基于单片机的余热锅炉汽包水位控制系统设计【毕业设计】.doc

I 摘摘 要要 汽包水位是影响余热锅炉安全运行的一个重要参数。汽包水位过高或过低 的后果都是非常严重的。因此对汽包水位必须进行严格控制。单片机技术的快 速发展使得单片机广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制性能。 本设计从分析影响汽包水位的各种因数出发，提出了采用汽包水位三冲量 控制系统方案。按照工程整定的方法，进行了 PID 参数整定，并以 MATLAB 为仿真平台进行仿真，仿真结果表明此控制系统具有较高的调节质量和调节精 度，能够维持汽包水位的稳定。根据控制要求和所设计的控制方案进行了系统 的硬件设计，利用了单片机的编程实现控制算法并进行系统的软件设计，最终 完成单片机在余热锅炉汽包水位控制系统中的应用。 关键词：汽包水位 三冲量控制 单片机 PID 控制 ABSTRACT Drum water level is an important parameter influencing the safe operation of the surplus energy boiler. The consequences are very serious when the water level is II too high or too low. So the drum water level must be strictly controlled. The rapid development of SCM technology makes it widely used in control field and it improves the performance of control greatly. According to the influence of various factors on the drum water level, this design adopts the three impulse control system scheme of drum level. According to the method of engineering tuning, the design adopts the tuning of PID parameters and uses MATLAB as the simulation platform. The simulation results show that this control system has high quality regulation and it can maintain the stability of the drum level. According to the control requirements and the design scheme of the control system, the hardware design was carried out. The software design of the system uses SCM programming control. Finally, we can finish that the drum water level of the surplus energy boiler is controlled based on SCM. Keywords: water level of the steam drum three impulse control SCM PID control I 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACT.II 第第 1 章章 绪论绪论 .1 1.1 本设计研究的目的和意义1 1.2 国内外发展情况 3 第第 2 章章 余热锅炉汽包水位的设计余热锅炉汽包水位的设计 .5 2.1 汽包水位控制系统的动态特性分析5 2.1.1 保持汽包正常水位的意义5 2.1.2 被控参数与控制变量选择6 2.1.3 在给水流量扰动下的动态特性8 2.1.4 在蒸汽流量扰动下的动态特性9 2.2 控制系统的方案 11 2.2.1 单冲量控制系统12 2.2.2 双冲量控制系统13 2.2.3 三冲量控制系统15 2.2.4 方案选择16 2.3 建立数学模型 16 2.3.1 汽包水位控制系统的数学模型17 2.3.2 测量变送环节的传递函数18 2.3.3 执行机构的传递函数19 2.4 仪表的选择与各变送器转换系数的确定19 2.4.1 流量变送器转换系数的计算19 2.4.2 给水调节阀转换系数的计算20 2.4.3 液位变送器转换系数的计算20 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 .21 3.1 A/D 转换电路.22 3.2 I/V 变换电路.23 II 3.3 D/A 转换电路.24 3.3.1 DAC0832 的简介25 3.3.2 AT89C51 与 DAC0832 的接口电路设计26 3.4 V/I 变换电路.27 3.5 AT89C51 对 LCD 的接口电路28 3.6 声光报警电路 29 3.7 AT89C51 的最小系统30 3.7.1 复位电路31 3.7.2 时钟电路32 3.7.3 电源电路33 3.8 上位机与 AT89C51 的通信34 第第 