过程控制液位控制系统(毕业设计)要点

1、中南大学过程控制仪表课程设计报告设计题目 锅炉液位捽制系统指导老师 王莉吴同茂设计者 专业班级 白动化0710设计日期 2010年6月i第一章 过程控制仪表课程设计的目的意义 11.1 设计目的 11.2 课程在教学计划中的地位和作用 1第二章 液位控制系统 （实验部分） 22.1 控制系统工艺流程22.2 控制系统的控制要求42.3 系统的实验调试 5第三章锅炉液位控制系统工艺流程及控制要求 73.1 控制系统工艺流程 73.2 设计内容及要求 8第四章总体设计方案 94.1 设计思想 94.2 总体设计流程图 10第五章 硬件设计 115.1 硬件设计概要115.2 硬件选型 125.3

2、硬件电路设计系统原理图及其说明 14第六章软件设计 166.1 软件设计流程图及其说明 166.2 源程序及其说明 17第七章系统调试及使用说明 23第八章收获、体会 2425参考文献第一章 过程控制仪表课程设计的目的意义1.1 设计目的本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、 信号处理技术和控制系统的设计， 掌握测控对象参数检测方法、 变送器的功能、 测控通道技术、 执行器和调节阀的功能、 过程控制仪表的 pid 控制参数整定方法， 进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力， 进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下 :1. 掌握变送器功能原理，能选

3、择合理的变送器类型型号；2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；3. 掌握pid调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统 的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。4. 通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。1.2课程设计的基本要求本课程设计是为 过程控制仪表 课程而开设的综合实践教学环节， 是对 现代检测技术、 自动控制理论、 过程控制仪表、 计算机控制技术等前期课堂学习内容的综合应用。 其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力， 使学生通

4、过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型， 促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。 课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、 流量、 液位及温度控制系统， 使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、 信号处理技术和控制系统的设计， 掌握测控对象参数检测方法、 变送器的功能、 测控通道技术、 执行器和调节阀的功能、 过程控制仪表的 pid 控制参数整定方法， 进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力， 进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下 :1. 掌握变送器功能原理

5、，能选择合理的变送器类型型号；2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；3. 掌握pid调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统 的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。4. 通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。第二章液位控制系统2.1 控制系统工艺流程在复杂的工业过程控制系统中，简单的单回路过程控制系统不能满足性能指 标要求时，就要采用复杂的过程控制系统和智能控制策略。 液位审级是复杂的过 程控制系统，由主、副两个回路组成，每个回路中有各自的调节器和被控对象

6、， 即主回路中的调节器称主调节器， 被控象为下水槽，作为系统的主被控对象，下 水槽的液位为主控制量。副回路中的调节器称副调节器，被控对象为上水槽，为 系统副被控对象，上水槽液位为副被控量。图2-1带连接信号插孔的液位装置工艺模拟流程图审级控制系统的目的是使系统具有良好的动态性能和稳态性能， 确保主被控 量的控制质量，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主被控对象的时 问常数大于副被控对象的时间常数， 因而当主被控量未作出反映时，副回路已作 出快速响应，及时地消除了扰动对主被控量的影响。 此外，如果扰动作用于主被 控对象，由于副回路的存在，使副被控对象的时间常数大大减小， 从而加快了系 统

7、的响应速度，改善了动态性能。图2-2液位串级过控系统方框图112.2 控制系统的控制要求2.2.1 双回路串级控制目的在试验中有主 副两个控制回路，主，副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值hs， 它的 u1 作为副调节器的给定值， 副调节器的输出 u 控制执行器， 以改变主参数h1。 被控对象是两级串联水箱， 被控量是水箱的液位hs，调节参数是流入水箱量q， 水箱液位由液位变送器检测得到也未反馈信号hf ， 它和液位设定信号hs进行比较，得到偏差信号el,进行pid计算，输出变化控制 信号，控制电子阀门的阀位，改变进水量，是被调参数保持在在设定值。2.2.2 试验中具体要求(1)

