锅炉汽包水位控制系统论文

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 44 页1 绪论在21世纪科学技术发展中起着极为重要的作用的是智能控制技术，这项技术在重工厂、锅炉厂、电子厂等中被广泛应用。在这些工厂的生产过程中主要采用的智能控制系统，智能控制技术使得工厂的生产效率得到了极大的提高，新型的智能控制技术带来了技术革新，给工业化生产带来了新的曙光。锅炉是重要的动力设备，其任务是提供合格稳定的蒸汽，以满足机器的运转。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，若水位过高，将会破坏汽水分离装置的正常工作，还会导致蒸汽不纯，含水量和含盐量都过大，增加在管壁上的结垢，严重时可能会破坏过热器，最终影响整个蒸汽机组的正常运行和经济指标。如果水位过低，则会使锅炉正常的水循环被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以锅炉汽包水位过高过低都可能锅炉无法正常工作，甚至可能导致生产事故。在锅炉汽包水位控制系统中被控量是汽包水位，而调节量则是供水流量，通过对供水流量的调节，使汽包水位达到动态平衡状态，从而使汽包水位在安全范围内变化，保证锅炉能够安全运行，避免工业生产事故的发生。因此，随着锅炉朝着大容量、高参数的发展，锅炉汽包也随着其发展而发展，这也给锅炉汽包水位控制提出了更大的要求，锅炉汽包水位控制系统采用智能化控制已越来越成为一种不可逆趋势，智能化控制系统能实时准确的调整锅炉汽包水位，保证锅炉汽包水位处于安全范围内，使锅炉能安全稳定的运行，这也间接提高了锅炉的运行效率。由于采用智能化控制系统，所以减少了员工的工作量，也减少了一些不必要的人为因素对汽包水位控制产生不利的影响。无论从经济性方面，还是从实用性方面考虑，采用智能化控制技术对锅炉汽包水位进行控制。1.1 课题背景及意义由于智能化控制技术的日益成熟，在生产生活中的到越来越多的应用。51 单片机作为时下相当流行的一种智能芯片，在很多智能控制系统中的到了很大的运用，所以选用 51 单片机来作为控制锅炉汽包水位的核心是十分明智的。锅炉汽包水位极大影响了锅炉是否能安全高效的运作，这直接导致了工业生产能否高效的运转。采用智能控制系统可以对锅炉汽包水位有一个全面的调控，还可以很好的提高锅炉的生产效率和安全系数。此次设计能更好的了解锅炉汽包的工作原理，更好的对所学本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 44 页知识有更加深刻的了解和认识。1.2 发展现状汽包是锅炉最重要的设备，它是加热、蒸发、过热三个环节的重要枢纽，在锅炉汽水系统中有着重要的过渡作用。汽包是由被焊上很多管座，连接各种管子组成的长圆筒形容器。汽包多被悬于炉顶大梁之上，这有利于汽包均匀受热。汽包的作用如下所述：汽包能很好的连接受热面管道，水冷壁、省煤器、过热器以及一些辅助管道等都与汽包相连，形成自然循环回路；汽包是锅炉汽、水的集散地，有助于汽水的聚集；汽包能很好的存储汽、水，可以缓解负荷波动对气压的影响，减少锅炉断水对锅炉的危害，有助于稳定锅炉；由于汽包中安装了汽水分离装置、连续排污装置和蒸汽清洗装置等设备，可以有效的进行汽水分离，保持炉水含盐量的不变，清洗溶解在蒸汽中的盐，加药防止蒸发受热面结垢；具有很好的蓄热能力，能很好的适应外界温度的变化。锅炉运行最重要的一项安全性能指标是保持锅炉汽包水位在安全范围内，由于各种不同的因素，汽包水位会实时的发生变化。因此通过对汽包水位的监视和调控，保证汽包水位在安全范围内，避免锅炉烧干，损坏锅炉。传统的工业控制方法是采用 PID 控制，这种控制技术是采用可编程控制器（PLC）利用其闭环控制模块来实现的。其利用的是比例、积分、微分控制，PID 控制器的参数调整是 PID 控制核心，但无论什么方法得到的参数在实际生产中随着装置的磨损，消耗，参数都有可能发生变化，需要重新计算，这就给在实际的生产控制中带来了不便，所以全新的智能化控制技术得到了原来越多的发展。由传感器实时采集模拟信号，通过转换模拟信号为数字信号给 PC，然后 PC 通过与预设的值的对比，进行判断，来实时调控机器的运转。智能化控制技术能更好的提供对工业生产的控制，所以智能化控制是未来工业生产的必然趋势。1.3 课题的任务锅炉汽包水位控制的任务是通过实时监控汽包水位情况，控制汽包水位在工艺允许的安全范围内。采用以单片机为主，设计锅炉汽包水位控制系统的硬件电路，以达到对锅炉汽包水位的智能控制。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 44 页2 总体方案论证本设计中对锅炉汽包水位进行实时的监控和控制。首先采集水位信号，通过电路将模拟信号转换为单片机可以处理的数字信号，再经过程序运行，得出水位的高度，将实时水位高度与预设安全水位高度进行对比，判断水位是否处于安全范围内，然后再将其数字信号利用 A/D 转换电路转换成模拟信号，通过电机控制电路对锅炉汽包水位进行控制，从而保证锅炉汽包水位处于安全范围内。2.1 系统方案2.1.1 设计要求（1）系统总体方案的设计；（2）设计显示电路和输出电路；（3）编写信号采集、处理、显示、输出程序；（4）以 STC89C52 单片机为核心设计锅炉汽包水位控制系统。