4 章章 软件设计软件设计 .36 4.1 程序流程设计 36 4.1.1 系统主程序流程图36 4.1.2 系统的初始化子程序37 4.1.3 A/D 转换检测子程序 .38 4.1.4 增量型 PID 控制算法子程序42 4.1.5 D/A 转换监控子程序 .46 4.1.6 报警子程序流程图46 第第 5 章章 PID 参数整定及仿真参数整定及仿真48 5.1 PID 控制器参数整定48 5.2 系统仿真分析 51 总总 结结 .54 致致 谢谢 .55 参考文参考文献献 .56 附录附录 1: VI 电路仿真图电路仿真图.58 附录附录 2: 硬件电路大图硬件电路大图.59 III CONTENTS ABSTRACT(chinese).I ABSTRACT.II Chapter 1 Introduction 1 1.1 This design research purpose and meaning.1 1.2 The development situation at home and abroad. 3 Chapter 2 Design of the boiler steam water level .5 2.1 Dynamic analysis of steam water level control system.5 2.1.1 Maintain normal steam water level of significance5 2.1.2 The choice of parameters and control variables.6 2.1.3 The dynamic characteristics of under water disturbance .8 2.1.4 The dynamic characteristics of under steam disturbance.9 2.2 Scheme of the control system .11 2.2.1 Single pulse control system .12 2.2.2 Double pulse control system .13 2.2.3 Three impulse control system 15 2.2.4 Scheme selection16 2.3 Mathematical model is set up .16 2.3.1 Mathematical model of steam water level system .17 2.3.2 Measuring the transfer function of the part .18 2.3.3 The transfer function of the actuator .19 2.4 Instrument selection and determination of coefficient 19 2.4.1 The calculation of transmitter conversion coefficient .19 2.4.2 The calculation of water regulating conversion coefficient.20 2.4.3 The calculation of transmitter conversion coefficient .20 IV Chapter 3 Hardware circuit design .21 3.1 A/D conversion circuit 22 3.2 I/V transform circuit .23 3.3 D/A conversion circuit 24 3.3.1 The summary of DAC0832 .25 3.3.2 AT89C51 and DAC0832 interface circuit design .26 3.4 V/I conversion circuit .27 3.5 AT89C51 interface circuit of LCD .28 3.6 Sound and light alarm circuit 29 3.7 The minimum system of AT89C51 30 3.7.1 Reset circuit .31 3.7.2 Clock circuit 32 3.7.3 Power supply circuit 33 3.8 Upper machine communication with AT89C51 .34 Chapter 4 Software design .36 4.1 Program design .36 4.4.1 The system main program flow chart 36 4.1.2 The initial system, anti-fuzzy process .37 4.1.3 A/D conversion detection subroutine 38 4.1.4 Increment type PID control calculate way 42 4.1.5 D/A conversion control subroutine .46 4.1.6 Alarm subroutine flow chart 46 Chapter 5 the PID parameter setting and the simulation .48 5.1 The PID controller parameter setting .48 5.2 System simulation analysis51 Introduction .54 Acknowledgements .55 V References 56 Appendix 1 .58 Appendix 2 59 1 第 1 章 绪论 随着计算机科学和自动化水平的不断提高，在各种应用领用中都大量采 用计算机控制系统。