8、掌握pid控制算法及p、i、d参数的含义及功能；(2)用工程的方法(看曲线，调参数)整定调节器控制规律及pid参数，并观察pid参数对系统动态、静态性能的影响。(3) 测取液位串级过程控制系统的动态、静态特性；具体要求：超调量(r20%调节时间ts 100s,余差 5%3.3.3 主回路pid参数整定由于主回路是一个恒值系统， 我们要求其超调量， 调整时间， 稳态误差等参数都要求较高，用临界扩充响应曲线法并结合 pid 试凑法最终整定的参数是p=50， i=40 ， d=53.3.4 副回路 pi 参数整定由于主回路是一个随动系统， 我们主要要求其跟随速度快， 减小副回路的滞后时间，超调量，稳

9、态误差要求相对要低一些，用临界扩充响应曲线法并结合 pid 试凑法最终整定的参数是p=100， i=45 ， d=33.3.5 主副回路联调在联调是，我们要求根据主回路修改目标值sv,系统都具有很好的响应速度快，超调小等动态特性和稳态误差小静态特性，而且调节时间尽可能小。2.3 系统的实验调试2.3.1 实验仪表装置简介c:控制器（调节器）。该调器配有三个单回路调节器 c1 c2和c3,控制输出 信号为420ma每个调节器设有三对插座孔。其中：pv孔为测量值输入，sv孔 为外设定输入或反馈信号输入，o为调解器输出。r:记录仪为无纸3通道记录仪，输出信号420ma其中r1孔为1号通道，r2 孔2

10、号通道，r3孔为3通道。ht:液位变送器。变送输出为420mavl:电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入420mafe流信 号，对应阀门输出开度0100%丫12和a12:两路电压/电流转换器。2.3.2 具体调试过程（1） 按设计好的线路图接线，确定无误后方可合上电源。（2） 按照课本要求设置pid 智能控制调节器控制参数（包括二级参数） 。（3）先设定主、副调节器的控制规律、pid参数。智能调节器1主给定量sv设为 100，智能调节器2 设定为外给定。打开手动阀 1，回水阀 1 打开50%，启动水泵 1 并运行系统。在上位监控系统观察液位串级过程控制系统的输出特性。该系统为复杂

11、系统， 用工程的方法反复调整pid 参数， 直到系统动态、 静态特性满足要求为止。其中 pid 参数调节按照以下原则对于液位系统： p（ %） 20-80 ， i （分） 1-5参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4 比 1一看二调多分析，调节质量不会低(4) 记录各个参数2.3.3各个记录参数topidkpkikd主回路3s5040520.35/3副回路3s10045

12、312/151/2表2-1pid参数记录最终调节达到的效果：调节时间 90s；超调量0.16;余差0.02 如下图所示给定量hs为50,观察pid调节过程是否满足要求第三章锅炉液位控制系统工艺流程及控制要求3.1 控制系统工艺流程目前我国的燃烧锅炉的数量众多，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗媒 量占我国原煤产量的四分之一，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环 境污染严重的生产状态。锅炉微机控制，是近年来新开发的一项新技术，它是微型 计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制，微机控制有着明显优势。单片机是在一块芯片上集成了

13、一片微型计算机所需的cpu、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。 一般 ,工业控制系统的工作环境差,干扰强 ,利用单片机控制就能克服这些缺点 ,因此单片机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制锅炉是很好的选择。使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位， 可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制,测量温度时采取光电耦合器,实现光电隔离,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位系统的控制 ,控制方便且系统

14、稳定性能好；采用压力传感器对压力进行测控，采取压电陶瓷传感器,可大大简化设计方案，系统性能也更稳定；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现蒸汽与给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供气供暖，维持稳定系统，保证安全经济运行。本文就是采用8051 单片机为核心芯片的一种锅炉控制系统，具有较高的实用价值和优越性。3.2 设计内容及要求本设计是采用 8051 单片机为核心芯片 , 及其相关硬件来实现的锅炉液位控制系统 , 在用液位传感器测液位的同时, 又用光电式隔离器和压力传感器对锅炉的温度和压力进行检测，cpu1