2.1.2 系统设计以单片机为控制核心，设计一个能显示水位高度，可以根据水位变化对水位进行调整，且对水位有预警功能的锅炉汽包水位控制装置。使用时可以根据实际情况来设定水位的安全范围，设置报警电路。设计的系统框图如图 2.1 所示。图 2.1 系统框图基于单片机的锅炉汽包水位控制系统设计是以 STC89C52 单片机为核心部件，锅炉汽包水位采集电路单片机STC89C52电机控制电路液晶显示电路显示电路报警电路本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 44 页由 LCD 电路、报警电路、电机控制电路等组成。工作过程如下：水位高度由滑动变阻器模拟，滑动变阻器将信号经 A/D 转换送入单片机，由单片机输出，传至 LCD 显示水位高度。当水位不在安全范围内时，启动报警电路，控制电机正反转，调节水位处于安全范围内。2.2 设计方案的基本原理锅炉汽包水位控制系统的基本原理是：单片机STC89C52通过检测到的锅炉汽包水位信号，根据系统的不同要求编写相应的单片机工作程序进行处理。得出结果后，判断是否要启动或停止电机运转、正转或反转电机以达到对锅炉汽包水位的控制，同时驱动显示电路来显示当前水位所处的状态。首先，电路采用接触式来拾取水位信号，在锅炉中安装压力传感器来了解水位的变化，通过压力变送器来转换采集的锅炉汽包水位信号输入给单片机。然后由单片机STC89C52对测得的水位信号进行判断，根据判断结果，单片机输出相应的控制信号控制电机的正转、反转或停止。当锅炉的水位下降，达到下限时，报警电路预警，需要正转电机给锅炉供水；当锅炉的水位达到上限后，报警电路预警，反转电机给锅炉排水。锅炉汽包水位变化的全程都有液晶显示器显示相应的水位，显示电路可以反映出实时的水位。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 44 页3 硬件设计硬件电路由锅炉汽包水位采集电路，电机控制电路，液晶显示电路，键盘控制电路，报警电路等组成。3.1 锅炉汽包水位采集电路该电路的目的是产生单片机可以接收的输入信号，将该电路设计成由水位的上升、下降使压力传感器接受实时信号。主要是通过压力传感器将水产生的压力输入给单片机，通过单片机来控制整个电路的工作。3.1.1 压力变送器的选择变送器的作用是分别将各种不同的模拟变量转换成统一的电气变量，这样便于信号的输入输出。本设计中采用的压力变送器为 WT-1151GP 型电容式压力变送器，它是一种新型产品，因其能够很好的转换各种模拟信号，所以在现在的工业生产中得到了很大程度的推广使用 1。WT-1151GP 型电容式压力变送器主要特点：（1）智能电子部件仅有一块板组成、体积小、重量轻；（2）精准度高；（3）具有良好的可靠性；（4）量程为 0KPa42000KPa，量程调节的可调节范围大，而且带有正负迁移机构；（5）过载性能好；（6）具有可调阻尼装置，可用于脉动流体的测量；（7）变送器可分为普通型、隔爆型和本质安全型；（8）符合 HART 协议，可用 HART 通讯器 268、275 与本智能表进行双向通讯而不中断输出信号；（9）在采用 HART 协议的分散控制系统中同主机进行双向通讯；（10）具有自我诊断和远方诊断的功能；（11）带有 EPROM 非易失性存储器不怕断电丢失数据。压力变送器的工作原理：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 44 页压力变送器被测介质的两种压力通过高低两压力室，作用在敏感元件的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和元件内的填充液传送到量测膜片量测。量测膜片和量测绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，导致量测膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转变成于压力成正比的信号。压力变送器和差压变送器的原理相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。A/D 转换器将解调器的电流转变成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量范围。工程单位换算、阻尼、开方、传感器微调等运算以及诊断和数字通信。本微处理器中有 16 字节程序的 RAM，并有 3 个 16 位数字器，其中之一执行 A/D 转换。数据储存在 EEPROM 内，及时断电也保存完整。数字通信线路为变送器提供一个于外部设备的连接接口。D/A 转换器吧微处理器来的并进行校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件来修改。此线路检测叠加在 4mA20mA 信号的数字信号，并通过回路传送所需要耳朵信号。采用移频控制 FSK 技术 2。3.1.2 A/D 转换电路本设计 A/D 转换电路选用 PCF8591 转换芯片，PCF8591 是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS 数据获取器件。PCF8591 具有 4 个模拟输入、1 个模拟输出和 1 个串行 IC 总线接口。 