计算机控制系统的应用使得科学研究、工农业生产和工艺 实践的效率大大提高，同时也大幅度提高了产品和成果的质量。特别是单片机 控制系统，作为嵌入式系统的一个主流发展方向，在功能、可靠性、实时性和 控制算法等方面得到了快速发展。 1.1 本设计研究的目的和意义 节约资源，保护环境是我国的基本国策。做好节能减排工作，是贯彻落 实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重案措施，是建设资源节约型、环境 友好型社会的必然选择。当前，全社会都在开展节能降耗，缓解能源压力，建 设节能型社会，而工业余热资源的回收利用是节约能源的重要措施，且烟气余 热在工业余热中占有很大比重，且节能潜力巨大，如不加以利用，将造成极大 地浪费。随着能源供应的紧张，为了更好更充分地利用资源和减少能源浪费， 一些企业不断提高“节能增效、降耗增产”的意识。因此，余热锅炉作为“降 耗、增效”的首选设备不断在能源消耗大的钢铁、化工、建材等行业得到用户 的青睐。同时各个锅炉厂家对余热锅炉的开发力度和深度也逐渐加大，不断开 发出高性能的产品来占领和扩大市场份额。 余热锅炉-HRSG，顾名思义是利用余热产生蒸汽的锅炉。 “余热”是在工 业生产中未被充分利用就排放掉的热量，它属于二次能源，是一次能源和可燃 物料转换后的产物。它与传统意义上的锅炉相比仅有“锅”而没有“炉” ，即 没有燃烧器，如果需要高压高温的蒸汽，可以在余热锅炉内装一个附加燃烧器， 通过燃料的燃烧使整个烟气温度升高，能够产生高参数的蒸汽。由于“余热” 种类的多样性使得余热锅炉的结构形式各式各样，不尽相同。余热锅炉按“余 热”种类可分为高温烟气余热锅炉、高温炉渣余热锅炉、高温废气废热余热锅 2 炉、高温产品余热、化学反应余热锅炉、冷却介质余热锅炉、冷凝水余热锅炉。 其中高温烟气余热锅炉是最常见的一种余热锅炉。余热锅炉是一个较为复杂的 控制对象，生产过程中的各个主要参数都必须严格控制。其中，汽包水位就是 影响锅炉安全运行的一个很重要的监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水 之间的平衡关系。 余热锅炉汽包水位高度是确保生产和提供优质蒸汽的重要参数。维持汽 包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主 要指标之一。首先，水位过高会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸气将会带水 过多，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽的温度严重下降。如以此过热 蒸汽被用户用来带动汽轮机，则将因蒸汽带液损坏汽轮机的叶片，造成运行的 安全事故。然而，水位过低，则因汽包内的水量少，而负荷很大，加快水的汽 化速度，使汽包内的水量变化速度很快，若不及时加以控制，将有可能使汽包 内的水全部汽化，尤其对于大型锅炉，水在汽包内的停留时间极短，从而导致 水冷壁烧坏，引起爆炸。所以，必须对汽包水位进行严格的控制。 锅炉汽包水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持 平衡，维持汽包内水位在允许的范围内变化。随着电子产品的降价及自动化生 产线工艺控制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业准备将自己的核心生产线 改成全自动化生产线或者对个别关键工艺参数采用自动控制。工业应用自控技 术在中国的推广使用较晚，但近年来发展较快。国内现在做汽包水位自动控制 系统方面的设计公司很多，但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三 者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在工业应用中的重 要地位和作用。 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，本设计将通过单片机对锅炉汽包水位进行控制。 3 1.2 国内外发展情况 随着科学技术的发展，微型计算机控制锅炉水位得到很多企业的认可。 其特点是：控制功能通过内部的控制程序来实现，人们只需改变这些程序，就 可以改变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到的一个很重要的课题。 目前，国内外汽包水位控制主要采用三冲量控制、模糊控制及 PID 自校 准自调整的比较多，特别是前两种，其中三冲量水位自动控制系统引进蒸汽流 量和给水流量作为控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，因此得到 广泛应用；模糊控制主要是朝智能化方向发展，表现在模糊控制和智能控制的 结合，采用遗传算法优化模糊控制等，主要解决的问题是：规整的完整性、规 则的优化和控制系统的稳定性；PID 自调整、自校正主要采用不同的优化方法 对参数进行自调整；预测函数控制、广义预报自适应控制、模型参考自适应控 制等基于模型的控制方法发展的比较少，具体在实际应用中应用的则更少。