基于Internet的锅炉信号采集及控制系统设计.doc

摘 要本系统可分为现场控制子系统和基于Internet的远程控制子系统两部分。现场控制子系统部分采用MCS-51系列8031单片机，针对锅炉这个复杂的调节对象，本系统通过对水温，水位，压力等参数的检测，采用PID控制算法对锅炉进行自动控制。由检测元件检测到的模拟信号,经过滤波电路送入A/D转换成相应的数字量，单片机根据系统所设定的参数对给油量，给水量进行调节与控制，使控制系统的运行更加准确、经济可靠。而作为远程控制子系统的服务器，现场控制计算机还安装了一个研华公司的PCL-818L数据采集卡和美国国家仪器(NI)有限公司的虚拟仪器软件Labview，远程控制计算机只需安装虚拟仪器软件Labview 8.2就可以了。在Internet上的任意一台计算机，只要被授予了足够的权限，就能在web浏览器上输入相应的网址察看锅炉的运行情况。为了让远程控制端的操作人员更直观的了解控制现场锅炉的运行情况，本系统设计时加入了基于Internet网络视频传输环节。通过Internet把锅炉的实时数据传输到远程，使操作人员能在远程实时了解生产现场信息和运行情况,从而达到对锅炉生产过程进行科学管理、预防事故发生的目的。关键字：锅炉 单片机 Internet 远程控制 Labview61The Boiler signal acquisition and control system Based on InternetAbstractThe system can be divided into field control subsystems and Internet-based Remote Control Subsystem two parts. Part of the scene control subsystem using MCS-51 microcontroller series 8031, Boiler address the complex regulatory targets, so the system through the right water temperature, water level, pressure and other parameters of the testing, PID control algorithm for automatic control of boiler. By detecting sensor for the detection of the analog signal. After filtering circuits into single chip A / D converted into corresponding digital, microcontroller Unit system under the parameters set by the right to the oil, stood to regulate and control, controlling the operating system more accurate, economic and reliable. As a remote control subsystem server, field control computer has installed a Chinese research company PCL-818L data acquisition card and National Instruments (NI) Limited PC virtual instrument software Labview. Remote control computer can install Virtual PC Labview 8.2 software instruments on it. Any computer on the Internet, as long as sufficient delegated authority will be in the web browser on the importation of the corresponding website to see the operation of the boiler. To enable the remote control terminal operators more intuitive understanding of the scene to control the operation of the boiler. The system design to a network based on Internet video transmission links. Boiler through the Internet real-time data transmission to the remote, so that the