火电厂汽包水位监测设计毕业设计.doc

火电厂汽包水位监测设计毕业设计目 录1 绪论11.1课题背景11.2国内外汽包水位监测发展现状21.2.1国内外汽包水位测量手段发展概况21.2.2国内外汽包水位监控发展现状21.4课题意义及主要工作81.5本章小结82 火电厂汽包水位监测系统总述82.1汽包水位的影响因素92.2汽包水位的控制方案设计112.3本章小结123 汽包水位监测界面设计133.1基于visual basic 6.0界面设计133.1.1Visual basic 6.0简介133.1.2监测界面控件介绍143.2汽包水位监测系统界面总体概况203.3界面硬件选型233.3.1水位传感器233.3.2流量传感器243.3.3电机选型263.3.4变频器选型273.3.5接触器选型273.3.6熔断器选型273.3.7功率三极管选型283.3.8温度传感器283.3.9压力传感器283.4设备清单293.5本章小结294 单片机选型设计304.1 STC15F2K60S2单片机总体介绍304.2 STC15F2K60S2单片机最小系统设计314.2.1时钟电路324.2.2复位电路324.4本章小结335 Modbus串口通讯协议335.1通讯系统组成设计335.2通讯系统软件设计345.2.1PC机通讯模块设计355.2.2单片机通讯模块设计365.3本章小结37全文总结与展望37参考文献37附录139翻译47英文原文47中文译文59致 谢69中国矿业大学徐海学院2015届本科生毕业设计1 绪论1.1课题背景火电厂蒸汽锅炉是十分重要的动力设备，供给满足运行要求的合格稳定蒸汽产品是其主要任务，用以相应符合需求。本身就十分复杂的控制对象的锅炉，为了能够满足负荷需求，必须保证提供合格的蒸汽品质，所以与其相应的控制系统的设计必须能够做到满足各主要工艺参数需求。由于负荷、燃烧状况及给水流量等因素的变化，汽包水位会经常发生变化1。因此，对于锅炉汽包水位的监视与调节非常重要，汽包水位需要控制在正常范围内，使锅炉能够稳定安全运行。控制给水流量和蒸汽量之间的动态平衡是锅炉汽包水位调节控制的主要任务，保证锅炉汽包水位在正常运行允许的范围内，是保证安全生产运行的首要条件，锅炉汽包水位从侧面反映了锅炉给水与负荷之间的平衡关系，是锅炉安全运行的一个重要指标参数。就传统控制方法而言是以各种分离器为单元，加以各种检测装置将被控参数实时的参数监测并反馈给控制器，再根据控制算法完成相应算法运算并驱使调节机构完成对应动作，从而实现自动控制目的。但是由于这种控制方式的局限性，必须考虑各分立器件的性能影响，系统各部分相互依赖影响较大，自动化水平和控制效果并不能十分理想，另外故障也频频产生，对系统的长期安全、高效运行不利。现在广泛使用的控制技术还有DCS集散控制系统2，虽然这种控制方式被广泛运用，但本身适合多控制回路同时工作的复杂系统，另外高昂的价格也给汽包水位这样的控制系统带来困扰，因此对于汽包水位控制系统需要考虑其成本再进一步进行选择。PLC是70年代发展起来的中大规模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口与中断系统于一体的器件2，在冶金、机械、能源等各种领域被广泛应用。随着计算机功能性能的发展更新，无论是在操作系统、应用软件、更甚是通讯能力上都有了突飞猛进的提高，极大的强化了PLC通讯能力，使PLC编程软件和技巧明显得到丰盈，强化了PLC的过程通讯能力。因此，PLC技术可以适用于各种从简单到复杂的控制。近年来开发的一项新技术PLC控制锅炉技术。它集PLC软件、硬件，锅炉节能，自动控制等技术于一体。在电厂锅炉控制中，很好的改善了锅炉运行环境并且减轻了操作人员工作负担。为能够实现对锅炉运行过程的实时监测、调节、自动控制等多项功能，采用PLC控制技术是不错的选择。由于被控量是汽包水位，而汽包给水流量作为调节量，因此对汽包水位进行实时监测、反馈，通过PLC对反馈信号和给定信号的比较，然后应用相应控制算法对二者偏差进行运算，再将运算结果输送给执行机构实现给水流量的调节，使汽包内部达到动态平衡，保证汽包水位变化相应的就能够在正常允许范围内。1.2国内外汽包水位监测发展现状1.2.1国内外汽包水位测量手段发展概况国内外电厂目前常采用的水位测量方法有以下几种：云母水位计测量、电接点水位计、压差式水位计、多测孔接管技术、核子汽包水位计、激光法汽包水位计。每种测量方法都有其优缺点，通常要根据电厂实际情况采用合理的测量手段。例如锅炉启动初期汽包水位要以云母水位计和电接点水位计为准。因为就地云母水位计是根据连通管原理直接与汽包连通，它不需要媒介和传递，直观而可靠地指示汽包水位。电接点水位计是根据汽和水的导电率不同的原理测量水位，指示值不受汽包压力变化影响。而其他水位计如差压型低置水位计由“水位、差压”转换装置等组成，转换装置包括热套管、正压室、漏斗传压管等，在启动初期由于正压室还未充满饱和水时，就不能正确反应汽包内水位。所以，启动初期应以云母水位计和电接点水位计为准，控制汽包水位。