前 叙的各种汽包水位控制策略各有优缺点，引入汽包水位噪声的因素，并基于这 些控制策略开发新的控制策略将是项很有意义的工作，也是可行的1。 本设计采用的是烟道式余热锅炉，其型号为,表70/95/7 . 02 . 450040Q 示利用洁净烟气所携带的显热，进入锅炉的烟气流量为 40000，烟气温hm3 度为 500，锅炉额定热功率为 4.2MW、热水设计工作压力为 0.7MPa、额定 出口水温度为 95，进口水温度为 70的热水余热额锅炉。 4 第 2 章 余热锅炉汽包水位的设计 余热锅炉是一个复杂的控制对象，它是一个多输入多输出且相互关联的 控制对象。其中以锅炉给水量作为输入，汽包水位作为输出的给水自动控制系 统就是一个典型的控制过程。本章主要介绍余热锅炉汽包水位的总体设计。 2.1 汽包水位控制系统的动态特性分析 2.1.1 保持汽包正常水位的意义保持汽包正常水位的意义 锅炉运行中，汽包水位过高过低都会给锅炉和汽轮机的安全运行带来严 重的威胁。 汽包水位过高，汽包空间缩小，会引起蒸汽中的水分增加，蒸汽品质恶 化；容易造成过热器管内积盐垢，管子过热损坏；汽包严重满水时，会造成蒸 汽大量带水，引起蒸汽管道和汽轮机产生严重的水冲击，甚至打坏汽轮机叶片。 汽包水位过低，将可能破坏水循环，水冷壁管超温过热；严重缺水时， 还可能造成更严重的设备损坏事故。 所以，锅炉运行中，对水位监视不严，操作不当，都会造成巨大的损失。 尤其是现代大型锅炉，与蒸发量相比汽包中的存水量是不多的，允许变动的水 量更少。如果给水中断而继续运行，则在 1030s 内，汽包水位计中的水位就 会消失或降到危险水位。即使是给水量与蒸发量不相适应，也会在几分钟内发 生锅炉缺水或满水事故2。 一般汽包正常波动范围为土 50mm。 2.1.2 被控参数与控制变量选择被控参数与控制变量选择 余热锅炉给水自动调节的任务是，给水量跟随蒸发量的变化而变化并维 5 持汽包水位在工艺范围内。 余热锅炉汽包水位控制系统以汽包水位作为被控量，以给水调节阀作h 为调节机构来改变给水量，以达到保持汽包水位在允许范围内的目的。其结构 框图如图 2-1 所示： 1 2 34 56 7 8 余热 图 2-1 余热锅炉的汽水系统 1给水母；2给水控制阀；3省煤器；4汽包；5下降管；6上 升管；7过热器；8蒸汽母管 根据锅炉汽包水位的动态特性来设计汽包水位的自动调节。给水流量和 蒸汽流量的阶跃变化是引起水位变化的主要因素。调节器根据水位测量值与设 定值的偏差去控制给水阀的开度，就能对水位起到调节作用。 锅炉汽包水位不仅受到给水量和蒸汽流量之间的平衡关系的影响，还受 到水循环管路内汽水混合物中汽水体积的变化的影响。汽包水位不仅反映了h 水面下气泡的体积，还反映了汽包（包括水循环的管路）中的蓄水体积。水面 下气泡的体积还与锅炉负荷即蒸汽压力有关。综合看来，影响汽包水位变化的 因素主要有以下四个方面： 余热锅炉蒸汽负荷的变化； 余热锅炉蒸汽压力的变化； 包括给水调节阀开度的变化和给水母管压力的变化在内的给水扰动； 6 包括影响余热发热量变化的其他在内的余热的变化； 蒸汽发生过程中汽包内部的体积可看成水的体积、蒸发面以下的蒸汽 v V 体积和蒸发面以上的蒸汽体积三部分组成，其中蒸发面以下的汽水体积 s V D V 由和构成。燃料量对水位的影响有较大的容量滞后性和传输滞后性，变 s V v V 化相当缓慢，可忽略不计；蒸汽负荷变化往往引起汽包压力的变化，所以压力 变化可归类到蒸汽负荷中去，因此压力变化对汽包水位的影响可忽略不计。 经理论推导和化间，汽包水位动态特性方程式可表示为如下： （2-1） DD D DWW W W uK dt du TuK dt du T dt dh T dt hd TT 1 2 2 21 式（2-1）中： 汽包水位；h 、时间常数，单位 s(秒)； 1 T 2 T 锅炉蒸汽流量，单位；DhT 锅炉给水流量，单位；WhT 给水流量项的时间常数，单位 s(秒)； W T 蒸汽流量项的时间常数，单位 s(秒)； D T 给水流量项的放大倍数； W K 蒸汽流量项的放大倍数； D K ；。 max D D uD max W W uW 通过锅炉汽包水位的动态微分方程，我们可以得到：影响汽包水位的主 要因素是蒸汽流量和给水流量的扰动。 2.1.3 在给水流量扰动下的动态特性在给水流量扰动下的动态特性 当给水量发生变化，蒸汽流量不变时，根据式（2-1） ，汽包水位调节对 象的运动方程可表示为： WW W W uK dt du T dt dh T dt hd TT 1 2 2 21 （2-2） 7 对式（2-2）进行拉氏变换，可得： （2-3） sUKssUTssHTsHsTT WWWW 1 2 21 汽包水位调节对象在给水扰动下的传递函数可由式（2-3）变化得到： （2-4） 1 21 sTsT KsT sU sH sG WW W W 在实际工程中，对于蒸汽压力小于 2.0MP 的中压以下的锅炉，给水量项 的时间常数一般较小，可忽略不计，因此式（2-4）可简化为： （2-5） n sTssW sH 1 2 式中为飞升速度，即给水流量变化单位流量时水位的变化速度，。 1 T KW ht smm 从式（2-5）可看出，汽包水位在给水流量作用下的动态特性，是由惯性 环节和一个积分环节组成。 图 2-2 是给水流量作用下水位变化的阶跃响应曲线。