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1、（论文）11 引言1.1 设计的目的和意义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
2、一原因是由于负荷增加时，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。1.2 应解决的主要问题本设计主要解决传感器的选择（温度，压力，水位） 、输出道的设计和软件程序的设计。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
3、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。1.3 国内外发展现状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。在国内主要有，单、双、三冲量控制系统来控制锅炉汽包水位。（
4、论文）2单冲量控制系统以锅炉锅筒水位为唯一信号的锅炉给水连续调节。该系统由水位变送器，伺服放大器，执行器和给水调节阀组成。水位变送器将水位信号送到调节器，调节器根据实测水位和给定值的偏差，经过运算放大后输出调节信号，驱动执行器改变调节阀开度，改变锅炉上水量，使水位控制在容许范围内。在单冲量水位自动调节的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号，便构成所谓的双冲量水位自动调节系统。前馈控制的主要特点是根据扰动的大小直接调节，使调节作用在扰动发生的同时起作用，从而减小扰动造成的被控参数的变化。引入蒸汽流量前馈信号可以消除虚假水位对水位控制的不良影响，减小或抵消由于虚假水位现象而造成的调节误动作。在双冲量水
5、位自动调节的基础上，为解决给水压力不稳而造成调节性下降的问题，引入给水流量作为调节器的反馈信号。它采用蒸汽流量作为前馈信号，克服负荷变化引起的外扰动，减少假水位引起的调节器误动作；用给水流量作为反馈信号，克服内扰影响，稳定给水量，可以进一步改善给水调节质量。由常规仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，虽然具有可靠性高，成本低，易于维护和操作等优点，并在大中小企业中得到了广泛的应用，解决了不少自动化方面的问题。但是随着生产向大型化连续化发展，对自动化技术的要求越来越高，模拟自动控制系统越来越表现出它的局限性。例如它难以实现多变量控制，复杂控制规律的控制，最优控制，自适应控制，以及时变控制等；模拟控制
6、屏越来越长，难以实现集中控制；各条系统之间不便进行通讯联系，难以实现多级控制；控制方案的修改比较麻烦。如果采用计算机作为自动化工具的过程控制系统，就能很好地解决模拟控制系统存在的上述问题。随着生产的发展，锅炉日益广泛的用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热力设备之一。在现代化的建设中，能源的需求量非常大的，然而我国的能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，有这极为重要的实际意义。此外，是锅炉能以地制宜地有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等问题。1.4 指导思想采用三冲量水位控制系
7、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（论文）3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。2 设计方案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
8、制系统三种形式。2.1 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。对于中小型锅炉在蒸汽负荷变化不大的情况下，水位受到扰动后的反应速度比较慢，“虚假水位”现象也不严重，采用单冲量控制系统，一般采用比例调节就能满足生产上的要求，如果采用 PI 调节器，将得到更满意的效果。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
9、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。 12. 2 双冲量水位控制系统在单冲量汽包水位控制的基础上，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（论文）4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
10、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，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。 12.3 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
11、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。锅炉的给水量在运行生产中经常有自发性变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的汽包水位控制互相干扰的现象。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
12、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。 1（论文）5P I 调节单元给水流量锅炉汽包蒸汽流量系数给水流量系数给水阀抗干扰滤波 汽包水位信号蒸汽流量设 定 水 位 + - - + 图 2-1 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
13、，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。总之，三冲量汽包水位控制系统，由于引进蒸
14、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，在较大的阶跃扰动时都能有效地控制水位的变化，因而得到了广泛的引用。2.4 设计方案的确定通过比较看到三冲量控制系统适合本设计主要思想，符合我的设计方案，本设计选用三冲量控制系统。设计内容是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，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过上（论文）6限或下限时，能及时报警并采取相应措施。设计方案是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
15、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 2-2 所示温度传感器压力传感器给水流量传感器蒸汽流量传感器水位传感器单片机调节阀报警显示键盘看门狗D A 转换A/D转换器图 2-2 设计方案框图3 硬件设计3.1 最小系统设计3.1.1 单片机选择 单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU） ，存储器和各种输入，输出接口，这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片机微型机算机，简称单片机。（论文）7MCS是Intel公司生产的单片机的系列符号，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51
16、、MCCS-96系列单片机。MCS-51系列单片机包括三个基本型 8031，8051，8751。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。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，本设计采用89C-51单片机。89C-51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器 （FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only M
