基于PLC的船舶锅炉控制系统.doc

广 州 航 海 高 等 专 科 学 校毕 业 论 文题目： 基于PLC的船舶锅炉控制系统系 别： 船舶工程学院 专 业： 电气自动化 班 级: 082 姓 名: 王屏程 学 号: 03 指导教师: 王永祥 2011年1月28日摘 要随着船舶轮机技术和自动化技术的发展，船舶的自动化程度越来越高，对船舶辅助锅炉系统的自动控制是其中一项重要课题，因为这一控制不仅直接涉及到锅炉运行的效能，而且更关系到锅炉运行的安全性和可靠行。在内燃机动力装置的船舶上，锅炉是船舶的重要辅机设备，主要产生蒸汽用于加热燃油、主机暖缸、驱动辅助机械及生活杂用。当前船舶机舱自动化的要求越来越高，锅炉的自动控制在实现无人机舱中是必不可少的。但是目前我国船舶(特别在远洋渔船)上，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上是采用接触器-继电器系统, 系统线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改造船舶设备，改善船员劳动强度，提高生产效率, 采用可编程序控制器来实现锅炉的自动控制, 可以使线路简单、可靠性提高、维护方便且容易实现现场调试等。可编程序控制器控制系统的经济性能比高于接触器-继电器控制系统。目前，鉴于国内多数船舶的机舱服务设备仍采用大量的继电器、接触器、时间继电器组成，实现各种控制功能，它们的共同特点是线路复杂、可靠性差、有时容易出现误动作，特别是触头氧化及铁芯与衔铁弄脏后的吸力不足，机械运动部件运动不灵活而出现被卡烧坏线圈等故障，给维护过程带来极大不便，甚至会影响正常营运工作，而且，这种设备体积大、重量重、价格贵。因此采用先进的设计思想对船用控制系统进行全新设计尤为必要。关键字：船舶辅助锅炉自动控制可编程控制器锅炉目 录1 概述 .31.1 船舶辅助锅炉自动控制概述3 1.2 船舶锅炉的PLC控制方式概述31.3 编程控制器工作原理.41.4 本选题设计主要完成的内容42 锅炉系统描述.42.1 锅炉的基本组成42.2 锅炉本体72.3 辅助系统介绍.73. 锅炉系统的控制要求与设计83.1 锅炉水位的自动调节.83.2 蒸汽压力的自动控制.83.3 燃烧程序的自动控制.83.4 警报及保护环节.84 燃油辅锅炉PLC控制系统设计94.1 概要. .94.2 PLC系统控制设计流程.114.3单片机工作原理.125 单片机智能辅助锅炉控制系统原理.155.1系统动态分析.156 智能控制器在8032单片机上的实现176.1单片机引脚排列图与引脚功能介绍176.2 硬件设计.206.3 软件设计.216.4 工作原理.216.5主程序流程图216.6 PLC选型及I/O分配227 参考文献278 实验体会28（目录重新排版）1 概 述 1.1 船舶辅助锅炉自动控制概述 在现代船舶中，机舱自动化程度越来越高，特别是对无人值班机舱，辅助锅炉的全自动化控制更是不可缺少的，它是机舱自动控制的一个组成部分。本设计针对船舶辅助锅炉，产生的蒸汽主要供主副机暖机，燃油加热，日常生活用汽，故对蒸汽品质要求不高，采用多位控制实现对锅炉蒸汽压力的控制。船舶辅助锅炉的自动控制通常包括自动调节，程序控制，安全保护，自动连锁和参数检测等内容。锅炉工作过程中的自动调节是使蒸汽压力、水位等被控参数在额定工况下均能维持所要求的规定值，包括燃烧过程和给水过程的自动调节。程序控制是指在操作指令的作用下按照规定的操作程序自动完成锅炉的起动和停炉过程。安全保护主要是在锅炉的某个工作过程处于异常状态，危及锅炉安全运行时进行必要的操作使锅炉停止运行，同时发出相应的声光报警。自动连锁是当锅炉的某个设备发生误操作或故障时，能自动阻止有关设备的运行，避免事故的扩大。如当锅炉的鼓风机发生故障停止工作时，燃烧器能自动停止喷油。为了使锅炉运行安全可靠，锅炉控制系统中设置监控环节，对锅炉的蒸汽压力、蒸汽温度、水位、燃油压力、燃油温度等参数进行监控。1.2 船舶锅炉的PLC控制方式概述我国从60年代开始从事锅炉自动控制系统的研制工作，早期船舶锅炉的自动调节系统通常采用气动、电动或液动式。到90年代开始出现以可编程控制器为核心的辅助锅炉自动控制装置，虽然可编程控制器问世时间不长，但已步入成熟阶段。可编程控制器（Programmable Controller,简称PLC）是一种应用微电子技术的通用型工业控制设备。