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1、引 言21世纪自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用，热力发电厂的生产过程中也毫无例外的采用了自动控制技术。在热力发电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统，是伴随着社会对电能需求的日益增加、单机容量的日益扩大和自动控制技术在热力发电厂中应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的。维持锅炉水位在一定的范围内变化，是汽机和锅炉安全经济运行的重要条件。若水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至破坏，影响机组的正常运行和经济性指标。若汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而烧坏。随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给
2、水控制提出了更高的要求。随着锅炉容量的增大，锅炉负荷变化对水位的影响加剧了。另外，锅炉工作压力的提高，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。因此，随着汽包锅炉朝着大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以保证水位控制的准确性，保证锅炉运行的安全可靠，而且大大减轻运行工作人员的工作强度，减少人为因素的影响。从经济性和实用性两个方面考虑，我们采用8051单片机对汽包锅炉水位进行控制。第一章 单冲量汽包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
3、偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许的范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位自动控制系统中最简单、最基本的一种形式。控制系统由汽包、变送器、调节器（微处理机）、给水调节阀及相关电路组成。1.1 单冲量汽包水位控制系统的介绍单冲量汽包水位控制系统的优点是：系统结构简单，对锅炉汽包容量比较大，汽包水位受到扰动后的反应速度比较慢，“虚假水位”现象不很严重的锅炉，采用单冲量水位控制就能满足生产要求。单冲量汽包水位控制也存在着一些缺点，主要有：（1）单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升
4、，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。（2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作后又要经过一段滞后时间才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。这种系统结构简单，运行可靠，适用于水容量大，飞升速度小，负荷变化也不大，控制质量要求不高的小容量系统。1.2 被控对象的确定本设计的控制对象是汽包水位H，为了能够实时监控水位，采用平衡容器把水位信号转换成差压信号
5、，此信号经差压信号管路传送至差压计，通过差压计显示水位，即所谓的差压式水位计。1.2.1 差压式水位计差压式水位计是通过把液位高度变化转化成差压变化来测量水位，因为其测量仪表就是差压计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位于差压之间准确转换，这种转化是通过平衡容器实现的，常用的双室平衡容器结构如图1-1所示。图1-1 双室平衡容器正压头是从宽容器中引出，负压头是从置于宽容器中的汽包水侧连通管中取得。宽容器中的水面高度是一定的。当水面要增高时，水便通过汽侧连通管溢流入汽包；要降低时，由蒸汽冷凝水来补充。因此当宽容器中水的密度一定时，正压头为定值。负压管与汽包是连通的，因此，负压管中输出压头的
6、变化反映了汽包水位变化。按照流体静力学原理，当汽包水位在正常水位H0（即零水位）时，平衡容器的差压输出p0为 （1-1）式中：为饱和蒸汽密度；其他符号的意义如图1-2中所示。当汽包水位偏离正常水位变化H时，平衡容器的差压输出p为 （1-2）L、H0为确定值，若、和为已知的确定值时正常水位相对的差压输出p0就是常数，也就是说差压式水位计的零水位差压是稳定的。平衡容器的输出差压p则是汽包水位变化H的单值函数。水位增高。输出差压减小。应当指出，上述半衡容器在实际使用中，它存在的下列问题会造成差压水位计指示不准：（1）由于平衡容器向外散热，正、负压容器中的水温由上至下逐步降低，且温度分布不易确定。因此
7、用式（1-1）、式（1-2）分度差压计时，因密度和的数值很难准确确定，分度好的差压式水位计装到现场后，其指示值与云母水位计的指示值不一致。即使在现场对照云母水位计的指示调整好刻度值。随着使用情况的变化，还会由于和数值改变而指示不准。为解决这个问题，可通过改进平衡容器结构。设法使和为已知确定值例如，用蒸汽套保温，可使和都等于汽包压力下饱和水的密度，这叫，差压p和水位H有以下关系式： （1-3）（2）一般，差压式水位计是在汽包额定工作压力下分度的。因此差压式水位计只有在汽包额定工作压力下运行时其指示才正确。当汽包压力变化时，饱和水密度和饱和蒸汽密度随之变化，使差压式水位计的指示发生很大误差。随压力
8、变化的关系在不同的压力分范围是不同的，如图1-2所示。图1-2 汽包压力和密度差的关系饱和水的密度；饱和蒸汽密度；在室温、汽包压力p下水的密度从图中可见在313MPa压力范围内，压力p和密度差的关系非常接近于线性的，随着压力的降低，密度差增大。由于双室平衡容器的结构尺寸L总是大于H所以从式（1-3）可知，当汽包压力低于F额定值时，增大使输出p增大，因而使差压式水位计指示偏低。由此产生的水位指示误差还与水位H、平衡容器结构尺寸L有关。（L-H）越大，指示误差也越大也就是说，低水位比高水位误差大。这种误差在中压锅炉可达4050mm，在高压锅炉可达100mm以上，因此差压式水位计在机组启、停或滑压运