operator can understand the real-time information and on-site production operations, the boiler so as to achieve the production process of scientific management, accident prevention purposes. Keywords : boiler； microcontroller； Internet； Remote Control； PC； Labview目 录1 绪论11.1 引言11.2 锅炉的基本构造及工作原理21.2.1锅炉的基本构造21.2.2 锅炉的工作原理及过程31.3 计算机控制系统的结构与组成41.4 Internet控制系统的现状特点及发展趋势51.5 课题的现实意义及解决问题72 系统总体方案设计82.1 系统总体构成设计82.2 现场系统控制方案的选择82.3 Internet控制的设计93 计算机实时控制系统的设计及实现113.1 实时控制系统的设计113.1.1 设计的要点113.1.2 设计的方法113.2 PID 控制算法153.2.1 PID 简介163.2.2 PID控制算法的改进173.3 系统硬件设计213.3.1 系统的控制功能213.3.2 工业过程控制机的硬件设计213.3.3 测量元件的选择313.3.4 放大电路323.3.5 系统抗干扰333.4 系统软件设计343.4.1 主程序设计343.4.2 中断服务程序设计363.4.3 其它子程序的设计374 Internet控制系统的设计及实现424.1 Internet控制系统的设计424.1.1 锅炉远程控制系统的结构424.1.2 远程控制器设计434.1.3 信息传输模块设计434.1.4 现场监控器设计444.1.5 数模转换模块设计444.2 Internet控制系统的硬件设计454.2.1 概述454.2.2 PCL-818L 数据采集卡的设置454.2.3 现场视频监控474.3 Internet控制系统的软件设计484.3.1 概述484.3.2 锅炉远程控制系统软件设计484.4 网络安全544.4.1 概述544.4.2 防火墙的应用544.5 应急通道（后备通道）565 结束语58致谢59参考文献601 绪论1.1 引言锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽，现在可作为风机、压缩机、大型泵类的驱动动力源。又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大、生产设备的不断更新，作为全厂动力源和热源的锅炉，亦向着大容量、高效率发展。为了确保安全、稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得特别重要了。锅炉按燃料种类来分，可分为燃油锅炉、燃汽锅炉和燃煤锅炉。在化工生产过程中，由于产生各种不同的残油、残渣、炼厂气等，所以多用燃油和燃汽锅炉。而在其它工业中，常用的还是燃煤锅炉。锅炉计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作1。工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势： 1直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误。2可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象。3在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数。4减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率。 5提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%计，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元。 6锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%。7 锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。故而理想控制应该采用多变量解耦控制方案。而建立解耦模型和算法通过计算机实现比较方便。8 锅炉微机控制系统经扩展后可与工厂内其他节点构成工业以太网并且能接入Internet，进行网络远程控制，这也是过了生产自动化发展的必然趋势。9 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。综合以上所述种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。