基于单片机的余热锅炉汽包水位控制系统设计 毕业设计说明书

摘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ABSTRACTDRUMWATERLEVELISANIMPORTANTPARAMETERINFLUENCINGTHESAFEOPERATIONOFTHESURPLUSENERGYBOILERTHECONSEQUENCESAREVERYSERIOUSWHENTHEWATERLEVELISTOOHIGHORTOOLOWSOTHEDRUMWATERLEVELMUSTBESTRICTLYCONTROLLEDTHERAPIDDEVELOPMENTOFSCMTECHNOLOGYMAKESITWIDELYUSEDINCONTROLFIELDANDITIMPROVESTHEPERFORMANCEOFCONTROLGREATLYACCORDINGTOTHEINFLUENCEOFVARIOUSFACTORSONTHEDRUMWATERLEVEL,THISDESIGNADOPTSTHETHREEIMPULSECONTROLSYSTEMSCHEMEOFDRUMLEVELACCORDINGTOTHEMETHODOFENGINEERINGTUNING,THEDESIGNADOPTSTHETUNINGOFPIDPARAMETERSANDUSESMATLABASTHESIMULATIONPLATFORMTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHISCONTROLSYSTEMHASHIGHQUALITYREGULATIONANDITCANMAINTAINTHESTABILITYOFTHEDRUMLEVELACCORDINGTOTHECONTROLREQUIREMENTSANDTHEDESIGNSCHEMEOFTHECONTROLSYSTEM,THEHARDWAREDESIGNWASCARRIEDOUTTHESOFTWAREDESIGNOFTHESYSTEMUSESSCMPROGRAMMINGCONTROLFINALLY,WECANFINISHTHATTHEDRUMWATERLEVELOFTHESURPLUSENERGYBOILERISCONTROLLEDBASEDONSCMKEYWORDSWATERLEVELOFTHESTEAMDRUMTHREEIMPULSECONTROLSCMPIDCONTROL目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111本设计研究的目的和意义112国内外发展情况3第2章余热锅炉汽包水位的设计521汽包水位控制系统的动态特性分析5211保持汽包正常水位的意义5212被控参数与控制变量选择6213在给水流量扰动下的动态特性8214在蒸汽流量扰动下的动态特性922控制系统的方案11221单冲量控制系统12222双冲量控制系统13223三冲量控制系统15224方案选择1623建立数学模型16231汽包水位控制系统的数学模型17232测量变送环节的传递函数18233执行机构的传递函数1924仪表的选择与各变送器转换系数的确定19241流量变送器转换系数的计算19242给水调节阀转换系数的计算20243液位变送器转换系数的计算20第3章硬件电路设计2131A/D转换电路2232I/V变换电路2333D/A转换电路24331DAC0832的简介25332AT89C51与DAC0832的接口电路设计2634V/I变换电路2735AT89C51对LCD的接口电路2836声光报警电路2937AT89C51的最小系统30371复位电路31372时钟电路32373电源电路3338上位机与AT89C51的通信34第4章软件设计3641程序流程设计36411系统主程序流程图36412系统的初始化子程序37413A/D转换检测子程序38414增量型PID控制算法子程序42415D/A转换监控子程序46416报警子程序流程图46第5章PID参数整定及仿真4851PID控制器参数整定4852系统仿真分析51总结54致谢55参考文献56附录1VI电路仿真图58附录2硬件电路大图59CONTENTSABSTRACTCHINESEIABSTRACTIICHAPTER1INTRODUCTION111THISDESIGNRESEARCHPURPOSEANDMEANING112THEDEVELOPMENTSITUATIONATHOMEANDABROAD3CHAPTER2DESIGNOFTHEBOILERSTEAMWATERLEVEL521DYNAMICANALYSISOFSTEAMWATERLEVELCONTROLSYSTEM5211MAINTAINNORMALSTEAMWATERLEVELOFSIGNIFICANCE5212THECHOICEOFPARAMETERSANDCONTROLVARIABLES6213THEDYNAMICCHARACTERISTICSOFUNDERWATERDISTURBANCE8214THEDYNAMICCHARACTERISTICSOFUNDERSTEAMDISTURBANCE922SCHEMEOFTHECONTROLSYSTEM11221SINGLEPULSECONTROLSYSTEM12222DOUBLEPULSECONTROLSYSTEM13223THREEIMPULSECONTROLSYSTEM15224SCHEMESELECTION1623MATHEMATICALMODELISSETUP16231MATHEMATICALMODELOFSTEAMWATERLEVELSYSTEM17232MEASURINGTHETRANSFERFUNCTIONOFTHEPART18233THETRANSFERFUNCTIONOFTHEACTUATOR1924INSTRUMENTSELECTIONANDDETERMINATIONOFCOEFFICIENT19241THECALCULATIONOFTRANSMITTERCONVERSIONCOEFFICIENT19242THECALCULATIONOFWATERREGULATINGCONVERSIONCOEFFICIENT20243THECALCULATIONOFTRANSMITTERCONVERSIONCOEFFICIENT20CHAPTER3HARDWARECIRCUITDESIGN2131A/DCONVERSIONCIRCUIT2232I/VTRANSFORMCIRCUIT2333D/ACONVERSIONCIRCUIT24331THESUMMARYOFDAC083225332AT89C51ANDDAC0832INTERFACECIRCUITDESIGN2634V/ICONVERSIONCIRCUIT2735AT89C51INTERFACECIRCUITOFLCD2836SOUNDANDLIGHTALARMCIRCUIT2937THEMINIMUMSYSTEMOFAT89C5130371RESETCIRCUIT31372CLOCKCIRCUIT32373POWERSUPPLYCIRCUIT3338UPPERMACHINECOMMUNICATIONWITHAT89C5134CHAPTER4SOFTWAREDESIGN3641PROGRAMDESIGN36441THESYSTEMMAINPROGRAMFLOWCHART36412THEINITIALSYSTEM,ANTIFUZZYPROCESS37413A/DCONVERSIONDETECTIONSUBROUTINE38414INCREMENTTYPEPIDCONTROLCALCULATEWAY42415D/ACONVERSIONCONTROLSUBROUTINE46416ALARMSUBROUTINEFLOWCHART46CHAPTER5THEPIDPARAMETERSETTINGANDTHESIMULATION4851THEPIDCONTROLLERPARAMETERSETTING4852SYSTEMSIMULATIONANALYSIS51INTRODUCTION54ACKNOWLEDGEMENTS55REFERENCES56APPENDIX158APPENDIX259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。