它具备在内部存储指令的可编程序存储器，允许用户通过自己编制简单程序的手段来设置控制功能，从而满足对被控生产过程的不同要求。按照美国电气制造商协会(NEMA)的定义，可编程控制器是一种数字式电子仪器，其可编程存储器可存储某些逻辑，定时，记数和四则运算等特殊功能的指令，用以控制机械和生产过程。发展至今，可编程控制器以其安装简单，使用方便，适应性强，和价格低廉等特点迅速成为国外生产过程扩展领域中应用广泛发展趋势最强的产品，它不但已占领了继电器系统和常规电子系统的广大市场，还与现代专用微计算机控制系统展开了激烈的竞争。在我国很多工作部门中，可编程控制器都得到了广泛的应用，在船舶上的使用也已经相当普遍，取得了显著的经济效益并正在迅速推广。在工业控制历史上曾长期占统治地位的继电-接触器系统以及常规电子逻辑系统都是通过硬件布线方式来实现不同的控制功能的，除了元件多，可靠性低外，也使用户很难改变控制过程且系统使用范围限制，生产批量小而成本高。常见的微计算机系统，如单片机系统，通过程序来实现控制功能，但这种系统的设计和建立要用繁琐的机器指令编程，制作各种专用接口，故使一般技术人员实现起来比较困难。而可编程控制器它靠存储程序控制，适应力强，加上其模块化结构，也具有很强的灵活性。其编程语言简单易学，除了具有逻辑判断，定时和计数等基本功能外，还具有算术运算及PID闭环调节等模拟量控制功能，控制规模可以从几十个输入/输出点至上万点，即可控制单个设备又可对多台设备进行群控，它还可以互相与上位机联网形成分散控制系统，集中管理的集散局部网络。另外，它能适应工业控制现场的高温、振动、电源不稳等恶劣使用环境。当前PLC的研制和应用已进入成熟阶段。一方面PLC继续向采用单片机的价格低廉的超小型机方向发展，另一方面则采用多微机和并行处理技术，大大提高了实时控制速度和处理能力，大型、多功能的集散式网络和PLC高级语言的发展极为迅速，各生产现场的PLC通过工业网络与生产调度管理计算机系统相连，使过程控制及生产调度都可实现高程度的最大化和自动化。1.3 可编程控制器工作原理下面对可编程序控制器的工作原理做简要介绍。可编程序控制器工作的基本原理是建立在计算机工作原理基础上的。通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。PLC采用循环扫描的工作方式，其工作过程主要分为输入采样，程序执行，输出刷新，一直循环扫描工作。第一步，输入采样，在这个过程中，可编程序控制器按扫描方式读入可编程序控制器所有端子上的输入信号，并将这些输入信号存于输入映像区。，在本工作周期的执行和输出过程中，输入映像区内的内容不会随实际信号的变化而变化。第二步，执行扫描，在执行用户程序的扫描过程中，可编程序控制器对用户以梯形图方式编写的程序按从上到下，从左到右的顺序逐一扫描各指令，然后从输入映像区取出相应的原始数据或从输出映像区读取有关数据，然后做由程序确定的逻辑运算或其他数字运算，然后随运算结果存人确定的输出映像区有关单元，但这个结果在整个程序未执行完毕前不会送到输出端口上。第三步，输出扫描，在执行完所有用户程序后，可编程序控制器将输出映像区中的内容同时送到输出锁存器中，然后由锁存器经功率放大后去驱动继电器的线圈，最后使输出端子上的信号变为本次工作周期运行结果的实际输出。1.4 本选题设计主要完成的内容（1） 应用可编程序控制器作为锅炉控制器，对锅炉给水，点火程序，风油调节和蒸汽压力进行自动控制。（2） 船舶辅助锅炉PLC的控制。（3） 船舶锅炉的结构及工作原理。2 锅炉系统描述 2.1 锅炉的基本组成由锅筒 、水冷壁受热面 、集箱 、对流管束受热面等等组成。1汽包Steam Drum2水筒Water Drum3联箱4炉膛5水冷壁6、7蒸发管束8联箱供水管9水筒供水管10燃烧器Burner11过热器12经济器汽包与联箱、汽包与水筒之间不受热的水管，直径较粗，用来增强水自然循环经济器(省煤器)Economizer用来加热锅炉给水，传热温差大，水是强迫对流，受热面积小。可提高给水温度，降低排烟温度。但通风阻力增加，给水析氧腐蚀金属。空气预热器Air Preheater在经济器后，可提高炉膛温度，改善燃烧；提高锅炉热效率；预热燃烧用的空气，降低排烟温度。但传热系数小，受热面积应较大。经济器和空气预热器统称为尾部受热面，提高锅炉效率。沸水管Generating tube连接上、下锅筒的管束，也称蒸发管束，布置在炉膛出口侧。