PCF8591 的 3 个地址引脚 A0、 A1 和 A2 可用于硬件地址编程，允许在同个 IC 总线上接入 8 个 PCF8591 器件，而无需额外的硬件。在 PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向 IC 总线以串行的方式进行传输。PCF8591 的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit 模数转换和 8-bit 数模转换。PCF8591 的最大转化速率由 IC 总线的最大速率决定。下面是 PCF8591 的一些特性:（1）采用独立供电方式；（2）PCF8591 的操作电压范围 2.5V6V；（3）低待机电流；（4）通过 IC 总线串行输入 /输出；（5）PCF8591 通过 3 个硬件地址引脚寻址；（6）PCF8591 的采样率由 IC 总线速率决定；本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 44 页（7）4 个模拟输入可编程为单端型或差分输入；（8）自动增量频道选择；（9）PCF8591 的模拟电压范围从 VSS 到 VDD；（10）PCF8591 内置跟踪保持电路；（11）8-bit 逐次逼近 A/D 转换器；（12）通过 1 路模拟输出实现 DAC 增益。PCF8591 引脚功能表如表 3.1 所示。表 3.1 PCF8591 引脚功能表引脚名称 引脚功能定义AIN0AIN3 模拟信号输入端A0A3 引脚地址端VDD、VSS 电源端（2.5V6V）SDA、SCL IC 总线的数据线、时钟线OSC 外部时钟输入端，内部时钟输出端EXT 内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地AGND 模拟信号地AOUT D/A 转换输出端VREF 基准电源端由 PCF8591 构成的 A/D 转换电路如图 3.1 所示。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 44 页图 3.1 A/D 转换电路3.2 电机控制电路随着嵌入式系统在日常生活中的广泛应用，步进电机在各行各业的使用也日益增加。3.2.1 单片机的选择单片机也可称为单片微控制器（MCU） ，是一种把计算机系统集成在一块芯片上的微机。芯片内包含了微处理器（CPU） 、只读存储器（ROM） 、随机存取存储器RAM、定时器 /计数器、串行 I/O 口、并行 I/O 口、中断控制、系统时钟及系统总线等 3。在设计中选用的单片机是 51 系列单片机中的 STC89C52，STC89C52 是 51 系列单片机中的一种型号，它是由宏晶公司生产采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，片内含有 8K 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256B 的随机存取数据存储器（RAM） ，能够与标准 MCS-51 指令系统兼容，具有低电压，高性能的优点。STC89C52 可以按照常规方法进行编程，但却不可以在线编程。因其功能强大，实用性强，所以在很多的控制系统中得到了广泛的应用 4。STC89C52 的主要功能特性：（1）兼容 MCS-51 指令系统；（2）8k 可反复擦写（1000 次）Flash ROM；（3）32 个双向 I/O 口，2568bit 内部 RAM；（4）3 个 16 位可编程定时/计数器中断 ,时钟频率 0MHz24MHz ；（5）2 个串行中断；（6）可编程 UART 串行通道；（7）2 个外部中断源；（8）共 8 个中断源；（9）2 个读写中断口线；（10）3 级加密位；（11）低功耗空闲和掉电模式；（12）软件设置睡眠和唤醒功能。3.2.2 STC89C52 单片机的引脚功能本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 44 页MCS-51 系列单片机一般采用 40 个引脚，双列直插式封装，用 HMOS 工艺制造，单片机引脚图如图 3.2 所示。图 3.2 单片机引脚图（1）主电源引脚Vcc（40 脚）：接5V 电源正端Vss（20 脚）：接5V 电源地端一般 Vcc 和 Vss 间应接高频去耦电容和低频滤波电容。（2）外接晶体引脚XTAL1（19 脚）：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，此引脚应接地。XTAL2（18 脚）：接外部晶振的另一个引脚。在片内接至反相放大器的输出端和内部时钟电路的输入端。当采用外部时钟时，此脚作为外部振荡信号的输出端。（3）控制信号线RST/ （9 脚）：RST 就是 RESET， 是备用电源，该引脚是复位信号输入PDVPDV端或复位/掉电时内部 RAM 的备用电源输入端。ALE/ （30 脚）：允许地址锁存/编程脉冲输入。在对片外程序存储期间，ROG用 ALE 锁存从 P0 口输出的低 8 位地址；在对片内 EPROM 编程期间，编程脉冲由本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 44 页此引脚输入。（29 脚）：作为外部程序存储器读选通信号的输入端，对低电平有