基于单片机的锅炉自动控制系统

河 南 科 技 学 院 机 电 学 院1基 于 单 片 机 的 锅 炉 自 动 控 制 系 统范 子 阳 机 教 011 班摘要：本文介绍一种新型单片机控制的锅炉采暖自动系统的组成，工作原理及特点。对改造旧锅炉，提高自动化水平提供了一种有效的方法。关键字：锅炉；自动控制系统；单片机Abstract：Automatic control system is important guarantee for run of boiler . The composition and work principle and characteristics of thermal auto-regulating system for boiler are introduced in paper which offers an effective method for modification on old boiler and for heat efficiency and coal saving.Keywords: boiler；auto-regulating system；single board computer.1 引言热水锅炉是目前广泛应用于居民住宅采暖的供热设备之一。供热系统示意图如图所示。其工作原理是，热水锅炉将水进行加热，当水温达到要求时，启动循环水泵将供热管道的水进行加压循环，从而使住宅内的散热器升温达到采暖的目的。图 1 供 热 系 统 示 意 图在供热期间，由于供热管道有一定的水量损失，为保证供热质量，必须通过补水泵对锅炉进行补水。补水的原则是：在设备和管道承压能力下保证系统水不汽化。传统的热水锅炉供热系统中，循环泵的启动和停止有由人工操作，而补水泵是由安装在回水管上的电接点压力表控制的。通过电接点压力表设定的回水管补水压力的上下限值，来控制补水泵的停止和工作。其中压力上限值应不大河 南 科 技 学 院 机 电 学 院2于管道和锅炉所承受的最大压力，压力下限值应保证系统水不汽化。这种补水控制有如下缺点：（）补水泵频繁启动和停止。 （）补水压力不恒定。（）工人劳动强度大，工作环境差。就各工业部门的现状来看，除研制新型节能锅炉以外，对现在旧设备进行技术改造，提高锅炉的自动化程度也是一项极其重要的途径。在设计锅炉自动调节系统方案时，考虑到现在市场上已经大量供应新器件，而且这些新器件具有功能更强大、运行更稳定、应用更简单额、升级更方便等优点，所以本系统采用新型 80C592 单片机和新型数字式传感器。系统对锅炉水位、蒸汽压力、经济燃烧等系统的热工过程实现自动调节功能。本系统通过面板操作，实现开工运行、参数显示、不停机进行参数修改和功能设置等。使锅炉的安全性、操作性大大提高。2 系 统 组 成图 2 系 统 组 成 图3 系统功能（1）系统具有高低水位报警，由软件实现大小泵的控制来实现水位的自动调节。（2）系统具有高低压报警，由软件控制外围电磁阀和风机来实现压力的调节。（3）系统具有高低温报警，由软件控制外围电磁阀和风机来实现工作温度的需求。（4）系统具有无扰动手动切换控制以及紧急情况报警急停功能。4 系 统 工 作 原 理河 南 科 技 学 院 机 电 学 院3本系统是由信号采集装置，微控制单元，外围机电设备等组成。利用传感器，采集锅炉的高低压，高低水位，高低极限水位以及温度信号，将这些信号传送到核心控制元件单片机进行判断，以控制外围相应设备。当系统所收集到的参数超过系统设定的安全参数时，系统可以自动急停控制，使锅炉停止工作。使锅炉安全稳定的工作，为了保证系统的稳定性，系统还采取了手动功能。正常工作时自动状态和手动状态操作可以随时无扰动切换。基于安全考虑，系统在运行开始时，首先要对高温、高压、高极限水位和高温、高压、低极限水位进行检测，若发现这些参数异常，系统会紧急报警并急停工作，保护设备。在常规运行中，当锅炉处于高压时，系统开始报警红灯亮并打开锅炉上的电磁阀，释放部分水蒸汽，保证压力正常。当锅炉处于低压时，系统打开风机，使炉膛加热更快，使锅炉达到正常工作压力。当锅炉水位在低极限水位时，系统开始报警红灯亮，然后打开大泵，使锅炉水位快速增高。当达到低水位点时，大泵停，小泵开始工作。当达到高水位时，小泵停。