient .19 2.4.2 the calculation of wate

13、r regulating conversion coefficient.20 2.4.3 the calculation of transmitter conversion coefficient .20 chapter 3 hardware circuit design .21 3.1 a/d conversion circuit .22 3.2 i/v transform circuit .23 3.3 d/a conversion circuit .24 3.3.1 the summary of dac0832 .25 3.3.2 at89c51 and dac0832 interfac

14、e circuit design .26 3.4 v/i conversion circuit .27 3.5 at89c51 interface circuit of lcd .28 3.6 sound and light alarm circuit .29 3.7 the minimum system of at89c51 .30 3.7.1 reset circuit .31 3.7.2 clock circuit .32 3.7.3 power supply circuit .33 3.8 upper machine communication with at89c51 .34 cha

15、pter 4 software design .36 4.1 program design .36 4.4.1 the system main program flow chart .36 4.1.2 the initial system, anti-fuzzy process .37 4.1.3 a/d conversion detection subroutine .38 4.1.4 increment type pid control calculate way .42 4.1.5 d/a conversion control subroutine .46 4.1.6 alarm sub

16、routine flow chart .46 chapter 5 the pid parameter setting and the simulation .48 5.1 the pid controller parameter setting .48 5.2 system simulation analysis.51 introduction .54 acknowledgements .55 references .56 appendix 1 .58 appendix 2 .59 第 1 章 緒論 隨著計算機科學和自動化水平的不斷提高，在各種應用領用中都大量采用 計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系

17、統(tǒng)的應用使得科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工藝實 踐的效率大大提高，同時也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量。特別是單片機控 制系統(tǒng)，作為嵌入式系統(tǒng)的一個主流發(fā)展方向，在功能、可靠性、實時性和控 制算法等方面得到了快速發(fā)展。 1.1 本設計研究的目的和意義 節(jié)約資源，保護環(huán)境是我國的基本國策。做好節(jié)能減排工作，是貫徹落實 科學發(fā)展觀、構(gòu)建社會主義和諧社會的重案措施，是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友 好型社會的必然選擇。當前，全社會都在開展節(jié)能降耗，緩解能源壓力，建設 節(jié)能型社會，而工業(yè)余熱資源的回收利用是節(jié)約能源的重要措施，且煙氣余熱 在工業(yè)余熱中占有很大比重，且節(jié)能潛力巨大，如不加以利用，將造成極大地 浪費。隨著

18、能源供應的緊張，為了更好更充分地利用資源和減少能源浪費，一 些企業(yè)不斷提高“節(jié)能增效、降耗增產(chǎn)”的意識。因此，余熱鍋爐作為“降耗、 增效”的首選設備不斷在能源消耗大的鋼鐵、化工、建材等行業(yè)得到用戶的青 睞。同時各個鍋爐廠家對余熱鍋爐的開發(fā)力度和深度也逐漸加大，不斷開發(fā)出 高性能的產(chǎn)品來占領和擴大市場份額。 余熱鍋爐-hrsg，顧名思義是利用余熱產(chǎn)生蒸汽的鍋爐。 “余熱”是在工 業(yè)生產(chǎn)中未被充分利用就排放掉的熱量，它屬于二次能源，是一次能源和可燃 物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物。它與傳統(tǒng)意義上的鍋爐相比僅有“鍋”而沒有“爐” ，即 沒有燃燒器，如果需要高壓高溫的蒸汽，可以在余熱鍋爐內(nèi)裝一個附加燃燒器， 通過燃

19、料的燃燒使整個煙氣溫度升高，能夠產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽。由于“余熱” 種類的多樣性使得余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)形式各式各樣，不盡相同。余熱鍋爐按“余 熱”種類可分為高溫煙氣余熱鍋爐、高溫爐渣余熱鍋爐、高溫廢氣廢熱余熱鍋 爐、高溫產(chǎn)品余熱、化學反應余熱鍋爐、冷卻介質(zhì)余熱鍋爐、冷凝水余熱鍋爐。 其中高溫煙氣余熱鍋爐是最常見的一種余熱鍋爐。余熱鍋爐是一個較為復雜的 控制對象，生產(chǎn)過程中的各個主要參數(shù)都必須嚴格控制。其中，汽包水位就是 影響鍋爐安全運行的一個很重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負荷和給水 之間的平衡關系。 余熱鍋爐汽包水位高度是確保生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)。維持汽包 水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全