软测量技术主要由辅助变量的选择、数据采集与处理、软测量模型几部分组成。基本思想是把自动控制理论与生产过程知识有机的结合起来，应用计算机技术对难以测量或者暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断或者估计，以软件来替代硬件的功能。应用软测量技术实现元素组分含量的在线检测不但经济可靠，且动态响应迅速、可连续给出萃取过程中元素组分含量,易于达到对产品质量的控制。1.2.2国内外汽包水位监控发展现状目前国内外常用的汽包水位控制方式主要有三种：三冲量控制、模糊控制和PID自校准与自调整。尤其是前两种控制方式，最为常用。每种控制方式又会根据不同的形式有更为细化的分类。例如,就三冲量控制方式而言，有两种种控制策略：选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门、选用进省煤器阀作为汽包水位控制阀门。1.2.2.1汽包水位经典控制策略经典汽包水位控制策略包括单冲量、双冲量和三冲量控制,由于单冲量、 双冲量及单级三冲量控制策略比较简单,并且难以适应现代各种复 杂锅炉的控制要求,目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略,本文仅对三冲量串级控制策略进行详细分析。在实际应用中,由于选定的控制阀门不一 样,串级三冲量作为控制系统的设计也就不一样。A选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门对于系统设计来说,方案成熟,是典型的串级三冲量控制设计,在实际现场应用中最为广泛。该系统的设计思想是:以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号,构成主调节回路,以蒸汽流量信号作为前馈信号,构成前馈调节回路,总给水流量作为串级信号,构成副调节回路,由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。引入蒸汽流量 前馈信号可以消除“虚假水位”现象对自动控制的不良影响,引入给水流量串级信号可以消除给水侧压力扰动对自动控制的不良影响。其控制系统方框图如图1.1所示。图1.1 总给水阀作为控制阀系统框图该系统的优点是: (1) 系统适合于对于汽包 水位要求严格或变化频繁、 虚假水位严重的系 统;(2)对信号的静态配合要求没有那么严格 ,主 调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差;(3)可以实现无差调节(不存在稳态配合问题)。缺点有:(1) 在整定参数时的步骤较多;(2)尤其在无论主环还是副环 ,只要是有一个环发生振荡,就可能造成系统的崩溃。 B 选用进省煤器阀作为汽包水位控制阀门选用进省煤器阀作为汽包水位控制阀门对于系统设计来说,系统相对独立,控制思路也相对清晰。该系统的思想是,以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号,构成主调节回路,以蒸汽流量信号作为前馈信号,总给水流量也作为前馈信号,构成前馈调节回路,总给水流量减去减温水流量,即进省煤器的给水流量与前两个控制回路的输出构成副调节回路(即串级回路),由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。其控 制系统方框图如图 1.2 所示。图1.2 省煤器阀作为控制阀控制系统框图该系统实际是串级三冲量控制的一种变形, 是在实际应用过程中为更好地满足工艺的要求而确立的;给水总管阀全开,然后将减温水阀与进省煤器的阀分离开来控制,由控制算法和软件来消除联动控制系统所带来的不便;该系统适合于对汽包水位要求严格或变化频繁,虚假水位严重的系统。1.2.2.2先进控制策略的发展举例A 预测函数控制 预测函数控制3由Richalet和Kuntze等人提出,并成功地应用于工业机器人的快速高精度控制。PFC把控制结构的输入作为关键,可以克服其他模型预测控制可能出现规律不明的控制输入问题,同时具有良好的跟踪能力、较强的鲁棒性,抑制干扰能力好。PFC应用到锅炉汽包水位控制系统,并考虑负荷变化对汽包水位的影响,将蒸汽流量信号引入到PFC的预测模型中,用具有对负荷变化前馈补偿的汽包水位系统预测函数控制策略。仿真结果表明,采用该新型汽包水位系统控制策略具有良好的动态调节品质和很强的鲁棒性。汽包水位控制系统如图1.3所示。与常规PID-PID串级控制的不同之处在于,图1.3中用PFC代替了常规外环的PID控制器。图1.3 预测函数控制系统框图4该控制系统的特点是:(1)该方法综合了预测控制、串级控制和PID控制的优点。给水流量的扰动在内回路得以迅速消除,而蒸汽流量外扰及系统参数的变化主要由PFC的强鲁棒性来保证；(2)采用PFC-PID串级控制策略的水位系统,与传统 PID-PID 串级控制相比,在参数整定上要简单得多,相对于以往的模型预测控制,主要只有两个参数需要整定:参考轨迹时间常数一般取为主通道对象模型时间常数的1/10，1/5即可。