前排主要为辐射Radiation换热、后排为对流Convection换热。后排沸水管比烟管锅炉的烟管换热效果好，因为烟气横向冲刷管束，烟气流速较高。为了达到对锅炉自动运行的PLC控制，有必要对控制对象进行系统认识，下面以船上常用的立式横烟管锅炉为例，介绍锅炉的基本组成及工作原理。 图2.1 立式横烟管锅炉示意图1锅壳2封头3炉胆4出烟口5燃烧室6后管板7前管板8烟管9电动油泵10燃烧器11鼓风机12烟箱13汽空间14集汽管15停汽阀16内给水管17检查门传热特点和工作性能；在整个锅炉受热面中，炉胆和燃烧室仅占10左右，但由此传给水的热量却占整个锅炉的一半以上，炉胆和燃烧室内热辐射非常强烈，蒸发率甚大。比较笨重，锅炉重量达蒸发量的68倍锅炉工作压力和蒸发量受到限制，工作压力限于2MPa以下，蒸发量也不超过10th。w 烟管锅炉蓄水量大n 蓄热量也大，点火升汽的时间必须较长n 常需数小时，以免热应力太大损坏锅炉w 蓄水蓄热多使其汽压与水位变动较慢，自动调节容易实现w 对炉水质量要求不高 n 炉胆部分的传热强度高，但其水垢容易清除n 烟管间水垢难以清除，但该处烟气温度低，水垢不容易形成烟管锅炉因性能指标落后是一种日趋淘汰的形式由于辅助锅炉蒸发量小，重量和体积不是突出问题烟管锅炉具有蓄水量大、压火后尚能较长时间继续供汽、对水质要求不高、工作可靠和无需过于费心照料等特，所以在内燃机船的辅助锅炉中，目前仍得到应用。2.2 锅炉本体锅炉本体是由锅壳、封头、炉胆、燃烧室、出烟口、烟管、燃烧器等组成。炉胆是燃油进行雾化燃烧的场所，它的作用是提供足够的空间使燃油得以充分的燃烧。同时，使燃烧发生的热量不散失到锅炉外面去。炉胆与燃烧室相通，燃烧室与烟箱之间设有两块钢板，钢板之间有数十根水平烟管。烟管与炉胆将整个锅炉分成互相隔绝的空间，里面是烟气，而外面则充满着炉水。燃烧器的油头向炉膛喷油，同时由鼓风机经风门将空气送入炉内助燃。油点着后在炉胆中燃烧，高温火焰与烟气中的热量主要通过辐射方式经炉胆壁传给炉水。未燃烧完的油和烟气经出烟口向上流至燃烧室继续燃烧，然后顺烟管流至烟箱，最后从烟囱排入大气。由此可见，烟管锅炉中的炉胆、燃烧室和烟管都是蒸发受热面，由炉水包围，而烟气则在其中流过，这就是烟管锅炉的结构特点。2.3 辅助系统介绍（1）、燃烧装置。辅助燃油锅炉的燃烧装置包括油头、调风机构和燃油系统。油头是将燃油雾化，调风机构是将助燃空气导入炉膛中。燃油系统是将燃油从油舱中抽到日用油柜，再从日用油柜中抽出进行加热、加压、过滤最后送到油头进行雾化。（2）、给水系统。给水系统包括补充锅炉水所必需的给水管路，给水加热器，给水泵，给水调节阀等组成。为防止锅炉失水，应有两套给水设备，其中一套备用。并且给水泵应两台一组。（3）、通风系统。其作用是将外界空气送入炉膛中供燃料燃烧，将烟气排出锅炉，包括配风等机构。4）、汽水系统。汽水系统包括管路上的各种仪表及装置，蒸汽管路及管路上的各种阀门，凝水疏水管路，排污管路，锅炉附件和自动控制设备，检测仪表，如水位表、蒸汽压力表、风压计、CO2指示仪等。 3 锅炉系统的控制要求与设计 船用锅炉系统控制要求是确保其安全可靠性，提高其运行经济性。辅助锅炉的系统控制可分为四部分，即水位自动调节，蒸汽压力自动控制，燃烧程序控制以及警报和保护环节。本文主要针对的是船舶辅助燃油锅炉,其蒸发量一般为0.45-2.5t/h，蒸汽压力在0.3-0.7Mpa左右，但只要简单修改PLC程序就可以适用不同型号的船舶锅炉。系统的全自动起动、停炉和故障事件处理，按照要求在PLC中编制用户程序，实现:给水、扫气、点火、燃烧等过程的全自动起、停控制。锅炉定期定时保养维护的自动提示和超期不维护的系统自动闭锁。为配合燃烧，PLC在系统的起停运行中，根据控制要求自动起停风机电机和开闭风门完成扫气工序，并根据燃烧情况，控制风门的开闭大小。此外，风机电机故障、炉内压力超限联锁、燃烧发生故障的联锁控制和报警处理，报警联锁等控制处理等也由PLC用户程序实现。下面分别对每部分进行具体介绍。3.1 锅炉水位的自动调节锅炉的工作水位在安全水位以上，是燃烧系统自动点火起动的必要条件。锅炉的工作水位降至最低水位时，水泵自动起动补水，升至最高水位时水泵自动停止补水，水位降到极限低水位时发出报警信号，同时系统停止工作。水位传感器一般有浮子式水位调节器、电极式水位传感器以及参考水位罐水位检测装置三种，本设计采用参考水位罐水位检测装置调节，如下图所示。