20、運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要 指標之一。首先，水位過高會影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸氣將會帶水過 多，導致過熱器管壁結(jié)垢并損壞，使過熱蒸汽的溫度嚴重下降。如以此過熱蒸 汽被用戶用來帶動汽輪機，則將因蒸汽帶液損壞汽輪機的葉片，造成運行的安 全事故。然而，水位過低，則因汽包內(nèi)的水量少，而負荷很大，加快水的汽化 速度，使汽包內(nèi)的水量變化速度很快，若不及時加以控制，將有可能使汽包內(nèi) 的水全部汽化，尤其對于大型鍋爐，水在汽包內(nèi)的停留時間極短，從而導致水 冷壁燒壞，引起爆炸。所以，必須對汽包水位進行嚴格的控制。 鍋爐汽包水位自動控制的任務，就是控制給水流量，使其與蒸發(fā)量保持平 衡，維持汽包內(nèi)水

21、位在允許的范圍內(nèi)變化。隨著電子產(chǎn)品的降價及自動化生產(chǎn) 線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢的凸現(xiàn)，越來越多的企業(yè)準備將自己的核心生產(chǎn)線改 成全自動化生產(chǎn)線或者對個別關鍵工藝參數(shù)采用自動控制。工業(yè)應用自控技術 在中國的推廣使用較晚，但近年來發(fā)展較快。國內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動控制系 統(tǒng)方面的設計公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動化技術和電氣技術三者 于一體的設計不多，所以人們清楚地認識到自動控制技術在工業(yè)應用中的重要 地位和作用。 因此，隨著汽包鍋爐朝著大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動控制 是必不可少的，它可以保證水位控制的準確性，保證鍋爐運行的安全可靠，而 且大大減輕工作人員的工作強度，減少人為因素的影

22、響。從經(jīng)濟性和實用性兩 個方面考慮，本設計將通過單片機對鍋爐汽包水位進行控制。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展情況 隨著科學技術的發(fā)展，微型計算機控制鍋爐水位得到很多企業(yè)的認可。其 特點是：控制功能通過內(nèi)部的控制程序來實現(xiàn)，人們只需改變這些程序，就可 以改變鍋爐設備的控制功能，以適應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，掌握微型計算機應用系統(tǒng)的設計 和研制技術，是開發(fā)微型計算機應用到的一個很重要的課題。 目前，國內(nèi)外汽包水位控制主要采用三沖量控制、模糊控制及 pid 自校 準自調(diào)整的比較多，特別是前兩種，其中三沖量水位自動控制系統(tǒng)引進蒸汽流 量和給水流量作為控制信號

23、，系統(tǒng)動作及時，有較強的抗干擾能力，因此得到 廣泛應用；模糊控制主要是朝智能化方向發(fā)展，表現(xiàn)在模糊控制和智能控制的 結(jié)合，采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制等，主要解決的問題是：規(guī)整的完整性、規(guī) 則的優(yōu)化和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；pid 自調(diào)整、自校正主要采用不同的優(yōu)化方法 對參數(shù)進行自調(diào)整；預測函數(shù)控制、廣義預報自適應控制、模型參考自適應控 制等基于模型的控制方法發(fā)展的比較少，具體在實際應用中應用的則更少。前 敘的各種汽包水位控制策略各有優(yōu)缺點，引入汽包水位噪聲的因素，并基于這 些控制策略開發(fā)新的控制策略將是項很有意義的工作，也是可行的1。 本設計采用的是煙道式余熱鍋爐，其型號為,表70/95/7 . 02

24、 . 450040q 示利用潔凈煙氣所攜帶的顯熱，進入鍋爐的煙氣流量為 40000，煙氣溫hm3 度為 500，鍋爐額定熱功率為 4.2mw、熱水設計工作壓力為 0.7mpa、額定 出口水溫度為 95，進口水溫度為 70的熱水余熱額鍋爐。 第 2 章 余熱鍋爐汽包水位的設計 余熱鍋爐是一個復雜的控制對象，它是一個多輸入多輸出且相互關聯(lián)的控 制對象。其中以鍋爐給水量作為輸入，汽包水位作為輸出的給水自動控制系統(tǒng) 就是一個典型的控制過程。本章主要介紹余熱鍋爐汽包水位的總體設計。 2.1 汽包水位控制系統(tǒng)的動態(tài)特性分析 2.1.1 保持汽包正常水位的意義保持汽包正常水位的意義 鍋爐運行中，汽包水位過高

25、過低都會給鍋爐和汽輪機的安全運行帶來嚴重 的威脅。 汽包水位過高，汽包空間縮小，會引起蒸汽中的水分增加，蒸汽品質(zhì)惡化； 容易造成過熱器管內(nèi)積鹽垢，管子過熱損壞；汽包嚴重滿水時，會造成蒸汽大 量帶水，引起蒸汽管道和汽輪機產(chǎn)生嚴重的水沖擊，甚至打壞汽輪機葉片。 汽包水位過低，將可能破壞水循環(huán)，水冷壁管超溫過熱；嚴重缺水時，還 可能造成更嚴重的設備損壞事故。 所以，鍋爐運行中，對水位監(jiān)視不嚴，操作不當，都會造成巨大的損失。 尤其是現(xiàn)代大型鍋爐，與蒸發(fā)量相比汽包中的存水量是不多的，允許變動的水 量更少。如果給水中斷而繼續(xù)運行，則在 1030s 內(nèi)，汽包水位計中的水位就 會消失或降到危險水位。即使是給水