仿真研究表明,这两个参数的取值自由度很大,对控制效果影响却很小,而对于传统的PID-PID串级控制,PID的参数略有改变则对控制效 果影响甚大,因而其调试工作量很大。虽然PFC-PID控制需要确定预测模型,但对模型的精度要求不是很高;(3)预测函数控制以其采用简化的数学模型而得到运算量很小的简单算法,因而易于在广泛使用的DCS系统上实现良好的调节品质和在对象特性变化情况下有很强的鲁棒性因而完全能够满足生产现场的实际需要,从而其具有良好的应用前景。 B模糊控制 在锅炉汽包水位控制中,模糊控制是主要控制策略之一,模糊控制5是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑理论为基础的一类计算机数字控制方法。模糊集合论是20世纪60年代中期由L. A. Zadeh提出的。此后,模糊数学得到迅速发展,形成了一系列比较完整的基础理论。模糊集合的引入,使得人们有可能用比较简单的方法对复杂系统做出合乎实际的、符合人类思维方式的处理。1973年,L. A. Zadeh 继续丰富和发展了模糊集合论,提出了一种把逻辑规则的语言表达转化成相关控制量的思想,从而为模型控制的形成奠定了理论基础。模糊控制方法与通常系统分析所用的定量方法有着本质的区别。它有如下3个主要特点:(1)用语言变量代替数学变量或者两者结合应用；(2)用模型条件语句来刻划变量间的函数关系；(3)用模糊算法来刻划复杂关系。工业锅炉汽包水位模糊控制系统通常是由汽包、水位变送器、模糊控制器(一般由微机组成)和进水调节阀等部件组成,如图1.4所示,图中Hd水位给定值,H是水位实际高度,当汽包水位连续变化时,水位变送器信号也不断改变,由此测定值和水位给定值进行比较,得出其误差量。经采样和A/D转换,送入模糊控制器,模糊控制器的输出控制量经D/A 转换,与信号功率放大器控制给水阀门,从而改变进水量,保持水位在允许范围内波动。图 1.4汽包水位模糊控制系统6模糊控制的特点:(1)在设计控制系统时,可以不要求知道对象精确的数学模型,但要对受控对象的特性有充分了解,是以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建立知识模型的；(2)用语言变量代替常规的数学变量,或两者结合运用,来构造形成专家的知识库；(3)控制系统的鲁棒性强,适应于常规控制难以解决的非线性、变性、多层次、多干扰的滞后系统(汽包水位具有这样的性质)。应用在汽包水位控制上存在的缺点有:系统结构复杂、整定困难、仍旧存在 误差;模糊控制规则的制订,依赖于人们的操作经验,往往带有很大的主观片面性;控制规则旦确定,在控制过程中就不会改变;普通模糊控制由于在模糊量化过程中的信息丢失和制定模糊规则时人为因素的制约,必然会影响到控制的精度;过多的规则数目使得其推理过程较为繁琐;最后锅炉现场其他一些随机干扰、噪音、过程时变性等等因素,有时会造成控制规则较粗糙,而影响控制品质。C模糊控制典型模型模糊神经网络(FNN)7 实际上模糊控制器是一种“语言控制”,它通过模拟人类智慧进行判断和决策,能较好的处理模糊信息。但是,模糊控制不具备学习功能,而人工神经网络(NN)恰恰相反,它具有较强的学习、联想、识别等功能,但只能处理数值型数据,不能处理和描述模糊信息。那么,使二者结合起来,使模糊控制具备学习功能,使神经网络具备处理模糊信息功能,进行判断和决策,从而得到一种既具有学习、联想、自适应性,又能进行模糊思维的新型结构,这就是模糊神经网络控制(FNN)的基本出发点。直接将一个神经网络作为一个模糊控制器,用一些已获得的、能近似反 映控制器输入/ 输出关系的具体数据对其进行训练,希望训练后网络的输入/ 输出关系能够满意地作为所需要的模糊控制函数。这样,FNN实际上相当于一个模糊控制函数估计器,它直接将普通模糊控制器中的各种结构化关系和数值运算关系融于网络的内部描述之中。汽包水位FNN模型控制系统框图如图1.5所示。图1.5 汽包水位FNN模型控制系统框图利用神经网络的结构来实现模糊控制就形成了FNN,通过将FNN和优化技术结合起来,实现对模糊控制器的隶属函数、模糊控制规则、模糊逻辑和比例因子的综合优化整定,避免了只凭经验和试凑法设计模糊控制器所存在的困难和盲目性,有效地提高了模糊控制器的控制品质,FNN的结构考虑了模糊推理及模糊规则,所以其学习结果很容易理解,可以实现不同形式的模糊模型,同时又具有学习、计算能力。模糊神经网络具有很强的容错能力,在处理和解决问题时不需要对象的精确模型,FNN通过其结构的可变性,逐步适应外部环境的各种因素的作用。当汽包的输入输出平衡时,水位处于稳定状态,当汽包水位受到燃料量和蒸汽量的扰动时,根据偏差,FNN的输出通过变频器,调节给水泵转速,从而改变给水流量,使水位恢复到给定值。1.4课题意义及主要工作火电厂汽包水位是火电厂锅炉运行很重要的参数，对电厂安全、稳定、经济运行具有很重要的意义。因此，对于汽包水位的实时监控、调节显得尤为重要。