11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。12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70/952450Q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42MW、热水设计工作压力为07MPA、额定出口水温度为95，进口水温度为70的热水余热额锅炉。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。21汽包水位控制系统的动态特性分析211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。212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，以给水调节阀作为H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21所示12345678余热图21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水H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；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VV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SVDV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（21）DDWWUKDTTUKDTTTHDTT121式（21）中汽包水位；H、时间常数，单位S秒；1T2锅炉蒸汽流量，单位；DHT锅炉给水流量，单位；W给水流量项的时间常数，单位S秒；蒸汽流量项的时间常数，单位S秒；DT给水流量项的放大倍数；WK蒸汽流量项的放大倍数；。MAXUDMAXUW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。213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（21），汽包水位调节对象的运动方程可表示为（22）WWUKDTTTHDTT121对式（22）进行拉氏变换，可得（23）SUKSTSHSTWW121汽包水位调节对象在给水扰动下的传递函数可由式（23）变化得到（24）121STSUSGW在实际工程中，对于蒸汽压力小于20MP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（24）可简化为（25）NSTSH12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，。1TKWHTSM从式（25）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22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22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。214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（21），此时汽包水位的动态特性微分方程可表示为（26）DDUKDTTTHDTT121对式（26）进行拉氏变换，可得（27）SUSSHSDD121蒸汽扰动下汽包水位调节对象的传递函数可由式（27）变化得到（28）12STKSUGD式（28）可等效为两个动态环节的和（29）NFDSSH12式（29）中122TK1DF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22与图23所示WHHH1TT图22给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线DHH2H1HTT图23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HH1H2。从图23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”。（210）1221STKSDHSF式（210）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，；FHTSMK响应曲线H的放大系数；22T响应曲线H的时间常数。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。22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。221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24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25是单冲量水位控制系统框图。蒸汽流量D给水W省煤器LCLT汽包图24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25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。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。222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26、图27是典型的双冲量控制系统的原理图及框图。图26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DICIF图27双冲量控制系统的原理图及框图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。223三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28所示。