9、行时是不能使用的。1.2.2 平衡容器的改进图1-3 平衡容器结构示意图改进后的平衡容器结构如图1-3所示。在 汽包水位变化时，为了使正在压管中的水位始终恒定，加大了正压容器的截面积（一般要求正压容器直径大于100mm），并在其上安装凝结水漏盘，使得更多的凝结水不断的流入正压容器，正压容器中的水不断溢出。用蒸汽加热的方法使正压容器中的水温等于饱和温度。蒸汽凝结水由漏水管流入下降管。漏水管与下降管连接高度应保证平衡容器内无水而下降管又不抽空，即漏水管内要保持一定高度的水位。负压管直接从汽包水侧引出。为了保证压力引出管的垂直部分水的密度等于环境温度下水的密度，压力引出管的水平距离S要大于800mm
10、。正常水位H0时，平衡容器的输出差压p0为因为在实际应用中，平衡容器的结构尺寸均为已知量，所以其输出差压与水位的关系为 （1-4）式中汽包工作压力下的饱和水与饱和蒸汽密度之差； 室温下的过冷水与饱和水密度之差； L，l平衡容器结构尺寸，如图1-3所示。第二章 单片机汽包水位控制系统的总体设计单片机锅炉汽包水位控制系统主要是针对汽包水位控制的一种实际工程应用设计。在热力发电厂中以及用到热力设备的工厂中，汽包水位的控制对锅炉的安全运行极为重要，水位过高、过低都将引起蒸汽品质变坏或水循环恶化，甚至造成严重事故。尤其在机炉启停过程中，炉内参数变化很大，水位变化亦很大，水位的及时控制就更加重要了。因此，
11、汽包水位控制是保证热力设备安全运行的必要条件。所以本设计可以使我们对汽包水位控制系统有一个比较基础的认识，同时又是对所学知识的一个巩固和创新。图2-1为单片机锅炉汽包水位控制系统的总体设计方案。图2-1 单片机锅炉汽包水位控制系统设计方案图本设计中对汽包水位进行压力、和差压的测量，通过电路转换为单片机可以处理的数字信号，经过软件运算，求出水位的高低并得出与正常水位的差值，再将其控制信号利用电路转换成模拟信号，通过执行器对汽包水位进行控制。压力/差压变送器采用的是电容式压力/差压变送器WT-1151GP，由于其输出的是420mA标准电流，而A/D转换器接受的是05V标准电压，所以应该设计I/V电
12、流电压转换电路，这样就可以接入A/D转换器了。单片机采用MCS-51系列中的8051单片机，8051单片机及其小系统的设计是本设计中重要的组成部分。两个模拟信号接到8051之前需要将模拟信号转换为数字信号，所以选用的是8个模拟量输入通道的A/D0809，输出是8位数字输出接到8051单片机上。本设计有一个模拟信号输出接口，用来控制执行器从而调节汽包水位的高低，这中间需要一个将数字信号转换为模拟信号的环节，选用的是8位的D/A0832，在经过相应的电路转换可以得到420mA的标准电流，完成了整个电路的设计。第三章 硬件电路设计3.1 MCS-51系列8051单片机单片机，也称单片微控制器（MCU
13、），是把一个计算机系统集成在一块芯片上的微机。片内含有微处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器RAM、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。3.1.1 8051单片机的组成MCS-51系列8051单片机的内部结构框图如图3-1所示。MCS-51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、并行I/O口、串行I/O口、定时/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图中SP是堆栈指针寄存器，PC是程序计数器，PSW是程序状态字寄存器，DPTR是数据指针寄存器。图3-1 8051单片机内部结构框图8051单片机是由中央处理器CPU（运算器和控制器）
14、、存储器（RAM和ROM）、I/O口（P0、P1、P2、P3）以及特殊功能寄存器SFR等构成。中央处理器（CPU）是由运算器和控制器构成，是单片机的最核心部分。它的主要功能是读入并分析每条指令，根据指令的功能，控制单片机的各功能部件执行指定的操作。运算器以算术逻辑单元（ALU）为核心，包括累加器（ACC）、寄存器（B）、暂存器1、暂存器2、程序状态字寄存器（PSW）等许多部件构成。它的功能是完成算术和逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。控制器是单片机的神经中枢，是由指令寄存器IR、指令译码器ID、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时及控制逻辑电路等组成。它先以主振频率为基准发
15、出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来协调单片机内部各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作。8051单片机采用哈佛结构片内存储器，即ROM和RAM分别在两个独立的空间（分开编址）。8051单片机内部有21个特殊功能寄存器，它们与内部RAM统一编址，离散地分布在80HFFH的地址单元中。MCS-51单片机内部有4个8位的并行I/O口P0、P1、P2、P3。其中P1口、P2口、P3口为准双向口，P0口为双向的三态数据线口。各端口均由端口锁存器、输出驱动器、输入缓冲器构成。各端口除可进行字节的输入/输出外，每个位口线还可单独用作输入/输出，因此，使用起来非常方便。输入/输出引脚P0口，P1口，P2口，P3口的介绍。P0口（P0.0P0.7共8条引脚，即3932脚）：是双向8位三态I/O口。在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线；在EPROM编程时，它输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。P0口能驱动8个LSTTL输入。P1口（P1.0P1.7共8条引脚，即18脚