基于VB设计汽包水位监测系统，简单、易操作且能够实现汽包水位实时监控，对所学知识的运用考究很实际，对于将来的工作和学习具有深远意义。本课题针对火电厂汽包水位监测系统，基于VB可视化应用程序，进行火电厂汽包水位监测系统的研究与设计。可视化界面，直观的进行汽包水位的实时监控。本课题的主要研究工作可概括为以下几点：(1) 汽包水位监测系统总体设计；(2) 基于VB汽包水位监测界面设计；(3) 硬件选型；(4) 硬件单片机设计；(5) Modbus串口通讯协议。1.5本章小结本章节对汽包水位传统监控系统的概况、控制元件、国内外发展现状及趋势进行了简要的介绍和分析。针对现有的工作基础，提出了本文的工作内容并阐明了课题的意义。2 火电厂汽包水位监测系统总述 锅炉是大型设备，在火电厂中要注意安全生产。火电厂中要求锅炉有一定的安全运行环境，所以锅炉可靠及安全运行非常重要。有很多因子影响其安全运行，而汽包水位影响尤为重要。作为重点监控参数，它直接关系到锅炉负荷和给水的相互持衡。水位太高了，会使汽间的距离缩小，蒸汽带有大量的水，汽水间的分离效果变差，这样会使蒸汽质量变坏，过热管内会积累大量的盐分，热阻变大，管子太热，金属强度会降低，所以会发生爆管现象；水位变地太低，会使顺循环不畅通，这样的话，水冷壁的温度会很高，当严重的缺水时，会使得锅炉变地干锅，甚至发生爆炸，设备就会损坏。所以，要时时刻刻保持水位的监控与调节正常，保证锅炉能够良好的运行，生产出合格的蒸汽，来满足电厂的发电需要。2.1汽包水位的影响因素如图2.1所示，汽包水位决定于汽包内汽、水的量，如果这两者发生变化的话，会直接影响水位变化，那么，能够使这两者发生变化的因素，都会间接地使水位产生波动。其中主要扰动有：上水管段的流量W、锅炉内部产生的蒸发量D、汽包内部环境压力Pb、还有炉膛的热负荷量等。图2.1 给水示意图8表面上看起来，汽包水位动态性质和单体水箱差不多，给水量与蒸汽量影响汽包水位的高低。可是实践中有所不同，举个凸显的例子来说，水循环过程中的水携带者大量的蒸汽泡，随着汽包压力和炉膛负荷的变化，蒸汽包的大小也会跟着变化，不管是什么原因引起气泡体积改变，即使没有改变水循环的总水量，但是，这并不能说明什么，同样会使汽包水位发生改变，所以保持这两者的稳定才能保障水位的动态平稳。（1）给水扰动的影响给水流量W是调节装置改变的控制对象，给水扰动是来自控制方面的扰动，又称内扰9。则汽包水位的给水扰动下的响应曲线如图2.2所示。H1表示将汽包看作单体水箱的给水阶跃响应曲线。给水流量的变动的特征是有惯性的但是不能自己平衡自己特征。给水流量W的猛然增大，虽然从图中可以看出大于蒸发量，可是顾虑到汽包内饱和水温还是大于给水水温，当给水进入汽包后，两者之间会发生热量传递。导致产汽量会明显减少，水中的汽泡体积减小，这样的结果就会使水位降低，即图中曲线H2所示。事实上，H1和H2的求和才表示水位的响应曲线，即图中2.2中的H。 (2.1)式2.1中：1表示飞升速度；表示延迟时间。图2.2 给水扰动响应曲线（2）蒸汽流量扰动相对于给水扰动来说，蒸汽流量与之相反。如图2.3所示，曲线H1表示汽包水位线性下降，这是因为蒸汽流量的变化引起的，蒸汽流量的突升，对于没有主动平衡能力的汽包水位来说就会有这样的结果。另外，锅炉蒸发量突然猛增时，水中气泡体积会逐渐增大，自然而然的就会排挤水，致使水位升高。但是锅炉自身的额定蒸发强度有限，所以图中曲线H2最终会趋于稳态直线，也就是我们所说的惯性循环状态。总归而言，真正的特征曲线不是H1，也不是H2，是两者的加和，也就是图中曲线H。虽说这两种情况对水位的影响都有，但是影响程度不同，对于大中型锅炉来说，锅炉蒸发量突然猛增的影响更深入一些，因此会产生“虚假水位”现象。可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为： (2.2)式2.2中 2表示飞升速度；T0表示延迟时间。图2.3汽轮机耗汽量曲线（3）燃料量扰动蒸汽流量D发生变化，有可能是燃料量扰动引起的。结合上述第二种扰动情况，不难看出，燃料量的扰动也会导致“虚假水位”现象。但是由于有大量水的存在，热量会缓慢传递，所以变化相对于上述两种情况来说比较缓和。 通过三种扰动的分析，发现给水扰动会使得水位的响应特征有一定的推迟性，燃料扰动会使得水位显示不正常，也就是“虚假水位”。不难看出，汽包水位的这些变化会收到不同因素的影响，故我们对于水位的控制会更加的艰难和繁琐。2.2汽包水位的控制方案设计知道了给水控制对象的影响因素，得出它具有的特点：存在一定延迟和惯性，有“虚假水位”出现。所以在设计汽包给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量D为前馈控制，以改善给水控制系统的控制品质。故采用更加合理的控制方案三冲量方式控制，如图2.4所示，三冲量方式控制系统。图2.4三冲量方式控制系统11图2.5三冲量方式控制系统方框图2.3本章小结本章主要从火电厂汽包水位监测系统的总体出发，介绍了汽包水位的影响因素有三大类：给水流量扰动影响、蒸汽流量扰动影响、燃料量扰动影响。