变送器调节机构变送器变送器汽包调节器HDRHW图28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。224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。23建立数学模型现在把图28所示的控制系统以传递函数方框图的形式重画成图29。WKHSGPSGCDHWDRH图29单级三冲量控制系统方框图其中水位设定值；RHH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；P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数。WDH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。231汽包水位控制系统的数学模型通过实验可得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00529。为了提高仿真的速度，取N1。一阶滞后环节的时间常0KSM数经测量为85S。因此给水流量W与水位H的传递函数为2T2（211）SGP158029S在蒸汽流量单位阶跃扰动下，水位变化的响应速度，增SMKF074益系数,滞后环节的时间常数，N2，故蒸汽流量D与水6132KT762位H的传递函数为（212）SSDHSG132232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（213）1STKGM式（213）中为测量变送环节的放大倍数，与其量程有关；MK为测量变送环节的时间常数，与其容量有关。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传M递函数可写成（214）SETKSG1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MK理。233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（215）1STKGVV式（215）中为执行器的放大倍数；VK为执行器的时间常数；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有VT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。VK24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DDZIII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。241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。（216）WKHTMA032520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。（217）DKHTMA032520242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。（218）UKMAHT375205243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。0027（219）HK30420MA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31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31三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。31A/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32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/OCLOCK和DATAOUT；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；DATAOUT为A/D转换结束三态串行输出端；I/OCLOCK为数据输入/输出提供同步时钟。A89GND10A01A12A23A34A45A56A67A78VCC20EOC19I/OCLOCK18ADDRESS17DATAOUT16CS15REF14REF13A1012A911图32TLC1543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33所示。这里将TLC1543作为外部扩展串行I/O口，由P16来接收A/D转换结果，P15来控制转换地址选择，P17控制片选信号，P14来发送脉冲信号给TLC154310。当P171时，工作状态被禁止，当P170时，TLC1543开始数据转换。I/OCLOCK和ADDRESS使能，DATAOUT脱离高阻状态。随后，CPU向P15端提供4位通道地址。同时,P14口从CPU接受10个时钟长度的时钟序列。前4个时钟从P15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P16端接收前一次A/D转换结果。P101P112P123P134P145P167P178RST9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL118XTAL219VSS20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40P156P34/T014AT89C51A89GND10A01A12A23A34A45A56A67A78VCC20EOC19I/OCLOCK18ADDRESS17DATAOUT16CS15REF14REF13A1012A911TLC15435V5V图33AT89C51与TLC1543的接口电路32I/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34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，NPV0NPI图34可知，该同相放大电路的放大倍数为（31）3413RAIOV若取R3100,R425,R1200,则420MA输入对应于15V的K电压输出。123411LM32412V12VR1200C110UFR2100KR3100KR425KR51KIV图34I/V变换电路通过上面电路的转换，我们就可以把420MADC转换成标准电压信号15VDC,送到TLC1543中进行转换。33D/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，就需要把数字量转换成模拟量的装置，这种装置称为数/模转换器，简称D/A转换器。D/A转换器的功能是将一组输入的二进制数转换为在时间上是连续的模拟量输出，输出模拟量形式有电流型和电压型两种。对于电流型输出D/A转换器可外接运算放大器，将输出电流转换成电压并提高带负载的能力。本设计采用的是DAC0832转换器，其与单片机接口方便，转换控制容易，且价格便宜，在实际中得到了广泛应用。