下面我们来共同探讨锅炉控制系统的原理和结构。1.2 锅炉的基本构造及工作原理要设计一套完整的，性能良好的工业燃烧锅炉控制系统，首先我们就必须了解锅炉的基本构造和燃烧过程。1.2.1锅炉的基本构造锅炉是一种产生蒸汽或者热水的热交换设备。它通过煤、油或天然汽等燃料的燃烧过程释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业、生活等生产中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。锅炉的主要设备：气锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。炉子：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。锅筒：是自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。（须指出，直流锅炉内无锅筒。）水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧。引风设备：包括引风机，烟囱，烟道几部分。用它将锅炉中的烟气连续排出。送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。给水设备：由水泵和给水管组成。水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。燃料供给设备：由运煤设备，原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。1.2.2 锅炉的工作原理及过程锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程 、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。1.2.2.1 燃料的燃烧过程：首先将燃料（这里用石油）加到油箱中，利用油泵将燃料油送入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动，燃料所需要的空气是由风机送入炉排腹中风仓后，进行燃料反应形成高温烟气。（若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程2。1.2.2.2 水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和水分离过程。经处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽，水混合物。位于烟温较低区段的对流灌束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小，从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒形成了锅水的自然循环。蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒本身空间的重力分离力作用，是汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后，进入蒸汽过热气，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部的水中。锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接触的金属受热面的以冷却而不被烧坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要的设备。1.2.2.3烟气向水的传热过程：由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。继而烟棋手引风机，烟囱的引力下向炉膛上方流动。烟气出烟窗炉膛出口）并略过防渣管后，就冲刷蒸汽过热一组垂直放置的蛇型管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到的过热。烟气流经过过热气后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”型形成曲折地横向冲刷，再次以对流换热的方式将热量传递给管束的工质。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热气内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上同给水预热气和空气预热器一样，斗设置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。以上就是一般锅炉供水的过程，一个锅炉进行工作，其主要任务是：要是锅炉出口蒸汽压力稳定。