26、量與蒸發(fā)量不相適應，也會在幾分鐘內(nèi)發(fā) 生鍋爐缺水或滿水事故2。 一般汽包正常波動范圍為土 50mm。 2.1.2 被控參數(shù)與控制變量選擇被控參數(shù)與控制變量選擇 余熱鍋爐給水自動調(diào)節(jié)的任務是，給水量跟隨蒸發(fā)量的變化而變化并維持 汽包水位在工藝范圍內(nèi)。 余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為被控量，以給水調(diào)節(jié)閥作為h 調(diào)節(jié)機構(gòu)來改變給水量，以達到保持汽包水位在允許范圍內(nèi)的目的。其結(jié)構(gòu)框 圖如圖 2-1 所示： 1 2 34 56 7 8 余熱 圖 2-1 余熱鍋爐的汽水系統(tǒng) 1給水母；2給水控制閥；3省煤器；4汽包；5下降管；6上升 管；7過熱器；8蒸汽母管 根據(jù)鍋爐汽包水位的動態(tài)特性來設計汽包水

27、位的自動調(diào)節(jié)。給水流量和蒸 汽流量的階躍變化是引起水位變化的主要因素。調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與設定 值的偏差去控制給水閥的開度，就能對水位起到調(diào)節(jié)作用。 鍋爐汽包水位不僅受到給水量和蒸汽流量之間的平衡關系的影響，還受到 水循環(huán)管路內(nèi)汽水混合物中汽水體積的變化的影響。汽包水位不僅反映了水h 面下氣泡的體積，還反映了汽包（包括水循環(huán)的管路）中的蓄水體積。水面下 氣泡的體積還與鍋爐負荷即蒸汽壓力有關。綜合看來，影響汽包水位變化的因 素主要有以下四個方面： 余熱鍋爐蒸汽負荷的變化； 余熱鍋爐蒸汽壓力的變化； 包括給水調(diào)節(jié)閥開度的變化和給水母管壓力的變化在內(nèi)的給水擾動； 包括影響余熱發(fā)熱量變化的其他在內(nèi)的

28、余熱的變化； 蒸汽發(fā)生過程中汽包內(nèi)部的體積可看成水的體積、蒸發(fā)面以下的蒸汽 v v 體積和蒸發(fā)面以上的蒸汽體積三部分組成，其中蒸發(fā)面以下的汽水體積 s v d v 由和構(gòu)成。燃料量對水位的影響有較大的容量滯后性和傳輸滯后性，變 s v v v 化相當緩慢，可忽略不計；蒸汽負荷變化往往引起汽包壓力的變化，所以壓力 變化可歸類到蒸汽負荷中去，因此壓力變化對汽包水位的影響可忽略不計。 經(jīng)理論推導和化間，汽包水位動態(tài)特性方程式可表示為如下： （2-1） dd d dww w w uk dt du tuk dt du t dt dh t dt hd tt 1 2 2 21 式（2-1）中： 汽包水位；h

29、 、時間常數(shù)，單位 s(秒)； 1 t 2 t 鍋爐蒸汽流量，單位；dht 鍋爐給水流量，單位；wht 給水流量項的時間常數(shù)，單位 s(秒)； w t 蒸汽流量項的時間常數(shù)，單位 s(秒)； d t 給水流量項的放大倍數(shù)； w k 蒸汽流量項的放大倍數(shù)； d k ；。 max d d ud max w w uw 通過鍋爐汽包水位的動態(tài)微分方程，我們可以得到：影響汽包水位的主要 因素是蒸汽流量和給水流量的擾動。 2.1.3 在給水流量擾動下的動態(tài)特性在給水流量擾動下的動態(tài)特性 當給水量發(fā)生變化，蒸汽流量不變時，根據(jù)式（2-1） ，汽包水位調(diào)節(jié)對象 的運動方程可表示為： （2-2） ww w w

30、uk dt du t dt dh t dt hd tt 1 2 2 21 對式（2-2）進行拉氏變換，可得： （2-3） sukssutsshtshstt wwww 1 2 21 汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水擾動下的傳遞函數(shù)可由式（2-3）變化得到： （2-4） 1 21 stst kst su sh sg ww w w 在實際工程中，對于蒸汽壓力小于 2.0mp 的中壓以下的鍋爐，給水量項 的時間常數(shù)一般較小，可忽略不計，因此式（2-4）可簡化為： （2-5） n stssw sh 1 2 式中為飛升速度，即給水流量變化單位流量時水位的變化速度，。 1 t kw ht smm 從式（2-5）可看出