如果把汽包和给水 看作单容量无自衡对象，水位阶跃响应曲线将如图 2-2 中的 H1 线。 由于给水温度变化要比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后， 需从原有饱和水中吸收部分热量，使水位下汽包容积减少。当水位下汽包容积 的变化过称逐渐平衡时，水位则因汽包中储水量的增加而上升。最后当水位下 汽包容积不再变化时，水位变化就完全反应了因储水量的增加而直线上升。所 以图中 H 线是水位的实际变化曲线。在给水量作阶跃变化后，汽包水位不马 上增加，而呈现一段起始惯性线。 2.1.4 在蒸汽流量扰动下的动态特性在蒸汽流量扰动下的动态特性 如果给水流量保持不变，蒸汽流量发生阶跃变化时，根据式（2-1） ，此 时汽包水位的动态特性微分方程可表示为： DD D D uK dt du T dt dh T dt hd TT 1 2 2 21 （2-6） 8 对式（2-6）进行拉氏变换，可得： （2-7） sUKssUTssHTsHsTT DDDD 1 2 21 蒸汽扰动下汽包水位调节对象的传递函数可由式（2-7）变化得到： （2-8） 1 21 sTsT KsT sU sH sG DD D D 式（2-8）可等效为两个动态环节的和: （2-9） n f D D sT K s K sU sH sG 1 2 2 式（2-9）中： 122 TTTKK DD 1 TKK Df 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道的动态特性。在蒸 汽流量干扰作用下，水位变化的阶跃响应曲线如图 2-2 与图 2-3 所示： W H H H1 t t 图 2-2 给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线 9 D H H2 H1 H t t 图 2-3 蒸汽流量扰动下的水位阶跃响应曲线图 当蒸汽流量 D 突然增加，在燃料不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系 来看，蒸汽流量 D 大于给水流量 W，水位变化应如图中的曲线 H1。但实际情 况并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力的下降。汽包内水 沸腾突然加剧，产生内蒸，水中气泡迅速增加，因汽包容积增加，而使水位变 化的曲线如图中的 H2。而实际显示的水位响应曲线 H 为 H1 和 H2 的叠加， 即 H=H1+H2 。从图 2-3 中可看出，当蒸汽变量加大时，虽然锅炉的给水量小 于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后再下降；反之， 蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升。这种现象称之为“虚假水位” 。 （2-10） 1 2 221 sT K s K sD sH sD sH sD sH f 式（2-10）中： K飞升速度，即在蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，； f ht smm K 响应曲线 H 的放大系数； 22 T 响应曲线 H 的时间常数。 22 虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关。对于一般 100300t/h 的中高压锅炉，当负荷变化 10%时，虚假水位可达 3040mm。虚 10 假水位现象属于反相特性，给控制带来一定的困难，在控制方案设计时，必须 引起注意3。 2.2 控制系统的方案 汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领 域的一个典型的难问题。随着控制理论、控制技术和现代控制方法的发展，锅 炉自动化控制的水平也在逐渐提高。期间主要经历了上世纪三四十年代单参数 仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合综合参数仪表控制，以及六十年代兴 起的计算机控制等几个阶段。通常有如下几种方案： 1.单冲量控制系统：即汽包水位的单回路水位控制系统。 2.双冲量控制系统：即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号。 3.三冲量控制系统：是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构 成。 2.2.1 单冲量控制系统单冲量控制系统 单冲量控制系统即汽包水位的单回路水位控制系统，图 2-4 所示是典型 的单回路控制系统。这里的冲量一词指的是变量，单冲量即汽包水位。图 2-5 是单冲量水位控制系统框图。 11 蒸蒸汽汽流流量量D 给给水水W 省省煤煤器器 LC LT 汽汽包包 图 2-4 单冲量水位控制系统工艺流程图 调节器 变送器 汽包水位 水位设定值 调节阀汽包水位 - + 图 2-5 单冲量水位控制系统框图 这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长、负荷变化小的小 型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证锅炉的安全运行。 但是，单冲量控制系统存在三个问题。 1.