保证燃烧过程的经济性。保持锅炉负压恒定。通常我们是炉膛负压保持在微负压（-1080Pa）。为了完成上述三项任务，我们对三个量进行控制：燃料量，送风量，引风量。从而使锅炉能正常运行。1.3 计算机控制系统的结构与组成图1-1 常见的锅炉系统常见的工业锅炉系统如图1-1所示。首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入加热炉，冷水在经过加热炉的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面，因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。锅炉控制系统，一般有燃烧、水位等控制系统。燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，量出而入不断根据用汽量与压力的变化成比例地调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用，其中保持合适的“空燃比”是一个重要因素。“空燃比”是指燃烧中空气量与燃烧量的比值系数。 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。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。炉膛负压控制系统是使进出炉膛的空气量维持平衡的控制系统，一般以炉膛压力作为空气量平衡与否的控制指标，通过调整排向大气的引风量达到空气量进出平衡，为提高控制品质，一般以送风量或送风档板开度作为前馈量构成前馈反馈控制系统。微机锅炉控制技术具有良好实用前景，既可节能又可提高锅炉的运行管理水平，减轻环境污染，目前国内只有几百台锅炉采用微机控制，占总数的很小一部分，所以推广应用该技术就显得十分繁重3。同时，该技术也在不断完善和提高，在进一步降低造价及锅炉本体设备的改造紧密配合方面还有许多工作要做。1.4 Internet控制系统的现状特点及发展趋势目前锅炉的信号检测与控制大都位于本地进行，这就限制了锅炉房以外技术力量对锅炉安全高效运行的远程技术服务，这显然是不能满足现代生产需要的，也必将制约一个企业在信息时代的高速发展。同时，与锅炉运行生产的情况相对应的是，高校和科研单位具有雄厚的科研力量，但是它们很难得到锅炉的实时运行的数据，这对于其科研和教学造成了极大的不便，难以实现产、学、研的高效结合。然而目前飞速发展的Internet 所具有的先进、快捷的信息传递交流功能 ,灵活方便的浏览器/服务器运行模式，简单友好的用户界面，丰富海量的信息资源，成本低廉的使用费用，已经并且必将使传统的研究开发方法产生巨大的变革，基于Internet的很多现代控制系统已经运用到生产生活中了。例如中国农业大学的基于web 的鱼疾病的诊断专家系统；清华大学与山东中试所研究的电站机组远程监测与诊断系统；基于Internet的火电厂锅炉燃烧优化指导系统等等，这都说明基于Internet的远程控制技术已经相当成熟了。以现在锅炉及其外围行业的发展情况来看，完全可以建成与Internet 相连的局域网，如果利用工厂现有技术和设施，通过基于Internet 的数据通讯程序，把锅炉的实时数据传输到远程，建设远程实时运行数据库，在此数据库的基础上建设各种分析平台，就实现以地理位置各异的数据共享，专业化的数据搜索查询，产学研的高效结合，远程合作研究中的数据交流等功能。 高度集成的信息化系统;随着计算机技术、自动控制技术、传感器技术的进一步发展，出于提高锅炉热工效率和保证运行安全的要求，锅炉监控系统将具有更高的信息采集和数据处理能力，以大大降低作业者的劳动强度，保障人身、设备安全，提高热效率。具备网络管理功能;这种功能主要应用于并列运行锅炉，即几台锅炉联合工作，把生产的蒸汽都输送到蒸汽母管，再分配到用汽设备。为此各台锅炉有负荷分配问题。通过工业总线技术或采用其它联网技术对这些锅炉实现统一管理、控制是目前市场需求的方向。一体化锅炉监控系统:特别对于大容量锅炉系统，由于其设备昂贵、结构复杂，对于监测控制系统要求更高，一体化的锅炉监控系统更是其发展方向。所谓的一体化锅炉监控系统是指集成了运行控制系统、安全监控系统和自诊断监控系统的功能，统一控制锅炉设备和监视锅炉运行状态，其基本结构将是一种集中分布式结构，即以高性能的计算机系统做中央控制单元，履行状态、故障信息的集中显示与存储并监视各个智能监测控制单元的工作，大量的智能监测控制单元则监控锅炉的某一分系统，并将获得的某些重要信息通过某种总线技术传送到中央控制单元，这些智能控制单元可以由单片机、DSP处理器、PLC等为主组成，这种总体解决方案能够降低系统的设计成本并提高系统性能。在远程，计算机可以对“实时曲线”、“历史数据趋势曲线”等进行简单的组态，比如可以根据需要选取不同数据进行监视，甚至可以利用工业锅炉端的功能较完善的组态工具组态出监控画面，对现场进行监控，比如可以提供一些图形组态工具并对图形对象的各种属性进行动态化。