31、，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性，是由慣性 環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)組成。 圖 2-2 是給水流量作用下水位變化的階躍響應曲線。如果把汽包和給水看 作單容量無自衡對象，水位階躍響應曲線將如圖 2-2 中的 h1 線。 由于給水溫度變化要比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，需 從原有飽和水中吸收部分熱量，使水位下汽包容積減少。當水位下汽包容積的 變化過稱逐漸平衡時，水位則因汽包中儲水量的增加而上升。最后當水位下汽 包容積不再變化時，水位變化就完全反應了因儲水量的增加而直線上升。所以 圖中 h 線是水位的實際變化曲線。在給水量作階躍變化后，汽包水位不馬上 增加，而呈現(xiàn)一段起始慣性線。 2.1

32、.4 在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性 如果給水流量保持不變，蒸汽流量發(fā)生階躍變化時，根據(jù)式（2-1） ，此時 汽包水位的動態(tài)特性微分方程可表示為： （2-6） dd d d uk dt du t dt dh t dt hd tt 1 2 2 21 對式（2-6）進行拉氏變換，可得： （2-7） sukssutsshtshstt dddd 1 2 21 蒸汽擾動下汽包水位調(diào)節(jié)對象的傳遞函數(shù)可由式（2-7）變化得到： （2-8） 1 21 stst kst su sh sg dd d d 式（2-8）可等效為兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的和: （2-9） n f d d st k s k s

33、u sh sg 1 2 2 式（2-9）中： 122 tttkk dd 1 tkk df 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，即干擾通道的動態(tài)特性。在蒸汽 流量干擾作用下，水位變化的階躍響應曲線如圖 2-2 與圖 2-3 所示： w h h h1 t t 圖 2-2 給水流量擾動下的水位階躍響應曲線 d h h2 h1 h t t 圖 2-3 蒸汽流量擾動下的水位階躍響應曲線圖 當蒸汽流量 d 突然增加，在燃料不變的情況下，從鍋爐的物料平衡關系 來看，蒸汽流量 d 大于給水流量 w，水位變化應如圖中的曲線 h1。但實際情 況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間必導致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水 沸

34、騰突然加劇，產(chǎn)生內(nèi)蒸，水中氣泡迅速增加，因汽包容積增加，而使水位變 化的曲線如圖中的 h2。而實際顯示的水位響應曲線 h 為 h1 和 h2 的疊加， 即 h=h1+h2 。從圖 2-3 中可看出，當蒸汽變量加大時，雖然鍋爐的給水量小 于蒸發(fā)量，但在一開始，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后再下降；反之， 蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升。這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位” 。 （2-10） 1 2 221 st k s k sd sh sd sh sd sh f 式（2-10）中： k飛升速度，即在蒸汽流量變化單位流量時水位的變化速度，； f ht smm k 響應曲線 h 的放大系數(shù)；

35、22 t 響應曲線 h 的時間常數(shù)。 22 虛假水位的變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關。對于一般 100300t/h 的中高壓鍋爐，當負荷變化 10%時，虛假水位可達 3040mm。虛 假水位現(xiàn)象屬于反相特性，給控制帶來一定的困難，在控制方案設計時，必須 引起注意3。 2.2 控制系統(tǒng)的方案 汽包水位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長久以來一直是控制領域 的一個典型的難問題。隨著控制理論、控制技術和現(xiàn)代控制方法的發(fā)展，鍋爐 自動化控制的水平也在逐漸提高。期間主要經(jīng)歷了上世紀三四十年代單參數(shù)儀 表控制，四五十年代單元組合儀表綜合綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起 的計算機控制等幾個階段。通

36、常有如下幾種方案： 1.單沖量控制系統(tǒng)：即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)。 2.雙沖量控制系統(tǒng)：即在單沖量系統(tǒng)的基礎上引入了蒸汽流量信號。 3.三沖量控制系統(tǒng)：是在雙沖量系統(tǒng)的基礎上再引入給水流量信號而構(gòu)成。 2.2.1 單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng) 單沖量控制系統(tǒng)即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)，圖 2-4 所示是典型的 單回路控制系統(tǒng)。這里的沖量一詞指的是變量，單沖量即汽包水位。圖 2-5 是 單沖量水位控制系統(tǒng)框圖。 蒸蒸汽汽流流量量d 給給水水w 省省煤煤器器 lc lt 汽汽包包 圖 2-4 單沖量水位控制系統(tǒng)工藝流程圖 調(diào)節(jié)器 變送器 汽包水位 水位設定值 調(diào)節(jié)閥汽包水位 - + 圖