3.2蒸汽压力的控制蒸汽压力通过压力传感器测量实现。水位正常时，如蒸汽压力在0.4-0.46Mpa时锅炉正常燃烧;当负荷减少时，蒸汽压力上升到0.46Mpa时锅炉停止燃烧;如故障蒸汽压力仍上升至0.49Mpa时，切断电源并发出报警;当蒸汽压力下降到0.4Mpa以下时锅炉重新点火燃烧。采用压力传感器测量当前蒸汽压力，通过压力开关，信号接入PLC的两点开关量输入，或者用压力传感器测量通过变送器将信号接入PLC的一路模拟量输入，实现两级燃烧(大、小火)控制和压力上限保护及实时监视。3.3燃烧程序自动控制燃烧系统的自动控制就是蒸汽压力的自动控制。汽压是燃烧自动控制的被控参数。对锅炉发出起动信号后，自动起动油泵和风机，并把风门调到最大而不向炉膛内供油，用压缩空气大风量吹扫，即“予扫风”，以防止点火时发生“冷爆”。预扫气结束后自动把风门关到最小位置，打开点火喷油电磁阀，喷入少量燃油;同时接通点火变压器进行点火。点火成功后，自动断开点火变压器，燃油电磁阀正常打开，进入正常燃烧。3.4 警报及保护环节在辅助锅炉运行过程中，为了达到安全、可靠、无人值班的目的，除了对锅炉水位和燃烧采用自动控制外，需要对各种危险工况采取安全保护措施。本设计考虑了不同锅炉类型主要的几种安全保护环节，详述如下：（1）熄火保护和报警，当锅炉起动时点不着火或正常燃烧时突然熄火进行保护和报警。当锅炉起动、扫气后，连续点火7秒，燃油若没有点着或正常燃烧时突然熄火，光敏电阻感受不到火焰，控制系统发出相应继电器动作信号，切断油路后扫风之后停炉，燃烧停止，同时发出声光报警信号。（2）极限低水位保护和报警。当锅炉水位因故低于极限低水位时，水位检测机构低水位电极脱水，如上文所述，控制系统动作，从而切断风机和油泵控制回路，燃烧停止，同时发出声光报警信号。（3）重油温度过低或过高保护和报警。燃油系统使用重油时，若重油温度不能达到良好雾化的相应温度，或者由于加热控制出现故障温度过高从而对设备不利，需要停止燃烧，并进行报警。（4）蒸汽压力超高保护和报警。当正常燃烧蒸汽压力控制出现故障，气压超过最高临界线时必须停炉同时进行报警。（5）电动机过载保护和报警。由于电动机或相应的泵产生故障，使热继电器跳开，应立即熄火停炉，以免发生事故。（6）燃油压力过低保护和报警。由油路压力继电器检测，压力过低不能正常喷油必须停炉，并进行报警。（7）炉膛风压过低保护和报警。由于供风执行机构出现故障至使炉膛风压过低，燃油不能正常燃烧，必须停炉同时进行报警。（8）出现任何故障报警，必须等故障排除后按报警复位按钮才能进行再次起动锅炉。4 燃油辅锅炉PLC控制系统设计 4.1 概要PLC的控制系统由硬件及PLC软件组成。硬件设计是指硬件选型，合理选择PLC，对提高PLC控制系统的技术、经济指标起着重要的作用。机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。模块式PLC的基本结构PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成(见图31)，各种模块安装在机架上。通过CPU模块或者通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其他PLC或其他设备通信。 （1）CPU模块CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用水储存程序和数据。（2）信号模块输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为IO模块，丌关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI模块和AO模块，他们统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，丌关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码丌关、限位丌关、接近丌关、光电丌关、压力继电器等传来的数字信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电动机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。