当负荷变化产生虚假水位时，将使控制器反向错误动作。例如，蒸汽 负荷突然大幅度增加时，虚假水位上升，此时控制器不但不能开大给水阀，增 加给水量，反而关小控制阀，减少给水量。等到虚假水位消失时，由于蒸汽量 增加，送水量反而减少，将使水位严重下降，波动厉害，严重时甚至会使汽包 水位降到危险程度而发生事故。因此这种系统克服不了虚假水位带来的严重后 果。 2.对负荷不灵敏。负荷变化时，需引起汽包水位变化后才起控制作用。 12 由于控制缓慢，导致控制质量下降。 3.对给水干扰不能及时克服。当给水系统出现扰动时，同样需等水位发 生变化时才起控制作用，干扰克服不及时4。 为了克服上面三个问题，除了依据汽包水位之外，也可依据蒸汽流量和 给水流量的变化来控制给水阀，将能获得良好的控制效果，这就产生了双冲量 和三冲量水位控制系统。 2.2.2 双冲量控制系统双冲量控制系统 针对单冲量控制系统不能刻服的虚假水位的影响，如果引入蒸汽流量来 起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且也能使控制阀及时动作， 从而减小水位的波动，大大改善了控制品质。考虑到蒸汽负荷的扰动可测而不 可控，因此可将蒸汽流量信号引入系统作为前馈信号，与汽包水位组成前馈- 反馈控制系统，通常称为双冲量控制系统。其中一个冲量是汽包水位，另一个 冲量是蒸汽流量。图 2-6、图 2-7 是典型的双冲量控制系统的原理图及框图。 图 2-6 双冲量控制系统的原理图 调节阀 液位变送器 汽包水位 蒸汽流量变送器 调节器 + - + - 水位设定值 汽包水位 蒸汽流量D Ic If 图 2-7 双冲量控制系统的原理图及框图 13 双冲量控制由于有以上特点，所以能在负荷频繁变化的工程下较好的完 成水位控制任务。在给水流量比较平稳时，采用双冲量控制是能够达到控制要 求的。 双冲量水位控制系统存在的问题是：控制作用不能及时的反映给水方面 的扰动，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位变化时才通过调节器作用执行 器进行调节，滞后时间长，水位波动较大。因此，如果给水母管压力经常有波 动，给水调节阀前后压差不能保持正常时，不宜采用双冲量控制5。 2.2.3 三冲量控制系统三冲量控制系统 双冲量水位控制相对于单冲量控制，控制品质有很大改善。但双冲量水 位控制系统仍存在两个问题，一是调节阀的工作特性不一定为线性特性，要做 到完全静态补偿比较困难；其次是给水压力扰动对汽包水位的影响不能及时消 除。为此，可在双冲量水位控制系统的基础上，把给水流量信号引入，构成三 冲量控制系统。 所谓三冲量，指的是引入三个测量信号：汽包水位、给水流量、蒸汽流 量。它是以汽包水位 H 为主控信号，其中蒸汽流量 D 为前馈控制信号，给水 流量 W 为反馈控制信号组成的控制系统。这个系统对上述两种方案取长补短， 极大的提高了水位控制质量。例如，当耗气量 D 突然阶跃增大时，一方面由 于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节机构减少给水量； 另一方面，D 的增大又通过比值控制作用指挥调节机构增加给水量。实际给水 量是增加还是减小，取决于系统参数的整定。当假水位现象消失后，水位和蒸 汽信号都能正确地指挥调节机构动作。只要参数整定合适，当系统恢复平衡状 态以后，给水流量必然等于蒸汽流量，水位 H 也会维持在设定值。从另一个 角度来看，这也是一个前馈反馈复合控制系统。 必须指出，引入蒸汽流量信号只是削弱了假水位期间调节机构的误动作， 并不能消除假水位现象，并且由于水位 H 对负荷（蒸汽量）扰动 D 的响应速 14 度要比对基本扰动 W 的响应速度快的多，因此，在外部扰动下被调量的变化 幅度还是比较大，必须对负荷变化的幅度加以限制。系统框图为图 2-8 所示。 变送器 调节机构 变送器 变送器 汽包 调节器 H D +- + + - r H W 图 2-8 单级三冲量控制系统框图 三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制 品质最好，能有效地满足系统快速性、稳定性和准确性的要求，能有效地避免 “虚假水位”现象。与单冲量和双冲量控制系统相比其不足是：系统成本高、 系统复杂、不容易整定6。 2.2.4 方案选择方案选择 通过以上方案的比较，我选择了汽包水位三冲量控制系统。其具有如下 优点： 1.相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统 对快速性、稳定性、准确性的要求。 2.能有效地避免“虚假水位”现象。 2.3 建立数学模型 现在把图 2-8 所示的控制系统以传递函数方框图的形式重画成图 2-9。 15 W K H K sGp K s Gc D K H W D r H+ - + - 图 2-9 单级三冲量控制系统方框图 其中： 水位设定值； r H H水位值； W给水流量； D蒸汽流量； 调节器传递函数； sGc 被控对象传递函数； sGp 执行机构传递函数； K 、给水流量、蒸汽流量和锅炉水位等测量装置的传递函 W K D K H K 数。 从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个由给 水流量 W、给水变送器、调节器和执行机构组成的内回路；另一个是由汽包 水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量 D 及其蒸汽流量变送器未包含在 这两个闭合回路之内，但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作 的稳定性7。 