37、2-5 單沖量水位控制系統(tǒng)框圖 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對于汽包內(nèi)水的停留時間長、負荷變化小的小型 鍋爐，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證鍋爐的安全運行。 但是，單沖量控制系統(tǒng)存在三個問題。 1.當負荷變化產(chǎn)生虛假水位時，將使控制器反向錯誤動作。例如，蒸汽負 荷突然大幅度增加時，虛假水位上升，此時控制器不但不能開大給水閥，增加 給水量，反而關小控制閥，減少給水量。等到虛假水位消失時，由于蒸汽量增 加，送水量反而減少，將使水位嚴重下降，波動厲害，嚴重時甚至會使汽包水 位降到危險程度而發(fā)生事故。因此這種系統(tǒng)克服不了虛假水位帶來的嚴重后果。 2.對負荷不靈敏。負荷變化時，需引起汽包水位變化后才起控制作用。由

38、 于控制緩慢，導致控制質(zhì)量下降。 3.對給水干擾不能及時克服。當給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，同樣需等水位發(fā)生 變化時才起控制作用，干擾克服不及時4。 為了克服上面三個問題，除了依據(jù)汽包水位之外，也可依據(jù)蒸汽流量和給 水流量的變化來控制給水閥，將能獲得良好的控制效果，這就產(chǎn)生了雙沖量和 三沖量水位控制系統(tǒng)。 2.2.2 雙沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng) 針對單沖量控制系統(tǒng)不能刻服的虛假水位的影響，如果引入蒸汽流量來起 校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且也能使控制閥及時動作， 從而減小水位的波動，大大改善了控制品質(zhì)?？紤]到蒸汽負荷的擾動可測而不 可控，因此可將蒸汽流量信號引入系統(tǒng)作為前饋信號，與汽

39、包水位組成前饋- 反饋控制系統(tǒng)，通常稱為雙沖量控制系統(tǒng)。其中一個沖量是汽包水位，另一個 沖量是蒸汽流量。圖 2-6、圖 2-7 是典型的雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖。 圖 2-6 雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖 調(diào)節(jié)閥 液位變送器 汽包水位 蒸汽流量變送器 調(diào)節(jié)器 + - + - 水位設定值 汽包水位 蒸汽流量d ic if 圖 2-7 雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖 雙沖量控制由于有以上特點，所以能在負荷頻繁變化的工程下較好的完成 水位控制任務。在給水流量比較平穩(wěn)時，采用雙沖量控制是能夠達到控制要求 的。 雙沖量水位控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時的反映給水方面的 擾動，當給水量發(fā)生擾動時，要等

40、到汽包水位變化時才通過調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器 進行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動較大。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動， 給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量控制5。 2.2.3 三沖量控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng) 雙沖量水位控制相對于單沖量控制，控制品質(zhì)有很大改善。但雙沖量水位 控制系統(tǒng)仍存在兩個問題，一是調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定為線性特性，要做到 完全靜態(tài)補償比較困難；其次是給水壓力擾動對汽包水位的影響不能及時消除。 為此，可在雙沖量水位控制系統(tǒng)的基礎上，把給水流量信號引入，構(gòu)成三沖量 控制系統(tǒng)。 所謂三沖量，指的是引入三個測量信號：汽包水位、給水流量、蒸汽流量。 它是以汽包水位 h 為主控信號

41、，其中蒸汽流量 d 為前饋控制信號，給水流量 w 為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)對上述兩種方案取長補短，極 大的提高了水位控制質(zhì)量。例如，當耗氣量 d 突然階躍增大時，一方面由于 假水位現(xiàn)象水位會暫時升高，它使調(diào)節(jié)器錯誤地指揮調(diào)節(jié)機構(gòu)減少給水量；另 一方面，d 的增大又通過比值控制作用指揮調(diào)節(jié)機構(gòu)增加給水量。實際給水量 是增加還是減小，取決于系統(tǒng)參數(shù)的整定。當假水位現(xiàn)象消失后，水位和蒸汽 信號都能正確地指揮調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。只要參數(shù)整定合適，當系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài) 以后，給水流量必然等于蒸汽流量，水位 h 也會維持在設定值。從另一個角 度來看，這也是一個前饋反饋復合控制系統(tǒng)。 必須指出，引入蒸

42、汽流量信號只是削弱了假水位期間調(diào)節(jié)機構(gòu)的誤動作， 并不能消除假水位現(xiàn)象，并且由于水位 h 對負荷（蒸汽量）擾動 d 的響應速 度要比對基本擾動 w 的響應速度快的多，因此，在外部擾動下被調(diào)量的變化 幅度還是比較大，必須對負荷變化的幅度加以限制。系統(tǒng)框圖為圖 2-8 所示。 變送器 調(diào)節(jié)機構(gòu) 變送器 變送器 汽包 調(diào)節(jié)器 h d +- + + - r h w 圖 2-8 單級三沖量控制系統(tǒng)框圖 三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：相對單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品 質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性和準確性的要求，能有效地避免 “虛假水位”現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)相比其不足是：系統(tǒng)成本高、