丌光量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动机调节阀、变频器等执行器。CPU模块内部的工作电压一般是DC 5V，而PLC的输入输出信号电压一般较高，例如DC 24V或AC 220V。从外部引入的尖刻电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。（3）功能模块为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家为了丌发各种各样的功能模块。它们主要用于完成某些对实时性和存储器量要求很高的控制任务。（4）接口模块CPU模块所在的机架成为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或者多个扩展机架。接口模块用束实现中央机架与扩展机架之间的通信，有的几口模块还可以为扩展模块供电。（5）通信处理器通信处理器用于PLC之I日J、PLC与远程IO之问、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUSDP、ASi和工业以太网，或者用于实现点对点通信等。（6）电源模块PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转为DC24V电压和背板总线一k的DC5V电压，供其他模块使用。4.2 PLC系统控制设计流程对于整个系统的控制程序，在启动系统之后，首先进行参数的初始化程序，分别对系统累加器、定时器等功能块进行初始化，之后进行模拟量采集，对要求被控制的参数按照一定的时问间隔进行采集，然后调用相应的标度化程序对采集的参数进行标度化处理，使从外界采集到的实际工程数据转换成PLC内部可以直接使用的数据。在完成以上工作之后，各个回路调用自己相J观的控制算法对系统中的四个控制回路的各个参数进行监测控制。同时启动报警控制程序，监测系统参数的越限情况。按此情况循环，实现整个系统的循环控制过程。具体的系统控制流程图如图34所示。4.3 单片机工作原理PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。 在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。 除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC不还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5 个阶段，如右图所示。 PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。开始自诊断与编程器通信读入现场信号执行用户程序输出结果STOPRUN扫描周期 在工作状态下，执行一次上图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期。其典型值为1-100ms。 1.输入采样阶段。 PLC 首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 2 程序执行阶段。 根据 PLC 梯形图程序”先左后右，先上后下”扫描原则进行逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时， PLC 就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件 ( “软继电器” ) 的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件 ( “软继电器” ) 的状态会随着程序执行过程而变化。 3 输出刷新阶段。 在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通 / 断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。 输入输出滞后时间 输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时间到它的控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路的滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式的滞后时间三部分组成。 