同时，基于集成远程控制工具，实现了系统的远程系统管理和维护。实现网络视频监控目前在安全防范领域应用广泛，在工业自动化领域，其应用相对还不普及。目前视频监控技术已经从传统的模拟监控发展到网络化数字视频监控。在工业锅炉远程监控技术的系统中，通过集成和开发，实现了基于局域网/城域网/互联网的新一代网络视频监控系统，集成在常规的监控系统中。摒弃了通常的模拟电视墙，远程控制端监测人员在进行常规监控的同时，亦可以实时监控到工业锅炉运行的现场场景6。1.5 课题的现实意义及解决问题锅炉作为一种多输入、多输出、多回路的非线性控制对象，其各个回路之间相互影响，从而造成多变量之间的耦合，加大了各项指标的控制难度。因此，合理的设计控制回路，使温度、压力及液位等重要控制指标能够被精确的测量和控制。同时，在保证控制精度的同时，力求做到整个系统的在线实时控制。远程视频传输，让操作人员更加直观的了解锅炉控制现场。而基于Internet控制的系统能使操作人员能脱离锅炉生产现场对锅炉的生产进行监测与控制，避免了发生事故的隐性损失。2 系统总体方案设计2.1 系统总体构成设计锅炉控制系统，一般包含炉内温度、进水温度、出水温度、水位、蒸汽压力检测与控制系统，锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整供油量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用4。 基于Internet的锅炉信号采集及控制系统系统由一个现场控制节点和远程控制节点组成。现场控制节点主要工作是监视锅炉各个参数的工作运行状态，并根据生产需要进行调节与控制，同时向Internet发送所检测到的数据和接受远程控制节点发送过来的指令控制锅炉的燃烧，从而达到远程检测，控制锅炉现场节点的目的。现场节点主要对被控设备的各种参数进行采集，并通过执行机构调整被控设备的工作状态。被授予权限的Internet端计算机和现场控制节点均可对锅炉生产过程的历史记录进行查询，这样可以对生产过程的各种参数和报警次数等进行统计分析，从而达到对锅炉生产过程进行科学管理、预防事故发生的目的。远程控制节点通过Internet与现场节点控制计算机相连，由远程控制节点主动建立链接，现场节点接到呼叫后应答进行数据传输。结构如图21。图21 系统结构图2.2 现场系统控制方案的选择一、工业过程控制机的几种实现方式对于机型的选择，归纳起来构成工控机的可有以下几种方式：1.选用现成的微型计算机这包括工业控制机、集散系统、可编程控制器和普通微型计算机。（1）选用工业控制机。这种控制机不仅在硬件上考虑了工业控制的要求，并且配有丰富的系统软件，有些还配置了应用软件。可以根据要求灵活运用。所以用户的研制、开发工期小，设计周期短。工控机大多采用模板式结构，可以根据实际要求选择产品的功能和模块，这是一般中小型控制系统的首选方案。（2）选用集散控制系统。这主要针对大型的控制系统，多套设备、复杂过程，需要采用多级分布式控制的场合。这种方案投资大，但收效也大，通常用于大型化工厂、炼油厂、化肥厂、钢铁厂等。（3）选用可编程控制器。这是一种以微处理器为核心的新型控制器，特别适合需要大量开关量的场合。工作可靠性高，使用梯形图语言，编程容易、应用灵活。近年来，发展迅速，但目前性能价格比还是很高。（4）选用普通微型计算机。如 IBM PCXT 机、IBM386 等配上 A/D、D/A 卡和开关量输入输出卡，可用于工业控制。这类机器软件丰富，但他们难以在恶劣的工作环境中连续稳定的运行。2.采用标准的功能模块板构成系统标准功能模板具有一定功能和尺寸。这些采用相同的系统总线相连接，根据系统的要求，可以构成不同配置，不同规模的控制机。这种方案的优点是配备灵活，扩充方便，规模可大可小，维修容易。用户不必进行硬件设计。然而，缺点是提供的系统软件和应用软件少。用户对软件开发的工作量大，模板与硬件资源得不到充分发挥。3.设计新的计算机系统用户以芯片开始，设计出控制系统所需要的专用计算机。这种方案的好处是针对性强、灵活方便。所用元器件最少，硬件、软件资源都能得到充分利用。系统性能价格比高。缺点是硬件、软件都需要用户从头全部设计，工作量大，设计周期长，要求设计者具有熟练的硬件和软件知识。这种方案以各种 CPU 或单片机为核心，构成系统，特别适用于智能仪器仪表及小型控制系统。目前，各种单片机控制系统是这种方案的主流。二、专用设计方式的几种配置本系统采用专用设计方式。利用芯片，设计出一个专用系统。它的配置包括 CPU，采用单片机 MC-51 系列的 8031 芯片。外部扩展 ROM 为 2732，外部 RAM 采用芯片 6116，D/A 转换采用 DACO832，A/D 转换采用 ADC0809。2.3 Internet控制的设计现场控制节点将锅炉运行信息使用labview 8.2虚拟软件通过网络在Internet中发布共享，远程控制节点的主要工作为与控制现场节点计算机建立通讯连接，查询并保存现场节点的工作状态参数的历史记录，对现场节点进行管理。