2.3.1 汽包水位控制系统的数学模型汽包水位控制系统的数学模型 通过实验可得： 16 该对象输入为给水流量，输出为锅炉汽包水位，可近似为无自衡非振荡 过程。在给水流量单位阶跃扰动下，水位反应曲线的飞升速度，即水位的变化 速度=0.0529。为了提高仿真的速度，取 n=1。一阶滞后环节的时间 0 Ksmm 常数经测量为=8.5s。因此给水流量 W 与水位 H 的传递函数为： 2 T 2 T = （2-11） sGp 15 . 8 0529 . 0 sssW sH 在蒸汽流量单位阶跃扰动下，水位变化的响应速度，smmKf0747 . 0 增益系数,滞后环节的时间常数，n=2，故蒸汽流量 D 与613 . 2 2 KsT7 . 6 2 水位 H 的传递函数为： （2-12） sssD sH sGD 0747 . 0 17 . 6 613 . 2 2 2.3.2 测量变送环节的传递函数测量变送环节的传递函数 测量变送环节由于存在一定的容量滞后，所以它的特性可以用一阶惯性 环节（非周期环节）来描述，其传递函数为 （2-13） 1 sT K sG m m m 式（2-13）中 为测量变送环节的放大倍数，与其量程有关； m K 为测量变送环节的时间常数，与其容量有关。 m T 受测量元件安装位置的限制，被测参数变化的信号传递到检测点需要花 费一定的时间，因而就产生了测量纯滞后。此时描述测量变送环节特性的 m 传递函数可写成: （2-14） s m m m m e sT K sG 1 在控制系统分析时，考虑到、值相对于被控过程特性有时是较小的， m T m 甚至可忽略不计，此时测量变送环节就被近视作为一个放大环节（）来处 m K 理。 17 2.3.3 执行机构的传递函数执行机构的传递函数 执行器接受控制器的命令执行控制任务，由于在石油、化工等过程控制 中，执行器最终是以阀门的形式出现，所以，执行器往往被称为控制阀或调节 阀。他的特性经常也用一阶惯性环节来描述，传递函数为: （2-15） 1 sT K sG v v v 式（2-15）中： 为执行器的放大倍数； v K 为执行器的时间常数； v T 同测量变送环节一样，在控制系统分析时，考虑到值相对于被控过程 v T 有时较小或可忽略不计，此时执行器也被近视作为一个放大环节()来处理8。 v K 2.4 仪表的选择与各变送器转换系数的确定 本系统共需要选择三个检测仪表以及一个线性给水调节阀。 选用的流量变送器的量程为 500T/h，液位变送器的量程为 600mm 水柱， 所有变送器均采用的 DDZ-III 型组合仪表，其标准信号为 420。水位mADC 检测变送器可采用 1151 差压式变送器；流量变送器可采用涡街式流量计；给 水调节阀采用电动的。 2.4.1 流量变送器转换系数的计算流量变送器转换系数的计算 根据控制方案可知流量变送器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信 号可以有效的改善控制质量，因此合理选择流量传感器是很重要的。 根据所给设计的目标，给水流量测量范围：0500T/h，选择输入量程所 对应的给水流量为 500T/h，输出量程为 420mA。 = w K hT mA 032 . 0 0500420 （2-16） 18 根据所给设计的目标，蒸汽流量测量范围：0500T/h，选择输入量程所 对应的蒸汽流量为 500T/h，输出量程为 420mA。 = （2-17） d K hT mA 032 . 0 0500420 2.4.2 给水调节阀转换系数的计算给水调节阀转换系数的计算 此系统的执行器选择调节阀，因为它可以直接改变给水量，反应时间短， 有利于系统控制品质的改善，它是控制系统的一个很重要的环节，它接收控制 器的输出信号，执行最终任务。 选择线性电动调节阀，输入量程为 420mA，输出量程为 0550T/h。 = （2-18） u K mA hT 375.344200550 19 2.4.3 液位变送器转换系数的计算液位变送器转换系数的计算 由于本设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的 准确测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理地选择水 位变送器在水位控制系统中有关键作用。根据设计要求可知，水位的测量范围 为-300300mm9。 根据题目所给的余热锅炉汽包水位测量范围：-300300mm，输出为 420mA。 =0.027 （2-19） h K300300420 mm mA 20 第 3 章 硬件电路设计 本设计采用 AT89C51 作为核心控制芯片,及其相关硬件来实现余热锅炉 汽包水位的控制。图 3-1 为三冲量余热锅炉汽包水位控制系统整体框图。 单片机 A/D转换 电路 上位机 汽包水位 给水流量 蒸汽流量 电源模块 D/A转换 电路 故障报警 电路 给水调节阀 键盘 液晶显示 图 3-1 三冲量余热锅炉汽包水位控制系统整体框图 在信号检测的过程中，汽包水位信号、蒸汽流量信号和给水流量信号， 它们经过各自的变送器再作 I/V 变换，转换成 05V 的标准信号，接入 A/D 转换电路进行 A/D 转换并送入单片机，这些信号在单片机中进行数据处理并 与给定值比较，该系统还配有一路控制信号的输出端口，即通过 D/A 转换电 路把比较结果转换为一路模拟电压控制信号输出，考虑到电压信号不利于远距 离传输，并且多数电动阀门的控制信号为电流信号，所以本设计还配有一个 V/I 转换器，把电压控制信号转换成标准的 420mA 电流信号，用于控制阀 门的开度。