331DAC0832的简介DAC0832是带有与微机连接接口的DAC的典型产品之一，它能与微机CPU总线直接连接，不须附加逻辑。该电路采用双缓冲寄存器，使它能方便地应用于多个DAC同时工作的场合。使用时应外接运算放大器。该芯片的各管脚功能如下为片选端，低电平有效；为写使能控制端，0时，CS1WR1WR允许数据写入输入寄存器；为写使能控制端，0时，允许输入锁存2R2器的内容存入数据寄存器；ILE为输入锁存器的使能端，高电平有效；、为DAC的电流输出端；为传输控制端，低电平有效；1OUTI2XFER为基准电压端，范围为1010V；VCC为正电源电压端；为内部电REFVFBR阻，为外接运算放大器提供反馈电阻。DAC0832的3种工作方式1直通方式这时两级8位数据寄存器都处于输出跟随输入的状况、条件是和1LE同时为1。当ILE1时，、和均为0。由2LECS1WR2XFER输入的数据直接进行D/A转换。07DI2单缓冲寄存器工作方式两个锁存器之一始终处于直通状态，另一个锁存器处于受CPU控制状态。条件是直通，CPU控制。这时DAC0832相当于12LEILERSLE1单片机的一个外部RAM单元，CPU用一条MOVX指令就可以完成D/A转换。3双缓冲寄存器工作方式这种方式是两个锁存器都处于受控方式，CPU通过5条引脚分别控制和，关系为1LE2；（32）11WRCSILEXFERL2CPU要输出转换8位数据必须通过两步操作才能完成。该工作方式多用于2路D/A转换接口场合，每一路模拟输出都接一片DAC0832,并要求同步进步D/A转换输出12。332AT89C51与DAC0832的接口电路设计芯片工作过程如下应用系统中，在只有一路模拟量输出或几路模拟量不需要同时输出的场合，应采用单缓冲方式。本系统中只需要一路D/A转换，采用的单缓冲工作方式。欲将数字量D0D7转换为模拟量，硬件使,12LE只要使0，0，即将和接地，DAC寄存器为不锁存状2WRXFE2WRXFE态。将ILE接5V。由于，用单片机的P20、P21分别11WRCSILE控制、，使、端接负脉冲信号即可完成一次转换。约1S后1WRCSIOUT1和IOUT2就有稳定电流的输出。（、是寄存命令，当1时，121LE输入寄存器的输出随输入变化；0时，数据锁存在寄存器中，不再随数据总线上的数据变化而变化。亦如此。）2LE此电路为420MA输出型，在这种情况下，D/A芯片的输出还需要将电流转换为电压的电路，图35为电流转换为05V电压的电路。此图为单级性输出电路图，在加为负电压时，输出为正极性。由于DAC0832是8位REFV的D/A转换器，对于单极性输出电压，转换的数字值与模拟电压值之间的关系为（33）256REFOUTVB式（33）中；016722BBB为一常数。56REFV显然，和B成正比关系。输入数字量B为0时，也为0，输入数OUTOUTV字量为255时，为负的最大值，输出电压为负的单极性。要想得到标准的T05V电压，只需将选为5V,输出范围为0498V，完成05V的标准电REFV压输出。P101P112P123P134P145P167P178RST9P30/RXD10P31/TXD1P32/INT012P33/INT113P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL118XTAL219VS20P2021P212P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P063P0534P0435P0336P0237P0138P0039VC40P156P34/T014AT89C515VA1B2C3G2A4G2B5G16Y77Y69Y510Y41Y312Y213Y114Y01574LS1385V123411U16ALM32412V12V5VCS1WR12AGND3D34D25D16D07VREF8RF9DGND10VC20ILE19WR218XFER17D416D515D614D713IOUT112IOUT21DAC08325V图35AT89C51与DAC0832的接口电路34V/I变换电路电流信号易于远距离传送，且不易受到干扰，因而在输入、输出通道中常以电流信号来传送信息；在测控系统中，有些仪表只提供电流输入端口，这就需要采用V/I变换将电压信号转换成相应的电流信号。本设计采用双运放、双电源之电流环形路将05V转为420MA。图36为V/I转换电路。123411LM324123411LM324R210KR310KRS25R11KR11KD1R525012V12V12V1V420MAIOUTVIN12VVAVBNPNPA1A2图36V/I转换电路根据虚短虚断的概念可得到（虚短）（34）NPINVA1（35）OUT2（36）BAOUTR1（37）INVV（38）OUTSBAI（39）12RTSIN（310）12RVISINOUT此线路设计可用于05V转为420MA的电流环，然后需要设置参考点电压为负即可，如果参考点为0V,则输出电流值为020MA；为1V时，REFVREFV输出电流值为420MA13。35AT89C51对LCD的接口电路LCD（LIQUIDCRYSTALDIODES）是液晶显示器的简称，LCD并不发光，但通过外加某种电压可以改变光线的折射方向，从而达到显示字符或者图形的目的，并且显示内容丰富，信息量大。由于液晶显示器具有体积小、重量轻、低电压、微功耗、抗干扰能力强等优点，所以其应用特别广泛，从电子表到计算器，从袖珍式仪表到便携式微型计算机，以及一些文字处理机，都用到了LCD。随着LCD器件价格的下降，人们会越来越多地使用LCD取代LED。在单片机系统中，LCD是一种很重要的外设。LCD用来显示控制过程和运算结果14。AT89C51与LM032L的接口电路如图37所示。由RS位控制往LM032L发送指令，还是数据；由RW位控制是读，还是写。当RS0，RW0时，写指令操作；当RS0，RW1时，写数据操作；当RS1，RW0时，读指令操作；当RS1，RW1时，读数据操作。本设计只需置P271，P261即可，执行读数据操作。实时地读取给水流量和蒸汽流量的数值大小。P101P112P123P134P145P167P178RST9P30/RXD10P31/TXD1P32/INT012P33/INT113P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL118XTAL219VS20P2021P212P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P063P0534P0435P0336P0237P0138P0039VC40P156P34/T014U8AT89C51VS1VDD2VEE3RS4RW5E6D07D18D29D310D411D512D613D714U10LM032L5VVAR55V5VPOWER1R12R23R34R45R56R67R78R8910KU1图37AT89C51与LM032L的接口电路36声光报警电路为了安全生产，在单片机控制系统中，对于重要的参数一般都设有上下限检查及报警系统，以便提醒操作人员注意或采取紧急措施。本设计根据控制要求，当测出采样值大于180MM或小于180MM时，报警系统启动，且系统能自动调整参数。该报警系统共有1个报警参数，即水位H，2个报警点，即水位上限