使企业领导和技术人员能在办公桌面微机上实时了解生产现场信息和运行情况,为企业科学决策提供依据。基于Internet的锅炉控制系统在结构上要考虑到高效率、低成本地实现环境因素的远程实时数据采集、存储、分析，以及远程监视，并由智能决策向输出驱动装置发出控制指令，从而调节锅炉各种运行参数。基于Internet的锅炉控制系统结构如图 2-1 所示，主要由 7 大部分组成:远程控制器、Internet 网络、现场控制器、智能控制软件、模数转换卡、传感器模块、输出及驱动装置。3 计算机实时控制系统的设计及实现3.1实时控制系统的设计实时是指计算机对外来信息要以足够快的速度进行处理，并在一定时间内做出反应，也就是说对外来信息及时的接收、分析、处理并给出反应。实时系统可简单的定义为能在规定时间内完成所有信号采集控制功能的控制系统，其控制部分是由外部事件触发的。但是这个定义并不充分，它仅描述了其主要特征，实时控制系统计算和控制的反应时间必须严格限制在被控对象允许的范围(有效采集控制时间)内，在此时间内控制系统的数据不会发生有效的变化，系统必须对这些变化做出及时的响应，以保证系统能有效的避免干扰，这就涉及到了系统的状态参数发生变化的速度和响应速度之间的关系，只有系统的反应时间在有效范围之内才能称为实时，实时系统必须建立在具有快速处理能力的计算机系统的基础上。因此，实时控制系统就是对实时性有苛刻要求的计算机控制系统13。3.1.1 设计的要点根据工业锅炉现有的运行条件和微计算机的特点，在设计其微计算机控制系统时，要着重考虑如下几个方面：1、在生产企业中，工业锅炉通常是现代化连续生产的重要环节之一。一旦锅炉出现故障以至停止供汽，将严重影响生产的其它环节，造成极大的损失。因此，在设计和实施中都应该把可靠性摆在第一位。2、多数工业锅炉用户维护计算机的技术力量都比较薄弱，设计硬件时应尽可能简化硬件系统。要具有较好的可维护性，尽可能以软件代替硬件，以简化硬件系统，减少维护量，提高可靠性，还须有行之有效的自诊断和容错措施。3、要充分考虑到司炉工人的文化水平和技术水平的现状，因为要求所有的使用人员具有计算机的知识和操作技能是不切实际的。所以微计算机系统的使用和操作方法要越简单越好。例如，采用简单的操作方法，CRT 显示采用汉字方式等。4、必须具有较高的性能价格比，这样才能有维护应用的价值。3.1.2 设计的方法在设计小型控制系统时，一般是在提出系统指标要求后就开始着手硬件的设计制作和软件的编写。然而对于复杂的实时控制系统，其难点在于设计规范的建立，系统规范的设计工作量在系统的整个项目的开发设计中占很大比重，因此简单的设计方法往往难以满足要求，需采用规范的实时系统设计方法(如模块化设计方法)，根据用户需求进行系统结构的综合描述，建立详细的系统用户需求模型、系统结构模型及系统规范文件，然后再去具体的实现。实时系统设计的主要特点体现为层次性(Hierarchical )和重复性( Iterative)，前者表示系统开发过程依据一定的层次规程，后者表示系统开发中不断反复考虑用户需求。复杂实时系统设计的主要问题是控制策略的设计，即整个系统需求模型和系统结构模型的设计。其具体设计规程包括:用户需求模型设计;系统结构模型设计:系统硬件设计;系统软件设计;系统集成测试。实时系统的特点决定了其设计方法，在每一步的设计过程中都要采用相应的辅助工具，例如在系统要求模型设计时，要建立系统的数据流图DFD和过程规程PSPEC、控制流图CFD和控制规程PSPEC，在系统的结构模型设计时，采用结构流图AFD和结构模块规程AMS以及结构词典AD、结构连接图AID和结构连接规程AIS等作为辅助工具，通过需求模型和结构模型的设计进而提出整个系统的技术指标，用以指导下一步的硬软件设计。锅炉是一个较复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽适应负荷的变化，生产过程主要参数必须严格控制。主要调节量有：负荷、锅炉给水、燃料量、减水量、送风等。主要输出量有：汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气等。这些输入量与输出量之间是互相制约的。例如，蒸汽负荷变化，必然会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化；燃料量的变化，不仅影响蒸汽压力，还会影响汽包水位，过热蒸汽温度、空气量和炉膛负压等。对于这样复杂的对象，工程处理上作了一些简化，将锅炉控制划分为若干个调节系统。主要调节系统有：汽包水位，燃烧和炉膛负压调节。3.1.2.1 锅炉给水控制回路 给水自动调节的任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内。给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。在整个控制回路中要全面考虑这两方面的任务。