掌握影响汽包水位因素后，通过对症下药制定汽包水位控制的方案策略，从而对后续设计作出铺垫。3 汽包水位监测界面设计基于第二章控制方案的设计，选取汽包上水段过程，进行汽包水位控制段界面设计以及汽包状态监测界面设计。图3.1是锅炉给水控制图，即汽包上水段。利用Visual Basic 6.0进行汽包水位控制段界面设计，主要包括给水泵、阀门、调门、省煤器、汽包、连接管路、汽包水位标以及各参数指示。图3.1 锅炉给水控制图3.1基于visual basic 6.0界面设计3.1.1Visual basic 6.0简介Visual Basic6.0是一种常用的编程软件，简称VB12。其基础的编程语言是Basic，其优点在于替代了原本复杂困难的编程、软件开发的工具，使工作变得简单轻松。VB取代传统的输入全部代码劣势，将部分代码编程转换成可视化编程，将常用代码以控件形式固定出来，例如TextBox（文本框）、CommandButton(按钮)等等。这样会省去大量繁琐的代码编写，所以选择VB作为汽包水位监测界面设计的编程具有很大的优势。VB特点：（1）VB是以人为本、利用事件驱动、可以看见的框架式的高级程序设计语言；（2）以Windows环境作为开发环境，符合潮流。（3）打破传统编程机制，独特的操作编程供使用者使用。VB的优点：（1） 简单易学、效率高，各种自带工具可供选择使用；（2） 强大的功能，几乎可与一些专业的开发软件齐头。 3.1.2监测界面控件介绍本设计锅炉选型选用DZL35-0.5- A，即单锅筒纵置式，额定蒸发量35t/h,额定压力0.5Mpa,燃烧煤种A类煤种。其主要参数详见表2.1。表2.1 DZL35-0.5- A锅炉主要参数型号DZL35-0.5- A安装方式组合安装循环方式自然循环额定蒸汽温度194额定蒸汽压力0.5Mpa额定蒸发量35t/h额定水位300mm额定供水量35m3/h燃料消耗量3895.5kg/h额定给水温度20VB拥有强大的控件可视化编程功能，无需繁琐的绘图过程，利用控件即可将锅炉给水控制系统形象的建立起来。其中，需要用到的控件包括Label(标签)、CommandButton(按钮)、Shape(图形)、Line(线)、VScrollBar(垂直滚动条)、MScomm(通讯)。对于MScomm(通讯)控件将会在第五章进行详细介绍，在此先进行界面内所用到的其他控件进行介绍。（1） Shape(图形)控件 Shape控件用来表示汽包和省煤器。由于VB不属于专业的绘图工具，所以对于图形的形象性描述不像CAD那么准确，所以利用Shape控件能够简单的表示汽包和省煤器。 控件属性设置为2-Oval，即椭圆属性，如图3.2所示为汽包部件设计界面图，图3.3为Shape控件属性设置值。图3.2 界面部件汽包图3.3 Shape控件属性设置值控件属性设置为4-Rounded Rectangle,如图3.4为省煤器部件界面图，图3.5为Shape控件属性设置值。图3.4 省煤器部件图3.5 Shape控件属性设置值（2） Label（标签）及TextBox（文本框）控件 Label控件的作用主要是用来在窗体中增加文字说明。比如在汽包水位监测系统中，主要是作为监控参数名称，阀门名称，工质流程去向等的说明解释。而TextBox控件可以接收发送文字信息，非常方便。在此，文本框的作用是接收显示监测系统的各个参数，例如压力、流量等。如图3.6为监测界面主要Label和TextBox控件。图3.6 Label和TextBox控件（3）VScrollBar(垂直滚动条) VScrollBar控件的作用主要是用来指示汽包水位标尺，通过滚动条的的位置显示水位的高低，另外为了增加显示的准确性，在水位标尺旁设立文本框，实时显示汽包水位数值，如图3.7所示。图3.7汽包水位标尺图3.8 VScrollBar控件属性设置值（4）CommandButton（按钮）控件CommandButton控件的作用主要是作为阀门和命令按钮的作用，在监测系统中从目管来水经过主给水门、主给水调节、旁路给水调节包括进入省煤器和汽包紧急放水阀门都会用到 CommandButton控件。同样一些命令按钮，如“发送”、“接收”按钮，都是通过 CommandButton控件来实现的。如图3.9为回路阀门，图3.10为空间属性设置值。图3.9 部分阀门图3.10 主给水门 CommandButton属性设置值（5）Line（直线）控件Line控件同来绘制系统流程管道。形象的将各个独立的控件连接起来，构成完整的回路。3.2汽包水位监测系统界面总体概况图3.11基于VB的汽包水位监测系统界面对于汽包水位监测系统界面的介绍，由于对水位的控制调节本质上是对给水的调节，应根据上水过程依次对界面进行介绍。系统中包括汽包、省煤器、主给水泵几大设备，期间设有各种调节阀、手动阀、电动门等控制调节装置。首先从母管来水通过主给水泵将工质推进给水回路，经过主给水门调节一定的压力、流速、流量以满足进入汽包水的先决条件。