若水位检测时发现水位点到达高水位极限时，系统报警红灯亮并急停，同时打开电磁阀放水，待水位正常后系统开始工作。在温度采集时，若发现温度处于低温时，系统打开风机，加速炉膛燃烧，提高水温。若系统采集信号正常，绿灯亮。然后系统又循环重新检测控制。5 系 统 设 计5.1 系统分析汽包水位是锅炉运行的主要指标,是一个非常重要的被控变量,维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件,这是因为:(1)水位过高会影响汽包内汽水分离,饱和水蒸汽带水过多,同时过热蒸汽温度急剧下降。该过热蒸汽作为汽轮机动力的话,将会损坏汽轮机叶片,影响运行的安全性与经济性。(2)水位过低,说明汽包内的水量较少,而当负荷很大时,水的汽化速度加快,则汽包内的水位变化速度亦随之加快,如不及时调节,就会使汽包内的水全部汽化,导致炉管烧坏,甚至引起爆炸。因此,在锅炉控制系统中必须对汽包水位有深入了解并在运行中严加控制。经研究表明：（1） 汽包水位不仅受汽包 (包括循环水管)中储水量的影响,亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与蒸汽负荷蒸汽压力炉膛热负荷等有关。因此,影响水位变化的因素很多,其中主要的因素是锅炉蒸发量(蒸汽流量 S)和给水河 南 科 技 学 院 机 电 学 院4流量。汽包水位在给水流量作用下的动态特性见图 3。由于给水温度比汽图 给 水 流 量 作 用 下 水 位 阶 跃 响 应 曲 线包内饱和水的温度低,所以给水流量增加后,从原有饱和水中吸收部分热量,这使得水位下汽泡容积有所减少。当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时,水位就由于汽包中储水量的增加而逐渐上升,最后当水位下汽泡容积不再变化时,水位变化就完全反映了由于储水量的增加而逐渐上升。因此,实际水位曲线如图中线。即当给水量作阶跃变化后,汽包水位一开始不立即增加,而要呈现出一段起始惯性段。给水温度越低,时滞 亦越大。（2） 蒸汽流量作用下水位阶跃响应曲线在蒸汽流量 S 扰动作用下,水位的阶跃响应曲线如下图 4 所示。图 4 水 位 的 阶 跃 响 应 曲 线当蒸汽流量 S 突然增加时 ,从锅炉的物料平衡关系来看,蒸汽量 S 大于给水量 W,水位应下降 ,但实际情况并非这样 ,由于蒸汽用量增加,瞬间必然导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧,水中汽泡迅速增加,由于汽泡容积增加河 南 科 技 学 院 机 电 学 院5而使水位变化的曲线如图中 L2 所示。而实际显示的水位响应曲线 L 为L1+L2。从图上可以看出 ,当蒸汽负荷增加时,虽然锅炉的给水量小于蒸发量 ,但在一开始时,水位不仅不下降反而上升,然后再下降(反之,蒸汽流量突然减少时,则水位先下降,然后再上升),这种现象称之为“虚假液位” 。应当指出的是: 当负荷突然变化时,水位下汽泡容积变化而引起水位的变化速度是很快的,一般为1020 秒。 “虚假液位”的变化幅度与锅炉的汽包压力和蒸发量有关。对于产汽量 100/230/的中高压锅炉,当负荷变化 10%时,“虚假液位”可达3040。 “虚假液位”现象属于反向特性,变化速度很快,变化幅度与蒸发量扰动大小成正比,也与压力变化速度成正比,这给控制带来一定困难,在设计控制方案时,必须注意。在对水位信号的采集中，使用传统的电极式传感仪。考虑到可能受到“虚假液位”的影响，在软件的编制中，在识别到高极限信号后，同时检测是否同时处于高温高压状态，如果是，说明锅炉处于危险状态，必须急停，如果是高温或高压状态，加上一个延时程序，然后对信号进行重复采集并比较。如果前后比较一致，执行报警等程序，反之，则保持原样运行。5.2 温度压力传感器在对温度压力等信号采集时，系统可采用最新的数字式传感器。该类型传感器功能强大，具有直接对采集信号进行数字化处理、显示和报警设定功能，也可和单片机进行数据传输。在本系统中，当采集的信号超出设定参数时，传感器即时向单片机发出电信号，软件可对这些信号进行识别并作出相应控制。5.3 CPU 选择CPU 是微机的核心，是决定整机性的关键，因此在硬件设计中选取 CPU的型号是很重要的。