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1、工业锅炉水位微机控制系统 1. 设计的目的和意义设计的目的和意义： 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。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。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。 2. 应解决的主要问题应解决的主要问题： 本设计主要解决传感器的选择（温度，压力，水位） 、输出 道的
2、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 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制系统三种形式。 1.1 单冲量水位控制系统
3、 1.2 双冲量水位控制系统 1.3 三冲量水位控制系统 PI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 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
4、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。 1.4 设计方案的确定 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
5、，当水位超过上限或下限时，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 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 DA转换 A/D 转 换 器 图 2-2 设计方案框图 2 硬件设计 2.1 最小系统设计 2.1.12.1.1 单片机选择单
6、片机选择 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
7、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。 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）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 。引脚图如图 3 所示 图 3 89C51 引脚图 2.1.22.1.2 复位电路
8、设计复位电路设计 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，当时钟频率 选用 6MHz 时，C 取 22F 时，R 取 1K 欧姆。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电 平方式和脉冲方式两种。其中电平
9、复位是通过 RST 端经电阻与电源 接通实现。 2.1.32.1.3 时钟电路选择时钟电路选择 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。 2.1.42.1.4 “看门狗看门狗”电路电路 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
10、 门狗电路如图 4 所示 图 4 看门狗电路 2.2 前向通道设计 2.2.12.2.1 传感器的选择传感器的选择 （1） 温度传感器选择 本设计采用 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） 压力传感器选择 本设计采用 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
11、器选择 本设计采用 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 本设计采用 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
12、、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。 2.2.22.2.2 A/DA/D 转换芯片的选择转换芯片的选择 本设计采用 A/D 转换器 ADC0809。 图 5 ADC0809 接线图 2.3 后向通道设计 2.3.12.3.1 DADA 转换转换 本设计采用 DA 转换器 DAC0832。 图 6 DAC0832 引脚图 DAC0832 与单片机接线图 7 所示。 图 7 DAC0832 与单片机接线 2.3.22.3.2 V/IV/I 转换芯片选择转换芯片选择 本设计采用 V/I 转换芯片 AD694,AD694 产品是
13、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。 2.3.32.3.3 调节阀调节阀 本设计采用 HRTP-64KE 电动调节阀。HRL 电动执行器采用一体 化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。有数字显示 窗口，可看到控制信号值、阀位值。 2.4 键盘显示电路设计 2.4.12.4.1 键盘电路的设计键盘电路的设计 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。 2.4.22
14、.4.2 显示电路设计显示电路设计 2.4.32.4.3 利用并行利用并行 I/OI/O 芯片芯片 8155H8155H 实现键盘实现键盘/ /显示显示 89C-51 单片机用扩展 I/O 接口芯片 8155H 实现 4 为 LED 显示和 12 键的键盘/显示接口电路。其单片机与 8155H 的 接口电路如图 8 所示。 图 8 单片机与 8155H 接口电路 2.5 报警电路设计 2.5.1 蜂鸣音报警蜂鸣音报警 本设计采用蜂鸣音乐报警装置，如图 9 所示 图 9 蜂鸣报警电路 3 软件设计 3.1 主程序设计 图 10 主程序流程图 开 始 初 始 化 扫 描 键 盘 开 中 断 显 示
15、 3.2 T0 定时中断子程序设计 中 断 开 始 保 护 现 场 调采样子程 序 1 滤 波 关 中 断 一 秒 单 元 清 0 PID 运 算 六 秒 单 元 清 0 标 度 转 换 到 1 秒 ？ 到 六 秒 ？ D/A 输 出 重 新 载 入 时 间 常 数 启 动 T0， 开 中 断 恢 复 现 场 调 样 子 程 序 2 报 警 处 理 滤 波 标 度 变 换 N N Y Y 图 11 T0 定时中断子程序流程图 3.3 采样子程序设计 采样子程序是 1 对蒸汽流量和给水流量进行采集，采样子程序 2 是对温度、压力、液位、蒸汽流量和给水流量进行采集。 图 12 采样子程序 1 流程
16、图 图 13 采样子程序 2 流程图 图 14 采样子程序流程图 设 N=2 调 样 子 程 序 返 回 设 N=5 返 回 调 样 子 程 序 开 始 选 择 0809 的 INX 通道 启 动 A/D 转 换 返 回 延 时 采集四次 ？ N 路采集完？ 读 取 结 果 指向下一个存储单元 N Y Y N 中 断 返 回 3.4 显示子程序的设计 图 15 显示子程序流程图 3.5 滤波子程序设计 在此系统中数字滤波采用算术平均滤波法。 开 始 置显示缓冲区首位置 置位选码初值 段码 PB 口 延 时 位选码 PA 口 8155 初 始 化 查 段 码 表 N 指向下一显示缓冲区地址 4 位显示完否？ 返 回 调 整 位 选 码 N Y 取 4 次采样数据之和 求算术平均值 开始 返回 图 16 滤波流程图 3.6 标度变换 标度变换是将测量的模拟量（电压 或电流）转换成可以显示的数 值。测控系统中的被测变量如温度、压力等的单位与数值都不相同。 但它们经传感器转换成电信号后又经信号