滞后时间与模块的类型有关。继电器输出电路的滞后时间一般在10ms左右，双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间为1ms，负载断开时的最大滞后时间为10ms，晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达2个扫描周期。5 单片机智能辅助锅炉控制系统原理基于单片机的船舶辅助锅炉控制系统的工作原理如图11所示。系统的被控对象是锅炉，执行机构是锅炉的风、油门驱动电器，被控参数为锅炉内的压力，本系统利用压力传感器检测锅炉内的压力，传感器输出的电信号经信号变换后送至单片机智能控制器，控制器根据此信号的大小，利用智能控制算法计算出输出控制信号，经放大器放大后以调节风、油门的大小，从而控制锅炉内的压力。智能控制器的设计众所周知，二阶系统是工程上最常见而又最重要的一类系统，这一系统的形式代表了许许多多控制系统的动力学特征。正因为如此，经典控制理论将二阶系统作为典型系统，并通过对二阶系统阶跃响应的过渡过程分析，定义了表示系统控制质量的一些特征量，其中以调节时间、最大超调量和稳态误差3个特征量作为性能指标。但是，控制系统的动态过程是不断变化的，以常规PID控制器控制，难以解决稳定性和准确性之间的矛盾，原因在于这种控制方式以不变的统一模式之间的矛盾，原因在于这种控制方式以不变的统一模式来处理变化多端的动态过程。 为了有效地模拟人的智能控制行为，并采用微机实现智能控制，在模糊控制中通常采用误差e和误差变化率e作为描述控制系统动态特征的输入变量。根据船舶辅助锅炉控制系统的特点，从误差e和误差变化率e这两个基本的模糊控制变量出发，引出两个特征变量ee和ee，利用这些信息设计智能控制器。5.1 系统动态分析利用ee取值量是否大于0，可以描述系统动态过程误差变化的趋势对于图21所示典型二阶系统阶跃响应动态曲线可知，当ee0时，如BC段和DE段，表明系统的动态过程正向着误差减小的方向变化。当ee0时，在AB段和CD段，表明系统的动态过程正向着误差增大的方向变化。在控制过程中，微机很容易识别enen的符号，从而掌握系统动态过程的行为特征，以便更好地制订下一步控制策略。利用ee描述系统动态过程中误差变化的姿态如图21中A、C、E点的ee较大，说明该点处的某一段，动态过程呈现误差小而误差变化率大，B、D点的ee较小，说明该点处的某一段，动态过程呈现误差大而误差变化率小。将ee和ee联合使用，可对动态过程作进一步的划分。如图21 OA段，e0，ee0，实际值正不断地接近设定值，若ea，（a为根据需要而确定的常数）表明实际值趋向设定值的强度较大，为防止过冲，应减小控制器的输出。此时控制器的输出U（k）为：k1、k2为大于0的系数。在OA段e（k）0，ee0，而且在A点处ee值最大，0点处ee值最小，说明，输入从0点上升到A点的过程中，U（k）先是增加，但越接近A点U（k）值增加越少，在靠近A点的某一段U（k）值开始逐渐减小，这样可以防止被控系统动态过程由于惯性而产生较大的超调，适当选择k1和k2的值，既有利于减小超调而又不致于影响上升时间。k2的作用在A点处最强。 如图21 AB段，e0，ee0，实际值正不断地远离设定值，在A点处ee最大，在B点处ee最小，为了使系统尽快地进入稳定状态，此时应减少控制器输出：式中：k30；k40；故k4的作用在A点处最强。如图21 BC段，e0，ee0，实际值正不断地接近设定值，由于系统的惯性，输出值经C点后并没有进入稳态，而是到达D点，故在C点附近应加大U（k）： 式中：k50；k60；故k6的作用在C点处最强；如图21 CD段，ee0，e0，应增加控制器的输出。 U（k）U（k1）k7e（k）k8ee（24）式中：k70；k80；故k8的作用在C点处最强；上述各参数的在线整定很重要，直接影响控制性能，根据控制趋势，应有k1k3k5k70，k2k4k6k80，若k2、k4、k6、k8为0，则没有该项的控制作用。当eemax，偏差过大，采用砰砰控制，输出控制量最大（或最小），尽快减小偏差，即 因为本控制系统的执行机构为电动阀门，所以Umax对应的状态为阀门全开，Umin对应的状态为阀门全关。当eemin时，偏差已达到允许范围，控制量不变，维持原状。