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锅炉水位控制【摘要】锅炉是发电，炼油，化工等工业部门的重要能源设备。一台锅炉要能安全，可靠，有效的运行，运行参数能够到达设计值，除了锅炉本身设备和各种辅机完好外，还必须要求自动化仪表工作正常和自动控制系统的设计方案正确，对于不同的锅炉及其控制要求的差异应采取相应的控制方案设计。锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样，因为现代锅炉的显著特点之一就是蒸汽量显著提高，混合容积相对减小，水位变化速度很快，稍不注意，就容易造成汽包满水，或者烧干锅炉。 水位过低又会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管壁局部过热而爆管。因此锅炉水位控制是非常重要的。关键词：单片机 控制 水位BOILER WATER LEVEL CONTROLAbstractA boiler is a very important device using in the department of giving electricity. A the pedestal boiler wants can safe, dependable, effectively of movement, the movement parameter can arrive the design value, besides boiler oneself the difference between different from every kind only of machine outside must still request to automate gauge work normally with the design project of the automatic control system rightly, for boiler in equipments and its control request should adopt the homologous control project design.Boiler vapor a water level high degree, is an important parameter to insure safety produce with provide the high-quality steam, produce to say to the modern industry that is like this particularly, because the modern boiler shows the one of the characteristics of is an amount of steam to show the exaltation, mixing with the capacity is opposite to let up, water level variety the speed is quick very, slightly inattention, result in the vapor a full water easily, or burn to fuck the boiler. Water level over low affect the normal proceeding that nature circulate again, the serious hour will make last pipe line in individual wall part over hot but explode the tube. For this reason boiler water level control is very important!Keywords: microchip control water level目 录第一章 绪论及方案论证。1第二章 硬件组成及原理。3 1，信号采集及处理。3 2，多路开关。5 3，A/D转换。7 4单片机。10 5，给水控制。24 6，报警及显示系统。25 第三章 控制算法。27第四章 软件部分。28 1， 主程序及子程序流程图。28 2， 程序说明。36 3， 程序清单。38 第五章 总结。51 第六章 参考文献。52 第一章 绪论一 概述锅炉水位自动调节的任务是使给水量与锅炉蒸发量平衡，并维持汽包中水位在工艺规定的范围内。汽包水位调节很重要，汽包水位过高，会影响汽水分离效果，使整齐带液，损坏气轮机叶片；如果水位过低，会损坏锅炉甚至引起爆炸。我在本设计中，将通过单片机的控制，使锅炉汽包水位，维持在正常的标准下，在水位超过上限或下限的时候，能够及时报警并采取相应措施。锅炉的经济指标，生产蒸汽的数量和质量，是首先要保证的设计目标，产汽量是表征锅炉生产能力大小的标志，指的是每小时能产生的蒸汽量。二 方案论证水位控制系统可直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，这种系统称为单冲量水位控制系统，它具有严重的弊病：在蒸汽流量忽然增加时，因给水流量小于蒸发量，水位应当下降。