43、系統(tǒng)復雜、不容易整定6。 2.2.4 方案選擇方案選擇 通過以上方案的比較，我選擇了汽包水位三沖量控制系統(tǒng)。其具有如下優(yōu) 點： 1.相對單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對 快速性、穩(wěn)定性、準確性的要求。 2.能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。 2.3 建立數(shù)學模型 現(xiàn)在把圖 2-8 所示的控制系統(tǒng)以傳遞函數(shù)方框圖的形式重畫成圖 2-9。 w k h k sgp k s gc d k h w d r h+ - + - 圖 2-9 單級三沖量控制系統(tǒng)方框圖 其中： 水位設定值； r h h水位值； w給水流量； d蒸汽流量； 調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)； sgc 被控對象傳遞函數(shù)； sgp

44、 執(zhí)行機構(gòu)傳遞函數(shù)； k 、給水流量、蒸汽流量和鍋爐水位等測量裝置的傳遞函數(shù)。 w k d k h k 從系統(tǒng)框圖可以看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：一個由給水 流量 w、給水變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機構(gòu)組成的內(nèi)回路；另一個是由汽包水 位對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量 d 及其蒸汽流量變送器未包含在這 兩個閉合回路之內(nèi)，但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的 穩(wěn)定性7。 2.3.1 汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學模型汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 通過實驗可得： 該對象輸入為給水流量，輸出為鍋爐汽包水位，可近似為無自衡非振蕩過 程。在給水流量單位階躍擾動下，水位反應曲線的飛升速度，即水

45、位的變化速 度=0.0529。為了提高仿真的速度，取 n=1。一階滯后環(huán)節(jié)的時間常 0 ksmm 數(shù)經(jīng)測量為=8.5s。因此給水流量 w 與水位 h 的傳遞函數(shù)為： 2 t 2 t = （2-11） sgp 15 . 8 0529 . 0 sssw sh 在蒸汽流量單位階躍擾動下，水位變化的響應速度，增smmkf0747 . 0 益系數(shù),滯后環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，n=2，故蒸汽流量 d 與水613 . 2 2 kst7 . 6 2 位 h 的傳遞函數(shù)為： （2-12） sssd sh sgd 0747 . 0 17 . 6 613 . 2 2 2.3.2 測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

46、 測量變送環(huán)節(jié)由于存在一定的容量滯后，所以它的特性可以用一階慣性環(huán) 節(jié)（非周期環(huán)節(jié)）來描述，其傳遞函數(shù)為 （2-13） 1 st k sg m m m 式（2-13）中 為測量變送環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，與其量程有關； m k 為測量變送環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，與其容量有關。 m t 受測量元件安裝位置的限制，被測參數(shù)變化的信號傳遞到檢測點需要花費 一定的時間，因而就產(chǎn)生了測量純滯后。此時描述測量變送環(huán)節(jié)特性的傳 m 遞函數(shù)可寫成: （2-14） s m m m m e st k sg 1 在控制系統(tǒng)分析時，考慮到、值相對于被控過程特性有時是較小的， m t m 甚至可忽略不計，此時測量變送環(huán)節(jié)就被近視作為一

47、個放大環(huán)節(jié)（）來處 m k 理。 2.3.3 執(zhí)行機構(gòu)的傳遞函數(shù)執(zhí)行機構(gòu)的傳遞函數(shù) 執(zhí)行器接受控制器的命令執(zhí)行控制任務，由于在石油、化工等過程控制中， 執(zhí)行器最終是以閥門的形式出現(xiàn)，所以，執(zhí)行器往往被稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。 他的特性經(jīng)常也用一階慣性環(huán)節(jié)來描述，傳遞函數(shù)為: （2-15） 1 st k sg v v v 式（2-15）中： 為執(zhí)行器的放大倍數(shù)； v k 為執(zhí)行器的時間常數(shù)； v t 同測量變送環(huán)節(jié)一樣，在控制系統(tǒng)分析時，考慮到值相對于被控過程有 v t 時較小或可忽略不計，此時執(zhí)行器也被近視作為一個放大環(huán)節(jié)()來處理8。 v k 2.4 儀表的選擇與各變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定 本系統(tǒng)共