在控制回路中被调参数是汽包水位（H），调节机构是给水调解阀，调节量是给水流量（W）。对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量D、炉膛热负荷（燃料量M），给水量（W）。1. 蒸发量D扰动作用下水位对象的动态特性。当给水流量不变，蒸发量忽然增加D时，如果只从物质不平衡角度来看，则反映曲线如图3-1(a)中的H1(t)所示，但由于蒸发量增加时，汽包容积增加，水位将上升，水位的反映曲线如图3-1 (a)中的H2(t) 所示。H1(t)和H2(t)相结合，实际的水位阶跃反应曲线如图3-1 (a)中的H(t)所示。 2. 炉膛负荷扰动（燃料量M扰动）时水位对象的动态特性。燃料量增加M时，蒸发量大于给水量，水位下降。但开始是由于有虚假水位存在，水位线上升，然后再下降。如图3-1 (b)中所示。3. 给水流量（W）扰动时的水位对象的动态特性。当蒸发量不变，而给水量阶跃扰动时。汽包水位如图2(c)所示。在开始阶段。由于刚进入得水水温较低。使汽水混合物中的汽泡吞吐量减少。水位下降，如图3-1 (c)中的H1(t)所示。而H2(t)反映了物质不平衡引起的水位变化，H1(t)和H2(t)相加得到了总的给水量扰动的阶跃反应曲线H(t)。 图3-1 汽泡给水控制回路动态特性图 由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。因此在一般锅炉控制系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如图3-2所示。 图3-2 调节过程方框图 先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D*Dk-W*Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数 Wk为给水流量系数。如果再设定时，保证在稳态下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。反之，当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。 锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压。3.1.2.2 锅炉燃烧调节系统燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联结方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。归纳起来，燃烧过程自动调节系统有三大任务： 维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。 保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。 调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。燃烧调节系统一般有三个被调参数，汽压p、烟气含氧量a和炉膛负压pt。一般有3个调节量，他们是燃料量M，送风量F和引风量Y。燃烧调节系统的调节对象对于燃料量，根据燃料种类的不同可能是炉排电机，也可能是燃料阀。对于送风量和引风量一般是挡板执行机构或变频器。燃烧调节系统是一个多参数变量调节系统。这种调节系统通常把它简化成互相联系，密切配合但又相对独立的3个单变量系统来实现。为便于分析，下面我们按3个系统来分别分析。这三个系统分别是以燃料量维持锅炉压力恒定的蒸汽压力调节系统，以送风量维持锅炉经济燃烧的送风调节系统，以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统21。一蒸汽压力调节对象的特性引起蒸汽压力变化的主要原因是燃料量和用汽负荷发生变化。其动态特性如下。 1. 燃料量扰动下的汽压变化特性 。在用汽负荷不变的情况下，如锅炉燃料量(B)发生B的阶跃扰动，此时汽压的飞升曲线如图3-3 (a)所示。此时对象没有自平衡能力，具有较大的迟滞和惯性。但如果锅炉出口的用汽阀门开度不变，那么由于汽压因燃料量扰动而发生变化时，蒸汽流量也将发生变化。由于汽压变化时，蒸汽流量增大自发地限制了汽压的变化，因此对象有平衡能力。此时汽压的飞升曲线如图3-3 (b)所示。 2. 用汽负荷扰动下的汽压变化特性。负荷阶跃扰动下，汽压变化的动态特性也有下列两种情况：当用汽阀门阶跃扰动时，对象表现出具有自平衡能力，没有延迟，但有较大的惯性，并有一个与阀门变化成比例的启始飞跃，飞升曲线如图3-3 (c)所示；当用汽量阶跃扰动时，其飞升曲线如图3-3 (d)所示，此时对象没有自平衡能力，如果不及时增加进入锅炉的燃料量，那么，汽压将一直下降。