即6智能控制器在8032单片机上的实现6.1 单片机引脚排列图与引脚功能介绍引脚功能说明： 外部引脚图： ; ;P1.0 1 40 Vcc ;P1.1 239 P0.0;P1.2 3 38 P0.1;P1.3 437 P0.2;P1.4 5 36 P0.3;P1.5 6 35 P0.4;P1.6 7 34 P0.5;P1.7 8 33 P0.6; RST/Vpd 9 32 P0.7;RXD P3.010 31 -EA/Vpp（内1/外0 程序地址选择）;TXD P3.111 30 ALE/-P （地址锁存输出）;-INT0 P3.2 12 29 -PSEN（外部程序读选通输出）; -INT1 P3.313 28 P2.7;T0 P3.4 14 27 P2.6;T1 P3.5 15 26 P2.5;-WR P3.6 16 25 P2.4;-RDP3.7 17 24 P2.3;X2 18 23 P2.2;X1 1922 P2.1;GND20 21 P2.0;引脚说明： 电源引脚 Vcc（40脚）：典型值5V。 Vss（20脚）：接低电平。 外部晶振 X1、X2分别与晶体两端相连接。当使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。 输入输出口引脚： P0口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P1口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P2口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P3口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 控制引脚： RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。 RST/Vpd（9脚）：复位信号输入端（高电平有效）。 第二功能：加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。 ALE/-PROG(30脚）：地址锁存信号输出端。 第二功能：编程脉冲输入。 -PSEN（29脚）：外部程序存储器读选通信号。 -EA/Vpp(31脚）：外部程序存储器使能端。整个系统硬件电路由CPU及外围芯片组成，其结构框图如图31所示，完成数据采集、声光报警、输出控制、键盘输入及显示、监控定时等功能。6.2.1数据采集部分由压力传感器、变送器、精密电阻、AD转换器等组成。变送器将来自压力传感器的压力信号转换成420 mA的电流信号通过精密电阻再将其转换成15 V的电压信号，此信号经ADC0809送入CPU。622本系统CPU采用8032单片机，在此基础上进行以下扩展：以一片16K8位CMOS静态EPROM27128作为程序存贮器，以一片8K8位CMOS静态RAM6264作为数据存贮器，附加一片DS1216多功能日历时钟，DS1216器件内部包含振荡电路和后备锂电池，它的上面附带有一个28脚插座，插入RAM6264后可以保持RAM中的数据在停电时也不丢失。以一片8155作为扩展IO口，其中PA口作为检测信号输入口，PB口作为声光报警输出口。623输出控制部分由信号输出，信号驱动及驱动电机组成，控制信号由CPU经DAC0832数模转换后送出，经驱动电路放大后送给驱动电机控制锅炉风门及喷油电磁阀的开度，进而控制锅炉内压力的大小。624键盘显示部分采用专用键盘显示芯片8279，该芯片具有自动对键盘显示器扫描并识别键盘上闭合键号的功能，不仅可以大大节省CPU对键盘显示器的操作时间，从而减轻CPU的负担，而且显示稳定、程序简单，不会出现误操作。键盘部分主要用于输入智能控制算法的一些初始值及参数，显示器采用8位LED显示器。625监控定时部分，为防止由于外界电源、电磁辐射等引起的干扰使程序偏离正常的控制流程，进入死循环，造成系统故障，本系统利用定时器及分频器，由硬件构成Watchdog，实现监视定时器定时复位功能。（红色去掉）63软件设计软件设计主要包括：水位控制，燃烧程序控制，压力智能控制，安全保护等模块。