但是由于炉筒内的贮汽减少，内部压力忽降，从而使水面下的炉筒容积扩大，并加速汽化，由于水面下容积扩大，使水位不但不下降，反而迅速上升，产生“虚假水位”现象。而控制器根据偏差信号改变给水流量与需求相反，必然会加剧水位的大幅度波动。所以在负荷变化频繁，锅炉贮水量小的情况下，不能采用单冲量水位控制系统。双冲量水位控制系统的优点：能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务，在给水压力比较平稳时采用双冲量水位控制系统是能够达到调节要求的双冲量水位控制系统的缺点：调节作用不能及时的反应给水侧的扰动，当给水侧扰动时，调节系统等于单冲量调节，因为，如果给水管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。三冲量水位控制系统以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号来控制给水流量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，它不仅能克服“虚假水位”的影响，也能克服由于给水压力变化等因素引起给水流量变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。所以我采用三冲量水位控制系统。一般来说，按蒸汽量的大小将锅炉划分为小，中，大三类，具体划分规格如下：蒸发量0.1-20T/H的锅炉，称为小型锅炉蒸发量20-100T/H的锅炉，称为中型锅炉蒸发量100T/H以上的锅炉，称为大型锅炉在我国，目前使用的锅炉大多数为蒸汽量4T/H或以下的小型锅炉，因此我选择此种小型锅炉为模式进行系统设计，此种锅炉的汽包水高度为1-3米，水位上，下限分别为2.5米和1.5米。控制方法： 用LUGB型涡街流量传感器作为蒸汽和给水的检测元件，用USB11超声波液位传感器作为水位的计量元件，信号采集后，经I/V转换并将信号放大为符合AD574要求的大小，经多路开关进入AD574后进入89C51，通过软件，实现对锅炉水位的控制及报警.三冲量汽包水位控制系统方框图如下：第二章 硬件组成及原理（一）信号采集及处理1 信号采集由于本设计所采用的是三冲量水位控制所以对水位，蒸汽量和给水量分别进行信号采集并处理成为AD694所能接受的0-10V电压信号（1）水位信号采集：在进行水位信号采集时，考虑到小型锅炉的汽包水位是1-3M，我选用的是USB-11型超声波液位传感器，这种传感器在改变超声波学参数的同时接受并转换成电信号。它的测量范围是0-5M，输出4-20mA的电流 （2）蒸汽及给水流量的采集：在此我选用了LUGB型涡街流量传感器，它是基于卡门涡街原理而研制成功的一种具有先进水平的新型流量计，由于它具有其它流量计不可兼得的优点，自70年代以来得到了迅速的发展，根据有关资料显示，现在日本欧美的发达国家使用涡街流量计的比例大幅度上升，已广泛应用于各个领域，将在未来的流量仪表中占主导地位LUGB型涡街流量传感器适用于测量过热蒸汽，饱和蒸汽，压缩空气和一般气体，水和液体的质量流量和体积流量特点：结构简单而牢固，无可动部件，可靠性高，长期运行十分可靠。安装简单，维护十分方便检测传感器不直接接触被测介质，性能桅顶，寿命长测量范围宽，量程比可达到1：10压力损失小，运行费用低，更具节能意义应用范围广，蒸汽，气体，液体的流量均可测量LUGB型涡街流量传感器应用内径范围为25-300mm，被测截止温度为-40250摄氏度。使用二线制接法输出信号为4-20mA（二线制即工作电压+24VDC）2 信号处理 将采集到的4-20mA的信号进行远距离传送，至控制部分时，经I/V转换电路可转换为0-10V电压信号我所采用的I/V转换器是美国BB公司生产的RCV420，该转换器可将4-20mA的直流电信号转换成0-5V输出直流电压信号。它对增益，失调，及共模都无需调整，且内部有一个低温的10V基准电压源RCV420的转换原理是：16mA的电流变化转变为5V的电压变化，则单位电流变化率为 / =5/16mA=0.3125V/mA。根据设计要求在4mA输入时，输出为0V，因此放大器需要一个偏置电压 =-（4mA）*（0.3125V/mA）=-1.25V输入电流信号究竟连接在+IN或-IN，取决于输入信号的极性，回到地则是通过中间接头 ，75的敏感电阻 提供了电流/电压变换，并通过放大器放大，其电压增益为：Ad=5V/16mA*75=4.1667在放大器的反馈网络中，T型网络提供了相加点，产生了所需要的-1.25V的偏置电压。我在本设计中将要把0-20mA电流通过如下电路转换为0-10V电压原理如下：它首先由RCV420把0-20mA电流信号转换为0-5V电压信号，然后再输入一个由运算放大器OPA111及RC网络组成的低通有源滤波器。由于OPA111的增益为2，故可得到0-10V电压输出。（二） 多路开关多路开关，有称“多路模拟转换器”。多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。反之，当模拟信号有公共输出端输入时 ，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件。