目前国内市场上单片机的型号很多，市场上的供应商有美国的 Intel， Motorola，在 Zilig 公司，荷兰的 Philips，日本的 NEC，德国的Siemens 等公司的单片机。其中 Intel 公司的 MCS-51 系列由于其参考资料比较齐全，开发工具比较完善，在全国工业控制系统中得到广泛的应用。因此，在本系统选用 MCS-51 系列的 80C592 芯片。所有 80C51 系列单片机均属于MCS-51 中的 CMOS 型单片机，能和型单片机兼容，80C51 的运算速度快。主机频率可达 33MHZ。为了提高工作的可靠性， 80C51 系列单片机内部普遍增设了监视定时器 T3 作为软件看门狗 Watchdog。个别单片机还增设了电源检测和时钟检测功能。80C51 还具有强大的 I/O 口功能，片内集成有 A/D和 D/A 转换器，定时器 T2 具有捕捉输入/比较输出功能，中断优先级由80C51 的 5 级扩展到 15 级以及 SFR 由 8031 的 21 个扩展到 56 个。新增加的河 南 科 技 学 院 机 电 学 院6功能对于系统的进一步完善和升级提供了资源空间。5.4 硬件电路设计P0.0P0.1P0.2P0.3P0.6P0.4P0.5P0.7P1.5P1.6P1.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P2.0P2.2P2.7P2.1P2.3P2.4P2.6P2.5P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.680751SW001SW002SW003SW004SW005SPEAKER+5VL3L4L5MMMSSRSSRSSRSSRSSR+5V380380380CJ0405CJ0405L1L2图 硬件电路示意图表 1 I/O 分配表引 脚 低 极 限 水 位 信 号 输入低 极 限 水 位 指示手 动 信 号 输 入 电 磁 阀 控 制 信 号输 出 低 水 位 信 号 输 入 高 极 限 水 位 指示手 动 供 水 信 号 输入电 磁 阀 控 制 信 号输 出 高 水 位 信 号 输 入 高 压 指 示 手 动 停 水 信 号 输入急 停 控 制 高 极 限 水 位 信 号 输入低 压 指 示 消 音 控 制 信 号 输入手 动 显 示 高 压 信 号 输 入 低 温 指 示 报 警 信 号 输 出 大 泵 工 作 状 态 显 示 低 压 信 号 输 入 高 温 指 示 大 泵 控 制 信 号 输出小 泵 工 作 状 态 显 示 高 温 信 号 输 入 绿 灯 指 示 小 泵 控 制 信 号 输出河 南 科 技 学 院 机 电 学 院7 低 温 信 号 输 入 报 警 指 示 风 机 控 制 信 号 输出5.5 抗干扰隔离在工业控制领域中，单片机不仅要对被控对象进行检测，输入被控系统的开关量和模拟量，而且还要把经过处理后的信息以开关量和模拟量形式输出并控制被控制系统工作，这些开关量（如：动力回路的启闭，机械限位开关状态等）和模拟量（如压力，温度和流量传感器的输出，发电机的输出电压，电流和功率，电网电压，等等）本身往往就是强电系统。因此，强电控制电路必将会对单片机控制系统产生严重干扰，以至单片机控制系统不能正常工作。单片机控制系统和强电控制回路共地是引起干扰的主要原因，因为强电控制回路中的电流和电压往往很大，并会在强电用电器和地之间形成强大的脉动干扰。这个脉动干扰必然会通过接地不良电阻和电容耦合到单片机主机回路中。消除这些脉动干扰的最有效方法是使单片机弱电部分和强电控制回路隔开，在电气连接上切断它们彼此间的耦合通路。在单片机控制系统中,电气隔离通常可分为单片机对开关量的输入/输出隔离和单片机对模拟量的隔离 .在单片机的控制开关量的输出电路时,通常把需要输出的开关量先存在74LS273、74LS373 或者 8224 等锁存器中,然后在锁存器和开关量输出电路间放置隔离电路。隔离电路用于消除开关量输出电路在控制动力设备启停时所产生的冲激干扰,它通常分为继电器隔离和光隔离器两类，继电器隔离适于启动负荷大响应速度慢的动力设备。在本控制系统对外围机电设备的控制中,采用固态继电器(SSR)进行相应的控制。.固态继电器是一种四端器件：两端输入,两端输出,它们之间用光耦合隔离。