48、需要選擇三個檢測儀表以及一個線性給水調(diào)節(jié)閥。 選用的流量變送器的量程為 500t/h，液位變送器的量程為 600mm 水柱， 所有變送器均采用的 ddz-iii 型組合儀表，其標準信號為 420。水位madc 檢測變送器可采用 1151 差壓式變送器；流量變送器可采用渦街式流量計；給 水調(diào)節(jié)閥采用電動的。 2.4.1 流量變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算流量變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算 根據(jù)控制方案可知流量變送器用于測量給水流量和蒸汽流量，這兩個信號 可以有效的改善控制質(zhì)量，因此合理選擇流量傳感器是很重要的。 根據(jù)所給設計的目標，給水流量測量范圍：0500t/h，選擇輸入量程所 對應的給水流量為 500t/h，輸

49、出量程為 420ma。 = （2-16） w k ht ma 032 . 0 0500420 根據(jù)所給設計的目標，蒸汽流量測量范圍：0500t/h，選擇輸入量程所 對應的蒸汽流量為 500t/h，輸出量程為 420ma。 = （2-17） d k ht ma 032 . 0 0500420 2.4.2 給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算 此系統(tǒng)的執(zhí)行器選擇調(diào)節(jié)閥，因為它可以直接改變給水量，反應時間短， 有利于系統(tǒng)控制品質(zhì)的改善，它是控制系統(tǒng)的一個很重要的環(huán)節(jié)，它接收控制 器的輸出信號，執(zhí)行最終任務。 選擇線性電動調(diào)節(jié)閥，輸入量程為 420ma，輸出量程為 0550t/h。 = （

50、2-18） u k ma ht 375.344200550 2.4.3 液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算 由于本設計的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個控制系統(tǒng)的基礎是對水位的準 確測量，因此水位能否準確測量直接關系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理地選擇水位 變送器在水位控制系統(tǒng)中有關鍵作用。根據(jù)設計要求可知，水位的測量范圍為 -300300mm9。 根據(jù)題目所給的余熱鍋爐汽包水位測量范圍：-300300mm，輸出為 420ma。 =0.027 （2-19） h k300300420 mm ma 第 3 章 硬件電路設計 本設計采用 at89c51 作為核心控制芯片,及其相關硬件來實現(xiàn)余熱鍋爐汽

51、 包水位的控制。圖 3-1 為三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖。 單片機 a/d轉(zhuǎn)換 電路 上位機 汽包水位 給水流量 蒸汽流量 電源模塊 d/a轉(zhuǎn)換 電路 故障報警 電路 給水調(diào)節(jié)閥 鍵盤 液晶顯示 圖 3-1 三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖 在信號檢測的過程中，汽包水位信號、蒸汽流量信號和給水流量信號，它 們經(jīng)過各自的變送器再作 i/v 變換，轉(zhuǎn)換成 05v 的標準信號，接入 a/d 轉(zhuǎn) 換電路進行 a/d 轉(zhuǎn)換并送入單片機，這些信號在單片機中進行數(shù)據(jù)處理并與 給定值比較，該系統(tǒng)還配有一路控制信號的輸出端口，即通過 d/a 轉(zhuǎn)換電路 把比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為一路模擬電壓控制信號輸出，

52、考慮到電壓信號不利于遠距離 傳輸，并且多數(shù)電動閥門的控制信號為電流信號，所以本設計還配有一個 v/i 轉(zhuǎn)換器，把電壓控制信號轉(zhuǎn)換成標準的 420ma 電流信號，用于控制閥門的 開度。當自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或水位越限時，報警系統(tǒng)將啟動，待排除故障 后系統(tǒng)恢復自動控制方式。這種控制方式簡單，操作方便，可靠性高。 3.1 a/d 轉(zhuǎn)換電路 通過傳感器檢測到的信號，經(jīng)過放大濾波后，必須將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn) 換成離散的數(shù)字量，才能輸入到單片機中進行處理。實現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量 的設備為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）簡稱 a/d。本設計采用的是串行 a/d 轉(zhuǎn)換器 tlc1543。 tlc1543 采用 20 腳

53、 dip 封裝，引腳排列如圖 3-2 所示。其中 a0a10 為 11 個模擬輸入端；ref+（通常為 vcc）和 ref-（通常為地）為基準電壓 正負端；cs 為片選端，在 cs 端的一個下降沿變化將復位內(nèi)部計數(shù)器并控制 和使能 address、i/o clock 和 data out；address 為串行數(shù)據(jù)輸入 端，是一個 4 位的串行地址用來選擇下一個即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測試電壓； data out 為 a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)束三態(tài)串行輸出端；i/o clock 為數(shù)據(jù)輸入/輸出 提供同步時鐘。 a8 9 gnd 10 a0 1 a1 2 a2 3 a3 4 a4 5 a5 6 a6 7