在本设计中，由于采用了三冲量控制，所以在信号采集中将有三个模拟量被提取，这时选用多路开关就是很必要的。我选用的是CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。CD4051的内部原理框图如左所示。图中功能如下：通道线IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：该组引脚作为输入时，可实现8选1功能，作为输出时，可实现1分8功能。XCOM（3）：该引脚作为输出时，则为公共输出端；作为输入时，则为输入端。A、B、C（11、10、9）：地址引脚INH（6）：禁止输入引脚。若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端OUT/IN接至；若INH为低电平，则允许各通道按表3-2关系和输出段OUT/IN接通。V （16）和V （8）：V 为正电源输入端，极限值为17V； 为负电源输入端，极限值为-17V。（7）；电平转换器电源，通常接+5V或-5V。CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下：（三） A/D转换在本设计中，我采用了AD574转换器，它可以将多路转换器输入的模拟量进行A/D转换。AD574是美国Analog Device公司生产的12位逐次逼近式模数转换器，其主要特点是：有参考电压基准和时钟电路，不需外部时钟就可以工作；转换速率高，12位转换25us，8位转换16us；8位或16位微处理器接口，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容；温度适应范围大，在-55至+125摄氏度范围内满足线性要求。是目前我国应用最为广泛，价格适中的A/D转换器，加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换功能，应用非常方便。1 AD574简介AD574为28脚双列直插式封装，其管脚排列如图所示 。 AC：模拟地DC：数字地：片选信号，低电平有效CE：片使能，高电平有效R/ ：读/启动信号，高电平读数据，低 电平转换12/ ：数据格式选择，高电平12位数据同时有效，低电平时第一次输出高8位，第二次输出低四位有效，中四位为零。A0：字节选择控制线。在转换期间：A0 =0,AD574进行全12位转换，转换时间为 25s；当A0=1时，进行8位转换，转换时间为16s。在读出期间：当A0=0时时，高8位数据有效；A0=1时，低4位数据有效，中间4位为“0”，高4位为三态，因此当采用两次读出12位数据时，应遵循左对齐原则，如下所示：STS：工作状态输出端。转换开始时，STS达到高电，转换过程中保持高电平，转换完成时返回低电平STS可以作为状态信息被CPU查询，也可以用它的下降沿向CPU发出中断申请，通知A/D转换已完成，CPU可以读取转换结果。2 AD574的状态由CE、 、R/ 、12/ 、A0五个控制信号决定，见表如下：于工作状态时，R/ =0时启动A/D转换；R/ =1时进行数据读出。 12/ 和A0端用来控制转换字长和数据格式。A0=0时启动转换，则按完整的12位A/D转换方式工作，如果按A0=1启动转换，则按8位A/D转换方式工作。当AD574处于数据读出工作状态时， A0和12/ 成为数据输出格式控制端。12/ =1，对应12位并行输出；12/ =0则对应8位双字节输出。其中A0=0时输出高8位。A0=1时输出低4位，并以4个0不足尾随的4位。必须指出12/ 端与TTL电平不兼容，只能直接接至+5V或0V上。另外A0在数据输出期间不能变化。如果要求AD574以独立方式工作，只要将CE、12/ 端接入+5V， 和A0接至0V，将R/ 作为数据读出和数据转换启动的控制。当R/ =1时，数据输出端出现被转换后的数据，R/ =0时，即启动一次A/D转换。在延时0.5s后STS=1表示转换正在进行。经过一次转换周期 后STS跳回低电平表示A/D转换完毕，可以从数据输出端读取新的数据。3 AD574的单极性和双极性输入特性通过改变AD574引脚8、10、12的外接电路，可使AD574进行单极性和双极性模拟信号的转换，图a所示为单极性转换电路，可实现输入信号010V或020V的转换。其系统模拟信号的地线应与9脚相连，使其地线的接触电阻尽可能小。图b为双极性转换电路，可实现输入信号-5V-+5V或-10V-+10V的转换。1 主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容 4K字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写中期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电式2 功能特性概述：AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容。但振荡器停止工作并禁止其它所有不见工作直到下一个硬件复位。4 引脚功能说明 ：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数