它是一种新型的无触点电子继电器,其输入端仅要求输入很小的控制电流,与TTL、 HTL、CMOS 等集成电路具有较好的兼容性 ,而其输出则用双向晶闸管(可控硅 )来接通和断开负载电源。与普通电磁继电器和磁力开关相比,具有开关速度快,工作频率高,体积小,重量轻,寿命长,无机械噪声,工作可靠,耐冲击等一系列特点.由于无机械触点,当其用于需要抗腐蚀,抗潮湿,抗振动和防爆的场合时,更能体现出有机械触点继电器无法比拟的优点.由于其输入控制端与输出控制端用光电耦合器隔离,所需控制驱动电压低,电流小,非常容易与计算机控制输出接口。5.6 指示系统在本系统对设备工作状态的指示中,为了达到引起操作人员的注意,采用白炽灯泡指示,由于单片机的输出驱动能力小,所以必须增加驱动器来实现。河 南 科 技 学 院 机 电 学 院8CJ0451 是双外围正与驱动器.图 6 所示为采用 CJ0451 驱动预热灯泡的实际接线图。当单片机 P1 口输出高电平时 ,驱动器输出晶闸管截止,灯泡中会有一股小的预热电流流过并经 RT 流入接地端,但灯泡不发光 。当输出低电平时,驱动器中与非门输出高电平,输出晶闸管导通,灯泡流过额定电流而发光。由于灯泡始终有电流流过,灯泡不会处于绝对“冷态”。这不仅可以减少灯泡从导通转向截止时产生瞬态大电流,而且可以减少导通转向截止时在集电极上产生的反冲电压,从而有效保护了驱动输出晶体管。VCC40P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435343332313029282726 3725 3824 3923 4022 2121INT0- 12INT1- 1314151617XTAL218XTAL119VSS20P1.0 1P1.1 2P1.2 3P1.3 4P1.4 567P1.78RST9111080311K1A1VCC 81Y 32Y 52A 62B7GND41B2CJ0451RTRTL1L2+12V1K+5V图 CJ0451 驱 动 预 热 灯 泡 的 实 际 接 线 图5.7 安全系统当锅炉水位过高或气压过高时，为了保证锅炉的运行安全，设计了两个电磁阀，电磁阀 1 位于锅炉高极限水位上部，电磁阀 2 位于锅炉低极限水位下方。当锅炉内处于高温高压状态时，打开电磁阀 1，释放一定蒸汽。回到安全压力时，系统控制电磁阀关闭。当锅炉内水位超过高水位极限时，打开电磁阀 2，排出一定体积的水，当水位到高水位时，电磁阀 2 关闭。在正常工作时，两个电磁阀的自设状态均为闭合状态。5.8 报警系统为了使现场人员能够及时地监视锅炉的生产情况，整个系统设计有四个报河 南 科 技 学 院 机 电 学 院9警系统，即水位上、下限，以及蒸汽压力上限报警。这里采用软硬件相结合的方式进行报警。本系统采用软件报警程序，即将被测参数与规定的上、下限值进行比较，根据比较结果进行报警或处理，整个过程都有软件实现。要求当系统各参数全部正常时，绿灯亮。若某一个参数不正常，将发出声光报警信号。由于各位都接有反向驱动器，所以，当某位为“1”时，该为指示灯亮。本程序的设计思想是设两种报警模式，一种报警是蜂鸣一定时间后自动停止，用于工作状态时出现的不正常状态报警，此时锅炉处于自动调节范围，经过自动调节可恢复正常工作状态。一种是闪光紧急报警，需操作人员手动消音。用于锅炉处于紧急危险状态，必须操作人员紧急处理的情况。5.9 电源设计为保证系统工作的稳定性,必须考虑系统电源抗干扰问题。设计了一个取自 220V 供电系统的稳压系统。电源设计时,从抑制干扰、阻断干扰转播、增强电源系统本身的稳定度等方面进行了综合考虑。设计的直流稳压电源如图所示,该电源采用双隔离、双滤波、双稳压措施,经检验具有较强的抗干扰性和较高的稳定性。GB220VBC2 C4C1 C31 237805C6 C8C5 C71 237815C10 C12C9 C912 37915-12V+12V图 直流稳压电源电路图6 软件设计软件程序由主程序和子程序组成.系统流程图如图 8。.软件主要抗干扰措施：6.1 为了防止程序失控设立了软件陷阱河 南 科 技 学 院 机 电 学 院10当程序由于外部干扰或硬件瞬时故障使得程序计数器偏离了原定的值，如PC 应加 3，由于上述原因实际加 2，程序将会把操作码和和操作数混淆起来，造成一系列错误。