那么对于主给水门的调节就应当需要一个弹出窗口，对其进行调节开度，如图3.12为主给水门的调节界面。图3.12 主给水门调节界面之后主给水去处一分为二，一路通往汽包方向，一路去减温水。由于去减温水那路不是本课题所关心的内容，固在这里就不做介绍。从图3.11中我们可以看出，去汽包方向给水又分成三路：含有两个手动阀门路；含有一个电动门和一个调节门路即旁路调节路；还有一路含有一个电动门、一个调节门和一个手动门。但是要说明的是这三路不是同时工作，在不同的阶段需要用到不同管路。不同阀门拥有不同的调节方式，这三路中总的来说就包含三种阀门：手动、电动、调节。针对这三种不同的阀门响应也设计出三种不同的弹出窗口，如图3.13所示。图3.13手动门、电动门、调节门界面紧接着给水进入省煤器进行预热，再进入汽包。汽包上水过程就此结束。另外，由于汽包水位是动态变化的，难免会因为某种因素导致汽包水位的不正常现象13。那么对于监测系统来说，汽包水位不正常需要及时报警给运行人员，运行人员作出紧急的控制调节。所以本界面还有设计出报警提示，例如当汽包水位过高或过低时，会弹出报警提示信息，如图3.14和图3.15所示。当运行人员点击确定时，会自动弹出“紧急放水门D”界面窗口，作出合理的调整，需要说明的是，当水位过高时，“紧急放水门D”会自动打开，当水位降至正常值时又会自动关闭。图3.14自动报警窗口图3.15紧急放水门窗口如果要进行汽包个体的监测，则需要点击按钮“汽包水位”方可进行汽包内部参数的监控，对于汽包水位的高度、压力的测量分别使用三个压力计、水位计进行测量，每个测量器都会有其测量参数显示到界面，如图3.16所示。为了更加方便的进行调节，在“汽包水位”界面还设有“增加”和“降低”按钮，能够回到主控界面，即汽包上水界面来调节汽包水位。图3.16汽包水位界面界面其余部分就是汽包工作时各参数的显示，以及水位标尺。前一节有说过。在此就不再作出赘余的介绍了。3.3界面硬件选型3.3.1水位传感器本设计最为关键点就是做好水位稳定的动态测量，所以，能否准确快速的测量水位是我们要完成的任务。好的测量数据会有好的控制结果，坏的控制质量必然是因为差的测量效果导致的。所以，选择合理的水位传感器测量水位显得尤为重要。根据锅炉的选型可以知道汽包水位的控制范围，由于选用仪表的准则是被测量参数应为控制仪表量程的2/3测量才最为准确。因此，本设计选用水位传感器量程应在400mm450mm，又已知汽包水位正常值在300mm50mm,根据仪表的量程制定测量仪表的精度应为10/450=6.7%FS以上。CN213系列传感器采用国外先进的技术水平，微处理电路，拥有多种多样的形式、材料、型号，能够满足各种形式的液位测量。该型号传感器的技术参数如下：表3.1 CN213型号水位传感器技术参数测量范围0500mm测量精度0.25%FS过载压力最大量程的25倍温度补偿-2080输出（标配）420mA(RL500)膜片材质316l、Hc、Ta接液材料1Cr18Ni9Ti、PVC、PTFE介质温度-2085温度漂移1%/55（零点和量程）使用环境环境温度：2085 相对湿度：85%供电24VC.DA10%外壳保护等级IP653.3.2流量传感器顾名思义，流量传感器是用来测量给水流量和蒸汽流量的传感器。合适的流量信号对于系统控制有利而无害，因此选用合适的流量传感器测量系统控制量能够改善系统控制，使控制质量有所提升。为满足适用于本设计锅炉型号，选用LUGB-240304YD2N 涡街流量传感器14，其功能特点如下：（1） 间接测量，具有稳定的性能，安全可靠性高；（2）可长期使用，对于维护要求不高；（3）范围度宽达：15：1、20：1；（4）有很多样式连接、使用简单、上手；（5）在规格雷诺数内，受外界影响小；（6）适配性强。技术参数如表3.2所示：表3.2 LUGB-240304YD2N 涡街流量传感器技术参数采用标准Q/YHC401-2001 JB/T6807-93测量介质气体、液体、蒸气标准口径法兰卡装式口径规格15、25、32、40、50、65、80、100法兰连接式口径规格125、150、200、250、300插入式口径规格2002000流量测量测量范围雷诺数1.51044106，气体550m/s，液体0.57m/s测量范围详见表3.3精度法兰卡装式、法兰式为1级，1.5级插入式测量精度为1级，插入工业管道上精度为2.5级被测介质温度常温-25100高温-25150、-25250、-25300工作压力1.6Mpa,2.5Mpa,4.0Mpa输出信号脉冲电压高电平45V，低电平0.71.3V）脉冲占空比：50%，传输距离：100m标准电流DC4-20m允许外接负载电阻小于600（电源DC24V）,传输距离为3000m。仪表使用环境温度：-25+55 温度：5-90% RH50内螺纹1Cr18Ni9Ti、铝合金电源DC12V10%，DC24V10%，或锂电池3.6V 7.5Ah二节。