当自动控制系统出现故障或水位越限时，报警系统将启动，待排除 故障后系统恢复自动控制方式。这种控制方式简单，操作方便，可靠性高。 21 3.1 A/D 转换电路 通过传感器检测到的信号，经过放大滤波后，必须将连续变化的模拟量 转换成离散的数字量，才能输入到单片机中进行处理。实现模拟量变换成数字 量的设备为模/数转换器（ADC）简称 A/D。本设计采用的是串行 A/D 转换器 TLC1543。 TLC1543 采用 20 脚 DIP 封装，引脚排列如图 3-2 所示。其中 A0A10 为 11 个模拟输入端；REF+（通常为 VCC）和 REF-（通常为地）为基准电压 正负端；CS 为片选端，在 CS 端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制 和使能 ADDRESS、I/O CLOCK 和 DATA OUT；ADDRESS 为串行数据输入 端，是一个 4 位的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压； DATA OUT 为 A/D 转换结束三态串行输出端；I/O CLOCK 为数据输入/输出 提供同步时钟。 A8 9 GND 10 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 VCC 20 EOC 19 I/O CL OCK 18 ADDR ESS 17 DATA OUT 16 CS 15 REF+ 14 REF- 13 A10 12 A9 11 图 3-2 TLC1543 的引脚排列 TLC1543 与 AT89C51 采用串行数据通信，芯片的 3 个输入端和 1 个输出 端与 AT89C51 的 I/O 口可直接连接，具体连接方式如图 3-3 所示。这里将 TLC1543 作为外部扩展串行 I/O 口，由 P1.6 来接收 A/D 转换结果，P1.5 来控 制转换地址选择，P1.7 控制片选信号，P1.4 来发送脉冲信号给 TLC154310。 当 P1.7=1 时，工作状态被禁止，当 P1.7=0 时，TLC1543 开始数据转换。 22 I/O CLOCK 和 ADDRESS 使能，DATA OUT 脱离高阻状态。随后，CPU 向 P1.5 端提供 4 位通道地址。同时,P1.4 口从 CPU 接受 10 个时钟长度的时钟序 列。前 4 个时钟从 P1.5 端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后 6 个时 钟对模拟输入的采样提供控制时序。最后，CPU 从 P1.6 端接收前一次 A/D 转 换结果。 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0/R XD 10 P3.1/T XD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.5/T 1 15 P3.6/W R 16 P3.7/R D 17 XTAL 1 18 XTAL 2 19 VSS 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 P1.5 6 P3.4/T 0 14 AT89C 51 A8 9 GND 10 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 VCC 20 EOC 19 I/O CL OCK 18 ADDR ESS 17 DATA OUT 16 CS 15 REF+ 14 REF- 13 A10 12 A9 11 TLC15 43 +5V +5V 图 3-3 AT89C51 与 TLC1543 的接口电路 3.2 I/V 变换电路 由于现场变送器的输出信号为 420mA，所以需要设计电流电压转换电 路，将 420mA 转换成标准电压信号 15V,然后再将电压信号输入到采样保 持器中，让 TLC1543 接受标准统一的 15V 电压信号。I/V 变换器主要是利 用有源器件运算放大器、电阻组成，电路如图 3-4 所示。利用同相放大电路， 把电阻 R1 上产生的输入电压变成标准的输出电压。 根据虚短虚断的概念有： ， np vv 0 np ii 图 3-4 可知，该同相放大电路的放大倍数为： （3-1） 3 4 1 3 43 R R R RR v v A i o v 23 若取 R3=100,R4=25,R1=200,则 420mA 输入对应于 15V 的KK 电压输出。 1 2 3 411 LM324 -12V +12V R1 200C1 1.0uF R2 100K R3 100K R4 25K R5 1K I V 图 3-4 I/V 变换电路 通过上面电路的转换，我们就可以把 420mA(DC)转换成标准电压信号 15V(DC),送到 TLC1543 中进行转换。 3.3 D/A 转换电路 对于控制系统来说，检测和运算的最终目的是要对控制对象进行控制。 但是单片机内部运算和输出的数据都是数字量，而控制对象的参数是模拟量。 因此，就需要把数字量