54、a7 8 vcc 20 eoc 19 i/o cl ock 18 addr ess 17 data out 16 cs 15 ref+ 14 ref- 13 a10 12 a9 11 圖 3-2 tlc1543 的引腳排列 tlc1543 與 at89c51 采用串行數(shù)據(jù)通信，芯片的 3 個輸入端和 1 個輸出 端與 at89c51 的 i/o 口可直接連接，具體連接方式如圖 3-3 所示。這里將 tlc1543 作為外部擴展串行 i/o 口，由 p1.6 來接收 a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)果，p1.5 來控 制轉(zhuǎn)換地址選擇，p1.7 控制片選信號，p1.4 來發(fā)送脈沖信號給 tlc154310。 當 p

55、1.7=1 時，工作狀態(tài)被禁止，當 p1.7=0 時，tlc1543 開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 i/o clock 和 address 使能，data out 脫離高阻狀態(tài)。隨后，cpu 向 p1.5 端提供 4 位通道地址。同時,p1.4 口從 cpu 接受 10 個時鐘長度的時鐘序 列。前 4 個時鐘從 p1.5 端裝載地址寄存器，選擇所需的模擬通道，后 6 個時 鐘對模擬輸入的采樣提供控制時序。最后，cpu 從 p1.6 端接收前一次 a/d 轉(zhuǎn) 換結(jié)果。 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0/r xd 10 p3.

56、1/t xd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.5/t 1 15 p3.6/w r 16 p3.7/r d 17 xtal 1 18 xtal 2 19 vss 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale 30 ea 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 p1.5 6 p3.4/t 0 14 at89c 51 a8 9 gnd 10 a0 1

57、a1 2 a2 3 a3 4 a4 5 a5 6 a6 7 a7 8 vcc 20 eoc 19 i/o cl ock 18 addr ess 17 data out 16 cs 15 ref+ 14 ref- 13 a10 12 a9 11 tlc15 43 +5v +5v 圖 3-3 at89c51 與 tlc1543 的接口電路 3.2 i/v 變換電路 由于現(xiàn)場變送器的輸出信號為 420ma，所以需要設計電流電壓轉(zhuǎn)換電 路，將 420ma 轉(zhuǎn)換成標準電壓信號 15v,然后再將電壓信號輸入到采樣保 持器中，讓 tlc1543 接受標準統(tǒng)一的 15v 電壓信號。i/v 變換器主要是利 用有

58、源器件運算放大器、電阻組成，電路如圖 3-4 所示。利用同相放大電路， 把電阻 r1 上產(chǎn)生的輸入電壓變成標準的輸出電壓。 根據(jù)虛短虛斷的概念有： ， np vv 0 np ii 圖 3-4 可知，該同相放大電路的放大倍數(shù)為： （3-1） 3 4 1 3 43 r r r rr v v a i o v 若取 r3=100,r4=25,r1=200,則 420ma 輸入對應于 15v 的kk 電壓輸出。 1 2 3 411 lm324 -12v +12v r1 200c1 1.0uf r2 100k r3 100k r4 25k r5 1k i v 圖 3-4 i/v 變換電路 通過上面電路的轉(zhuǎn)

59、換，我們就可以把 420ma(dc)轉(zhuǎn)換成標準電壓信號 15v(dc),送到 tlc1543 中進行轉(zhuǎn)換。 3.3 d/a 轉(zhuǎn)換電路 對于控制系統(tǒng)來說，檢測和運算的最終目的是要對控制對象進行控制。但 是單片機內(nèi)部運算和輸出的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，而控制對象的參數(shù)是模擬量。因 此，就需要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置，這種裝置稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡稱 d/a 轉(zhuǎn)換器。 d/a 轉(zhuǎn)換器的功能是將一組輸入的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為在時間上是連續(xù)的模擬 量輸出，輸出模擬量形式有電流型和電壓型兩種。對于電流型輸出 d/a 轉(zhuǎn)換 器可外接運算放大器，將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓并提高帶負載的能力。本設計采 用的是 dac0832 轉(zhuǎn)換

60、器，其與單片機接口方便，轉(zhuǎn)換控制容易，且價格便宜， 在實際中得到了廣泛應用。 3.3.1 dac0832 的的簡介簡介 dac0832 是帶有與微機連接接口的 dac 的典型產(chǎn)品之一，它能與微機 cpu 總線直接連接，不須附加邏輯。該電路采用雙緩沖寄存器，使它能方便 地應用于多個 dac 同時工作的場合。使用時應外接運算放大器。該芯片的各 管腳功能如下：為片選端，低電平有效；為寫使能控制端，=0 時，cs 1 wr 1 wr 允許數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；為寫使能控制端，0 時，允許輸入鎖存 2 wr 2 wr 器的內(nèi)容存入數(shù)據(jù)寄存器；ile 為輸入鎖存器的使能端，高電平有效； 、為 dac 的電流