15、环检测传感器输出状态，并用3位七段led显示示液位高度 , 检测液位、温度和压力等数据, 实施报警安全提示, 当锅炉液位低于用户设定的值时, 系统自动打开泵上水, 当水位到达设定值时, 系统自动关闭水泵。水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的p1.0、 p1.1、 p1.2、p1.3 口，实时对锅炉里的水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平； 当水位低于此光敏三极管的位置时， 其输出端口就向单片机输出低电平。 由上至下的第一个位置为水位上限报警线， 即当水位高于此位置时， 开

16、水阀控制系统就会自动报警， 提醒工作人员注意， 加水电磁阀有可能出故障； 第二个位置是自动停止加水线， 即当水位高于此位置时， 控制系统会自动关闭加水电磁阀， 停止加水； 第三个位置是自动加水线， 即当水位低于此位置时， 控制系统会自动接通加水电磁阀， 开水加水； 第四个位置是水位下限报警线， 即当水位低于此位置时， 开水房控制系统就会自动报警， 提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。第四章 总体设计方案4.1 设计思想4.1.1 硬件设计思想系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制 , 通过四对传感器分别安装在锅炉内四个不同的位置，由上至下测量锅炉液位值，。并

17、把这四个液位状态通过模数转换器 adc0809专到单片机中,在通过3 位七段led显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。用led显示是因为它 具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵, 需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。本设计运用了多种传感器, 在使用液位传感器测液位的同时,我还选用了光电式传感器和压电式传感器来对锅炉的温度和压力进行测量, 因为我们所提到的锅炉常用于供暖, 所以温度的检测很重要, 至于选用压力传感器主要是出于安全考虑的 , 压力过大有可能对锅炉造成损害甚至造成爆炸, 压力过低会导致锅炉控制系统

18、无法正常运行。4.1.2 软件设计思想水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的p1.0、 p1.1、 p1.2、p1.3 口，实时对锅炉里的水位进行检测。本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比 ,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。 其优越性主要在于： 首先， 通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在充分的情况下进行，可以提高燃烧效率。4.2 总体设计流程图图4-1总体设计流程图第五章硬件设计5.1 硬件设计概要锅炉自动控制包

19、括对锅炉的液位，压力，温度等的控制，本系统只侧重于介 绍锅炉的液位控制。液位控制是利用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传 感器把液位的状态转换成模拟信号，再通过模数转换器adc0809把输出状态直接 接到单片机的i/o接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接 led 进行显示，实现液位报警和键盘显示与控制；其压力控制是通过压电传感器将接 受的信号转变成电信号，通过模数转换 adc0809进行转换后与8051单片机接口 相连，使其与设定值相比较从而实现压力报警和控制；其温度检测选用的是光电隔离器，实行光电隔离，有利于人员对温度的检测，再通过模数转换器adc0809进 行转换后与80

20、51单片机接口相连，使其与设定值相比较从而实现温度报警；而本设计主要是又t液位进行控制，下图是锅炉液位控制系统。图5-1锅炉液位控制系统由上图可观察到传感器通过对液面、温度和压力进行测量，输出模拟信号， 再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算控制，在通过led进行显示，通过报警装置进行报警，报警显示之后再通过对阀门 的开启实现对锅炉的液位进行调节控制 悯门的驱动设备是电动机。5.2 硬件选型5.2.1 核心芯片8051单片机计算机芯片mcs-51是一个电脑晶片，英特尔公司生产系列。它是在mcs-48 系列的基础上发展的高性能的 8位单片机。所出的系列产品有80

21、51、8031、8751。 其代表就是8051 o其他系列的单片机都以它为核心，所以本设计采用的核心芯片 是8051单片机。cpu是它的核心设备，从功能上看，cpu包括两个部分：运算器和 控制器，它执行对输入信号的分析和处理。整个系统电控部分以atmel公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处 理、输出三个过程。这种芯片内置 4keprom,因为系统要求控制线较多，如果 采用8031外置eprom程序控制结构，则造成控制线不够；而8051却可以利用p0、p2 口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、led数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大