64工作原理（图3-2）为了使锅炉安全运行，控制锅炉启动有一定的程序，当锅炉水位正常，即水位处于高水位与低水位之间（P110，P120），蒸气压力低于最大允许点火压力（PA11）时，风机将自动启动（置P141），先进行40 s的预扫气，此时风门最大（直接置DAC0832输出为FFH），以排除残存在炉膛内的油汽，防止点火时发生冷爆，预扫气快结束时，接通点火变压器（置P161），启动燃油泵（置P151），把风门及喷油电磁阀开度调小（直接置DAC0832输出为一个较小的值），以利于点火成功。这时炉膛内风、油、火齐全，如点火成功，光敏电阻阻值下降（PA00），点火变压器停止点火（置P160），这样燃油经电磁阀继续喷到已点着的火焰上，在风机的助燃下正常燃烧，进入压力智能控制程序，如果点火失败，光敏电阻阻值很大（PA01），则系统发出点火失败声光报警（置PB11），并自动进行第二次循环，关闭风门及喷油电磁阀（置DAC0832输出为00H），从40 s预扫气开始循环，若第二次循环仍未点火成功，系统停止工作（置P171）且声光报警。当正常燃烧突然熄火（PA01），系统发出中途熄火声光报警（置PB21），同理，程序控制系统自动从头开始，等待炉内压力下降至PA11，然后进入40 s预扫气，重新点火启动。当锅炉正常燃烧后，本系统按照智能控制算法控制风门及油门驱动电机以控制风、油门大小，使炉内压力维护在一个稳定的范围内。本系统的水位控制由直接放在主程序之前及之后的高低水位判断指令来决定是否启停给水泵，若检测到高水位信号（P121），说明之前启动过给水泵，此时应停止给水泵工作（置P130）反之，若检测到低水位信号（P111），则置P131，此时应启动给水泵工作。安全保护中的压力危险（PA21），水位危险（P101），中途熄火（PA01）等保护也由接在主程序之后的判断指令来完成的，若PA21或P101，则停止系统工作（置P171）并且声光报警，若PA01，中途熄火，则关闭风油门（置0832输出为OOH），停止风机及燃油泵工作（置P140，P150），并作中途熄火声光报警，程序自动重新开始。船舶辅助锅炉微机控制系统的主程序包括系统初始化、锅炉水位控制、燃烧程序控制、锅炉蒸汽压力自动控制、安全保护等模块。其流程图如图32所示。6.6 PLC选型及I/O分配根据以上控制要求，船用辅锅炉控制系统采用2-32，它是日本三菱公司的产品，具有运行速度快，功能强，提供的点数为16/16，除实际使用外，有足够的余量供系统以后扩展。模拟块采用24和2-4。提供4路输入和输出。通信模块采用-232。三菱 FX 系列小型可编程控制器，将 CPU 和输入 / 输出一体化，使用更为方便。为了进一步迎合不同客户的要求， FX 系列有多种不同的型号供选择。另外更有多种不同的特殊功能模块提供给不同客户。主要应用于机械配套上如：注塑机、电梯控制、印刷机、包装机和纺织机等行业。 三菱公司推出的常用 FX 系列小型、超小型 PLC 有 FX 0 、 FX 2 、 FX 0N 、 FX 0S 、 FX 2C 、 FX 2N 、 FX 2NC 、 FX 1N 、 FX 1S 等系列。FX系列PLC的特点 体积极小的PLC 先进美观的外部结构 提供多种子系列供用户选用 灵活多变的系统配置 功能强，使用方便. 本系统PLC的IO分配表如表1。为了节能，锅炉控制系统中的给水、燃烧控制部分能采用变频器，那么整个锅炉的控制水平(如温度、压力、水位的控制精度)将可得到较大的提高，并且其节能效益是十分明显的，这点在很多的锅炉系统，特别是较大容量的锅炉控制系统中己得到证实，其明显的节能效益使得由于使用变频器带来的控制系统成本提高在短期内就可得到回收，所以我们设计的控制器在这方面作了改进，以适应不同的要求。同时为了利用船舶主机排出的废气余热，在控制系统中加入了主机废气控制开关。表1 PLC的IO分配表按照船舶锅炉的全自动控制流程，在PLC中编制用户程序2。图1、图2为控制系统程序。按照船舶锅炉操作规程，每次开炉点火前先打到自动控制位置。检测水位是否正常，正常则检测油温和油压是否正常，正常则进入点火程序。锅炉点火燃烧后，当蒸汽压力达到正常供汽时(0.46MPa)。供水系统通过PLC首先判断水位是否在上限与下限范围内，若在此范围内则水泵进入恒压供水状态，并不断检测锅炉水位。当水位到达上限时，水泵停止，并继续检测水位;如水位高于上上限时，输出报警，请求排水。如到水位低于上限时，重新起动另一台水泵进行供水，以使水泵交替使用。如运行中检测到水位低于水位下限时，则两只水泵同时运行;当水位升至高于下限时，关闭一台水泵，加另一台水泵继续在工频状态下供水。如水泵工频运行水位仍继续下降并低于水位下下