防爆等级本安iallcT1-T5,隔爆型ExdllBT4防护等级Ip65表3.3 工况液、气体流量范围通径液体气体DNmmm3/hm3/h150.3-45-30200.5-5.65.5-56251.2-1310.5-80321.5-1815-150402.25-3022-220504-5035-350605.9-5460-600809-12090-90010014-200140-140012522-280220-220015038-400300-300020065-700500-5000250120-12001100-11000300180-18001500-15000同理根据锅炉型号参数，满测量不超过52m3/h，所以据表3.3可知汽包送水管道管径应选用50mm,对应测量范围在4-50m3/h，能够满足设计测量范围。由于所选型号传感器是汽、液两相测量传感器，所以可以测量蒸汽流量，满测量不超过19.2 m3/h，同样根据表3.3可管径应选用15mm，对应测量范围在5-30m3/h，满足设计要求。3.3.3电机选型介绍完水位传感器和流量传感器之后，开始对动力设备电机进行选型，选择合适的电机型号用于锅炉供水，提供有效的动力支持，完成锅炉上水任务要求，汽包上水合格。以锅炉参数为准，计算电机功率如下： (3.1)经计算可知应该选用略高于正常工作状态下功率的电机，为了便于选型可以将电机功率定在100Kw的电机。YJTG315S-4三相异步电动机能够满足设计要求，可根据技术要求调整其额定功率为100Kw。3.3.4变频器选型变频器是不可或缺的装置，选用恰当的变频器是电机能否正常工作给汽包供水的关键，从上一节电机选型可知额定功率大约在100Kw,由具体分析可知电机在某种工况时其能够保持与50Hz三相交流电下工作时电流基本一致。由以上分析结果选用三菱变频器公司生产的变频器其型号代码为R-A740-110Kw-CHT：电压380V、频率50HZ、电流216A。可以驱动50HZ、100Kw的电机，给出合适的输入，就可以作出相应输出并能够间接的控制其输出频率，过载能力完全可以满足电机功率要求，而且此型号变频器在节能方面带有独特的节能设计，最佳励磁控制和节能监视功能，有效的节省能源，内置的串行通讯口，符合设计要求。3.3.5接触器选型接触器作为重要的启、停元件，交流电动机的启、停需要接触器来完成，那么选择合理的型号的接触器，对于交流电动机很重要。其工作电流计算如下： （3.2）NCK5-25/240/2接触器主要用于400V交流电压，40A交流电流的电路中，作为通、断电路之用，选用五套此型号接触器同时工作能够满足一台380V三相交流电机的工作要求。3.3.6熔断器选型当系统在异常工作时引起的电流过大，会严重损坏系统安全。所以为了能够保证系统在非正常情况下的过流现象，采取熔断保护，即选用熔断器。本系统总的工作电流在150A左右，可设定过流保护为200A，完全可以满足保护系统要求。因此选用型号为SSOC(NCF)3的10Kv切负荷熔断器，自主设置电流200A。3.3.7功率三极管选型功率三极管用于接触器控制线路中，接触器控制线路如下：图3.17 接触器控制线路三极管有导通和截止两种状态。上图控制线路中，当PLC数字量以高电平输出时导通，接触器闭合，否则，三级管处于截止状态，接触器断开。为满足设计要求，选用I3DD8 型三极管，其工作电流为5-10A。3.3.8温度传感器本设计选用的温度传感器为带PT100热电阻的温度变送器，这种传感器常用于高温测量，例如测量蒸汽温度，可以输出4-20ma的模拟量信号，能够满足给水温度、省煤器温度、主蒸汽温度的测量。3.3.9压力传感器本设计选用的压力传感器为深圳市东本工业自动化设备有限公司生产的VPRF2和VNF系列型号的压力传感器，主要用于蒸汽压力、汽包压力和给水压力的测量。VPRF2系列传感器能够测量1Mpa-20Mpa的压力范围，可调节电压信号0-5v，用于测量蒸汽压力和汽包压力。VNF系列型号的压力传感器，可测量压力范围为1000Kpa-17000Kpa，可调电压信号0-5v，用于测量给水压力。3.4设备清单主要硬件设备清单如下：表3.4 主要硬件设备清单设备名称型号额定电压额定电流额定功率数量水位传感器CN213型24DCV3流量传感器LUGB-240304YD2N型24DCV3三相电机YJTG315S-4380VAC61A100Kw2变频器R-A740-110Kw-CHT380VAC216A1熔断器SSOC(NCF)3型200A3功率三极管I3DD8 型2接触器NCK5-25/240/2型380VAC5温度传感器P100热电阻5压力传感器VPRF2、VNF53.5本章小结本章阐述了利用Visual Basic 6.0软件对火电厂汽包水位监测系统界面设计的各个环节，包括系统各设备设计、总体设计及流程。另外还针对各部分设备进行了选型。4 单片机选型设计单片机是科技飞速发展的产物，它是一种集成度很高的芯片，集快速处理元件、存储元件、很多种数据传输接口和多种功能于一体。随着时代变迁，集成技术也在快速发展，单片机技术已经相当成熟，能够将这些元件完美集成在一起，构成高可靠性系统，用于工业控制方面。