22、的提高pin复位端p?in时钟端格地端(pijse140 vgc p1.1 e239口皿!我期pie3善 p0；1 adi)1pl .3 0437hpcu谶叫ip14c5363 p0.3 (ad3)pijse6:不口 r14 斛 mpl734口触帆翻ip1jcb33 rae(ad6) rstlg蜜 rl7qhr)/网码rm1031二瓯wpp(txd) p3j eii30 ale/prog叔tqi p3.2112291321电7承购(to) f3a c1427(t1) p3.5 e1526 p2 5a13)(囚r) p3.6 匚16产 p24(a12)(rdj p3.7 匚1724二 p2.2

23、i a i 1xtal2 t18段(a13xtal1匚1922口睡tmgndc绚21格vcc f+5v)p205.2.2 液位传感器在锅炉液位才$制系统中，传感器的选择是非常重要的，传感器是能感受规定的 被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件 和转换元件组成，它的性能直接影响到整个检测系统，对检测精确度起着重要的作 用。传感器的种类很多，有温度传感器，加速度传感器，光学传感器，压力传感器的 本设计主要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器来对液位c!行控制，又用光电式传感器和压电式传感器来对温度和压力进行检测，在把检测的电信号输入到单片机进行分析，

24、这个设计的重点是液位的控制，所以下面我要 对液位传感器进行设计。采用的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传 感器如下图5.2.3 adc0809a/d 转换器adc0809是带有8位a/d转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的 控制逻辑的cmos组件，其转换方法为逐次逼近型。在 a/d转换器内部含有一 个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个 逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在 8个通 道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存 和译码，而且三态ttl输出也可以锁存，所以它易于与

25、微型计算机接口。152627281612,in-0msb2-12-2,in-142-342-4,in-22-52-6,in-32-7,in-4lsb 2-8adc0 809eoc,in-5add-a,in-6add-badd-cin-7al ere f(-)enabl estartr re八 /ref(+)cl ock ,2019188151417725242322961021图5-3adc0809管脚图5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明硬件电路由报警电路.键盘/显示模块电路.复位电路等电路构成5.3.1 报警电路；下列四种情况发生系统报警：1）当锅炉达到上限极限水位时报警，炉内的水位到达

26、上限极限水位时系统发出报2）锅炉内压力过高报警，压力传感器检测到锅炉内压力过高与设定值时发出报t itle3）锅炉内压力过低报警，压力传感器检测到锅炉内压力过低与设定值时发出报4）循环泵故障报警,故障，报警系统sizel e tterda te:当循环泵开后后，出水与回水温度的差值很大，认为循骑靠nu mb er1 9-jun-2 007e曹德宝2 2back1712lsspeake r图5-4臼动报警电路5.3.2 键盘/显示模块电路显示部分我采用三位7段led显led显示器是单片机应用中最常用的输出部件，它是由若干发光二极管组成，1当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的

27、二极管导通，就能显示出各种字符。用led是为具有显示清晰、亮度高、电压低、光电转换效能局、7 4ls164354g f e d c b a q q q q q q q311k1k1长的特点。42aaak1aka1 7 1at8-2a1 9 32 0 42 1 52 2 62 3 72 4 8e，dg dpambevcca5.3.3复位电路图5-5led显示电路8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图 2-3。止匕外,reset/vd还是一复用脚，vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内 部ram勺数据不丢b失，此设计采用自动复位电路。图5-6复位电路第六章软件设计6.