为防止这种情况，在 RAM 中，每隔十几条指令，把连续的几个单元置成00（空操作） 。当程序失控是，只要进入这众多的软件陷阱中的任何一个，都会被捕，连续进行几个空操作，程序自动恢复正常，继续执行后面的程序。6.2 为防止程序死循环，采用时间监视器即利用计数器靠系统时钟进行记数，当计数器满时，将由计数器产生一个复位信号，强迫系统复位，使系统重新执行程序。在正常情况下，每隔一段时间，程序使计数器清零，这样，计数器就不会计满，因而不会产生复位。但是如果程序陷入死循环，计数器将计满而产生溢出信号，是系统复位，程序重新开始启动。可以消除外部对程序的干扰。7 结束语采用新型单片机和新型传感器技术对锅炉系统进行自动控制改造，成本低，技术先进，功能强，硬件电路简单，软件设计简洁，可靠性高，系统二次开发空间大，很有应用前景。参 考 文 献1 何立民编著. 单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社， 19982 何立民编著. 单片机应用技术选编（二）.北京：北京航空航天大学出版社， 19973 胡汉才编著. 单片机原理及其接口技术.北京：清华大学出版社， 19964 张毅刚，彭喜源，谭晓均编著. MCS-51 单片机原理应用设计. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19975 李朝青. 单片机原理及其接口技术. 北京：北京航空航天大学出版社， 19986 武庆生，仇梅编著. 单片机原理及应用. 成都：电子科技大学出版社， 19987 纪宁南编著. 单片机外围器件实用手册(输入通道器件分册). 北京： 北京航空航天大学出版社，19988 陈粤初，窦振中，关悌远，刘伟民编著. 单片机应用系统设计与实践. 北京：北京航空航天大学出版社，1998 河 南 科 技 学 院 机 电 学 院11谢 辞通过本次毕业设计，不仅让我对单片机有了更深刻的理解掌握，而且也对在实际应用中如何进行自动控制积累了实践经验，为以后的工作打下基础。本次设计的顺利进行，得益于刘法治老师的认真细致的指导。刘老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我受益匪浅。他的指导方法以及关键性的建议都使我豁然开朗。他无论在理论上还是在实践中，都给予我很大的帮助，使我得到不少的提高，这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他细心而又耐心的辅导。另外，在系统开发过程中同组的小组成员的积极、团结、热情的态度也起到了很大的帮助，还有同班同学在此方面也给予了我极大的帮助。在这里我也一并地衷心地感谢他们！由于本次设计时间较紧，而锅炉控制系统在实际应用中是一个非常复杂的系统，涉及的专业知识范围很广，因而本论文难免有许多不足之处，欢迎各位老师、专家提出宝贵的指导意见！河 南 科 技 学 院 机 电 学 院12河 南 科 技 学 院 机 电 学 院13付 程 序 单主 程 序 ： ORG 0000HAJMP MAINORG 0100HMAIN： MOV A， #00HMOV P0， AMOV P1， AMOV P2， AMOV P3， ALOOP： JNB P2.0， CONTROL2MOV A， P0CJNE A， #A8H， NEXTACALL ALARM1ACALL STOPNEXT： MOV A， P0CJNE A， #A1H， NEXT1ACALL ALARM1ACALL STOPNEXT1： LP0： JNB P0.4， AALP1： JNB P0.5， BBCLR P1.3CLR P2.4LP2： JNB P0.0， CCLP3： JNB P0.1， DD河 南 科 技 学 院 机 电 学 院14LP4： JNB P0.2， EELP5： JNB P0.3， FFCLR P1.1CLR P2.4CLR P3.2LP6： JNB P0.6， GGLP7： JNB P0.7， HHSETB P1.7， LOOPAA： SETB P1.2SETB P2.4ACALL DELAY0CLR P2.4CLR P1.4BB： SETB P2.7SETB P2.4SETB P3.0ACALL DELAY1， LP1