根据设计需要，选用宏晶科技STC15系列的单片机。4.1STC15F2K60S2单片机总体介绍STC15F2K60S2系列单片机是是传统51单片机的加强与扩充，主要优点有高强度加密，与其他单片机代码兼容，运行速度快，宽泛的设置范围，内部集成高精度时钟，可外接时钟电路，复位选择广，精度更高。适合更加恶劣环境使用，与传统单片机相比，内核更加快速，速度得到大幅度提高。主要技术参数如下：(1) 工作电压：5.5V - 3.8V（5V 单片机）。(2) 8K/16K/24K/32K/40K/48K/56K/60K/61K字节片内Flash程序存储器。(3) 2K大容量SRAM。(4) EEPROM容量大，擦写次数10万次以上。(5) 工作频率范围：5MHz - 35MHz，相当于普通8051的60MHz-420MHz。(6) 可同时使用的2组高速异步串行通信端口，管脚数可达5组，相互之间有规则的切换，串口切换随意：串口1(RxD/P3.0, TxD/P3.1)可以切换到(RxD_2/P3.6, TxD_2/P3.7),还可以切换到(RxD_3/P1.6, TxD_3/P1.7）；串口2(RxD2/P1.0, TxD2/P1.1)可以切换到(RxD2_2/P4.6, TxD2_2/P4.7)。(7) SPI通信端口速度高（异步串口），可拓展I/O口(8) 低功耗设计，四种模式供使用。(9)可编程时钟输出功能.(10)硬件看门狗(WDT)4.2STC15F2K60S2单片机最小系统设计简单介绍单片机后，再来进行单片机的最小系统设计，这样有利于明确单片机的工作原理。作为一个系统，必然会有几部分基于单片机的组成。这样能够让单片机发挥其具有的功能，正常运行进行处理计算。单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分15，可以这么认为，有了油盐酱醋，就能够实现美味佳肴的烹饪，对于单片机最小系统也是同样道理。如图4.1所示，应用不可或缺的几部分构成最小系统。图4.1单片机内部结构图如图4.2所示:单片机设有一个ATD转换接口和一个SPI串行总线接口，系统现场传感器测量测量信号实时传入给单片机，单片机通过高速处理器判断运算信号数据。即将模拟量信号运算转换成数字信号传入到单片机，单片机再经过D/A转换通过驱动电路环节，对现场阀门进行控制，调节阀门开度来控制压力、流量等，同时将单片机处理结果通过串行接口传输到监控界面，在监控界面端能够直观看到各参数变化。在此过程中，单片机可能会进行多次循环调节，才能达到预定目标，而对操作者来说只需在界面进行外设调节即可完成。同时，单片机还具有故障灯报警装置，当出现故障时，即可提醒进行相应事故处理，而电源电路是用于给单片机供电。图4.2单片机电路图4.2.1时钟电路对于STC15系列单片机来说，内部时钟电路精度已经达到正负千分位级别，温飘1%（-40- +85），常温下温飘0.6%（-20- +65）。5MHZ-35MHZ宽范围设置，已经够用，无需再次接入时钟复位，解决了在外部接入外源振晶的问题。当然这种单片机也可以外接外部晶振，通过电容连接到 ECU 的 XTAL 和 EXTAL 之间。(有源晶振只需要将产生的振荡接入 EXTAL 即可) 实际单片机的工作频率并不是外部晶振16。注意的是在其他的如输出比较电路、采集电路等其他的计算时应该以 24M 为基准17。4.2.2复位电路复位电路，它是为了实现系统的可靠上电复位及工作故障时的手动复位而设计的。由于STC15系列单片机自身的特性，已经具有不可见得复位内部集成电路，而且能够满足调节设置的要求范围，另外再设置外部电路无非是多余之举。但是，对于有特殊要求的场合下需要再设置接入外源振晶，此系列单片机同样可以满足外接要求。STC15系列型号的单片机中还有一个集成有一个看门狗电路，主要通过软件设计来实现复位。也就是在程序运行时，如果在设定的时间内程序跑飞没有回到重新写看门狗的程序段则系统自动复位18。有利的帮助了大型控制中的程序调试。4.4本章小结本章可以认为是第三章的延续，重点对本设计所用到的单片机部分进行介绍，选用STC15系列的单片机作为下位机核心，从单片机主要参数，到内部电路结构给出简单介绍。5 Modbus串口通讯协议5.1通讯系统组成设计本通讯系统设计以第四章所述的STC15系列型号的单片机为核心，单片机本身包含了数据处理能力很高的特性19，所以能够很好的满足设计的要求。其通讯组成如图5.1所示。图中红线即表示本设计所选用的RS-232C串口通讯协议线。现场传感器测量得到的模拟量信号，通过通讯协议将信号传输到单片机，单片机进行高速处理后，传输到PC机显示，PC机发出相应指令给单片机，单片机转而对现场设备进行控制，达到通讯调节目的。图5.1通讯系统组成图该通讯系统以TC15F2K60S2系列单片机作为下位机，通过RS-232C总线通讯的方式20，将系统各设备带有MODBUS RTU接口的设备连接起来，组成一个完整的通讯网络，实时接收、处理、发送、调整数据。图中红色线代表通讯通讯协议总线。现下