28、1 软件设计流程图及其说明该系统硬件系统完全，但系统的运算与控制必须靠软件支持，本控制系统采 用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法， 因此软件程序较简单，整个 软件部分分为以下几个部分。6.2 源程序及其说明6.2.1 源程序org 0000hajmp mainorg 0003hajmp mainorg 000bhajmp mainorg 0013hajmp mainorg 001bhajmp mainorg 0023hajmp mainorg 0030hmain: clr p3.6mov p0,#0ffhacall ql;mov 3bh ,#95main1: mov 3bh,#95a

29、call shuicpm ;水位检测子程序acall baojing ;报警子程序acall delay2ajmp main1;bbb1: mov a,37hadd a,#10clr csubb a,3bh27jncok2;clrp2.1;mova,37hadda,#20clrsubba,3bhjncok2clrp2.1;setb20h.0retok2: clr20h.0ret6.2.2 水位检测主程序这是程序运行的主要程序段，主要实现启动 adc0809 转换器，并从a/d 转换器采集信号，shuicpm:mov a,p1anla,#0fhmov30h,#0fh ;00001111cjnea

30、,30h,aaa1setbp2.0setb20h.1 ;setb水位状态标志位ajmpout2aaa1: mov30h,#0eh;00001110cjnea,30h,aaa2setbp2.0clr20h.1ajmpout2aaa2: mov 30h,#0ch;00001100cjne a,30h,aaa3clr 20h.1clr p2.0ajmp out2aaa3: mov 30h,#08h ;00001000cjne a,30h,aaa4clr p2.0clr 20h.1ajmp out2aaa4: mov 30h,#00h ;00000000cjne a,30h,aaa5setb p2.0

31、setb 20h.1ajmp out2aaa5: setb 20h.2retout2: clr 20h.2retbaojing: jb 20h.3,out6mov a,20hmov 30h,#00hcjne a,30h,out5ajmp out6out5: setb p3.6jb 20h.4,out9setb p0.1out10: jb 20h.2,out11setb p0.2out12: jb 20h.1,out13setb p0.3out14: jb 20h.0,out15setb p0.4out16: retout6: clr p3.6retout9: clr p0.1ajmp out1

32、0out11: clr p0.2ajmp out12out13: clr p0.3ajmp out14out15: clr p0.4ajmp out166.2.3 水位检测子程序shuicpm:mov a,p1anl a,#0fhmov 30h,#0fh ;00001111cjne a,30h,aaa1setb p2.0setb 20h.1 ;setb 水位状态标志位ajmp out2aaa1: mov 30h,#0eh ;00001110cjne a,30h,aaa2setb p2.0clr 20h.1ajmp out2aaa2: mov 30h,#0ch ;00001100cjne a,3

33、0h,aaa3clr 20h.1clr p2.0ajmp out2;00001000;00000000aaa3: mov 30h,#08hcjne a,30h,aaa4clr p2.0clr 20h.1ajmp out2aaa4: mov 30h,#00hcjne a,30h,aaa5setb p2.0setb 20h.1ajmp out2aaa5: setb 20h.2retout2: clr 20h.2retbaojing: jb 20h.3,out6mov a,20hmov 30h,#00hcjne a,30h,out5ajmp out6out5: setb p3.6jb 20h.4,o

34、ut9setb p0.1out10: jb 20h.2,out11setb p0.2out12: jb 20h.1,out13setb p0.3out14: jb 20h.0,out15setb p0.4out16: retout6: clr p3.6retout9: clr p0.1ajmp out10out11: clr p0.2ajmp out12out13: clr p0.3ajmp out14out15: clr p0.4ajmp out16第七章 系统调试及使用说明本系统主要介绍了锅炉的液位检测控制，还介绍了对温度和压力的检测控制，介绍了 8051 单片机和其它一些单片机在锅炉控制系统中的应用，介绍了它们的引脚和在系统中的电路图， 本设计还采用了多种传感器来对液位、 温度和压力的信号采集， 利用 led 来进行信号的输出显示,我设计的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良好的人机交互功能,并设有液位报警、高压、低压和阀门失灵等故障报警， 有问题立即就能发现。 通过自动调节控制液位并实现锅炉内温度和水位的报警。 液位控制在