图3-3 气压调节对象3.2 PID 控制算法本文用8031单片机实现控制，为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式及其他参数组态进行修改，要求所有的参数及组态状况均可通过面板的几个操作键输入、检查、修改，并可在断电情况下，使参数保存半年。为了便于与上级计算机构成两级控制系统，在单片机控制系统中还加入了通信功能。采用RS-232接口，通信速率为1200b/S、2400b/S、4800b/s和9600b/s等四种波特率，由用户通过键盘自行按需要选择。系统的测量值和所有设定参数均由LED数码管直接显示，读数清晰，直观。控制器的结构如图3-4所示。图3-4控制器结构3.2.1 PID 简介一、PID 调节器按照偏差的比例，积分和微分进行控制的调节器，叫 PID 调节器。它是连续系统中技术成熟，应用最为广泛的一种调节器。结构简单，易于参数调整。二、PID 调节器的特点1、比例调节器比例调节器的优点是反映快，对于干扰有及时而有效的抑制作用。但它有一个不可避免的缺点，即存在静态误差。一旦被调量偏差不存在，调节器输出也就为零。即调节作用是以偏差的存在为前提的。2、积分调节器积分调节器的优点是只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强直到偏差为零。偏差消除以后，输出将停留在新的位置上，而不回复原位。因而能保持静差为零。它的缺点是动作过于迟缓，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节动态品质变坏，过渡过程时间延长，甚至造成系统的不稳定。3、微分调节器它的优点是能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽之中12。缺点是它对静态偏差毫无抑制作用。以上三种调节器组合起来，组成比例+积分+微分作用的调节器，称 PID 调节器。这种 PID 调节器，其微分作用主要用来加快系统的动作速度，减少超调，克服振荡。积分作用主要用来消除静差。PID 调节器的突出优点为：（1）技术成熟PID 调节器是连续系统中技术最成熟，且应用最广泛的一种控制方法。它结构灵活，不仅可以用常规的 PID 还可以根据系统的要求，采用各种 PID 的变种，如 PI、PD 等。（2）易被人们熟悉和掌握生产技术人员及操作人员都比较熟悉它并在实践中积累了丰富的经验，特别是一些工作时间较长的工程技术人员。（3）不需求出数学模型到目前为止，仍有许多工业对象很难或根本得不到数学模型。应用直接数学控制方法比较困难甚至根本不可能，所以必须用 PID算法。（4）控制效果好计算机控制是高效的，对于时间常数比较大的系统来说，是近似于连续变化的。因此用数字 PID 完全可以替代模拟调节器。所以数字方式模拟 PID 仍是目前应用比较广泛的方法3。3.2.2 PID控制算法的改进在实际控制系统中，控制变量实际输出值往往受到执行机构性能的约束（如放大器的饱和），而被限制在有限的范围内，即： (3-1)其变化也限制在一定范围内，即： (3-2)如果计算机输出的控制变量n在上述范围内，那么 PID 控制可以达到预期的效果。一旦超出上述范围（如超出蒸汽阀门的最大开度），则实际执行的控制量就不再是计算值，由此将引起不期望的效应，称为饱和效应。为了克服积分饱和，有以下几种改进的 PID控制算法，下面分析介绍。一、遇限制削弱积分法这种方法的思想是：一旦控制变量进入饱和区，停止增大积分项。具体说，在算时，特别注意上一时刻的控制量yi-1是否超出限制。如果已超出，那么将根据偏差的符号，判断系统输出是否在超调区域，由此决定是否应将相应偏差计入积分区，如图 3-5 所示：图 3-5 遇限制削弱积分法克服积分饱和图3-6采用遇限制积分削弱法PID算法框图 二、积分分离法减小积分饱合的关键在于不能使积分项过大，上面的修正方法是一开始就积分，在进入限制范围内即停止积累。积分分离法在开始时不进行积分，直到偏差达到一定值后才开始进行积分。如图 3-7所示（a不采用积分分离法，b采用积分分离法）。当误差的绝对值小于预定的门限值时，才进行积累。图 3-7 积分分离法克服积分饱和这样一方面防止了一开始就有过大的控制量，另一方面即进入饱和后，因积分累积小，也能较快退出，减少了超调。积分分离法框图如图 3-7 所示。当误差在门限外时，该算法相当于比例微分调节器。只有在门限范围内，积分才会起作用，以消除系统误差。图 3-7 采用积分分离法框图三、有效偏差法当控制量u超出范围时，控制量实际上只能取边界值，即 或 (3-3)有效偏差法是将相应于实际输出的控制变量的误差值计入积分项，而不是将实际测得的误差值计入积分项。当计算出的控制量超出限制范围时，如果实际实现的控制量为u =u （上限值或下限值），则当u时应有效误差可按下式计算出，即： (3-4)有效偏差法程序框图如图 3-9 所示。在 PID 位置算法中，除了对控制量的限制外，对控制量变化率的限制也会引起饱和，可用类似的方法加以消除。本次设计中为了克服积分饱和，我们采用了积分分离法。图 3-9 有效偏差的算法程序框图3.3 系统硬件设计3.3