单片机锅炉水位微机控制系统设计

1、工业锅炉水位微机控制系统1. 设计的目的和意义：工业锅炉实现微型计算机控制，是锅炉安全生产，提高热效率，节约能源的一大创举。锅炉控制的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。2. 应解决的主要问题：本设计主要解决传感器的选择（温度，压力，水位）、输出道的设计和软件程序的设计。其所能达到的技术指标为（1

2、）可以对锅炉水位，蒸汽量和给水量分别采集（2）通过单片机控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内（3）具有键盘显示功能（4）具有报警功能当水位超过上限或下限时，能及时报警。目前国内外随便科学技术技术的发展，都采用三冲量水位自动调节系统，该控制引进蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，因此得到广泛的应用。1 设计方案工业锅炉汽包水位的自动控制，根据锅炉容量大小，供给蒸汽（或热水）的使用要求不同，通常有单冲量自动控制系统、双冲量自动控制系统和三冲量自动控制系统三种形式。1.1 单冲量水位控制系统1.2 双冲量水位控制系统1.3 三冲量水位控制系统 图1 三冲量框图工业

3、锅炉采用三冲量控制系统时，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，控制器能迅速消除干扰。如给水流量减少，控制器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀门，使水流量保持不变。另外，给水流量信号也是控制器动作后的反馈信号，能使控制器及早知道调节的效果，所以三冲量给水调节系统，控制器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失调，这样汽包水位就很少受到影响。从三冲量水位控制系统的可以看出，它由两个闭合回路组成：（1）是由给水量，调节阀，控

4、制器组成的内回路；（2）由汽包水位对象和内回路构成的主回路，蒸汽流量和分流器均在闭合回路之外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。1.4 设计方案的确定设计内容是以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号给水量为控制器的反馈信号来控制给水量。通过单片机的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相应措施。设计方案是以蒸汽流量为前馈信号，给水量为控制的反馈信号，经AD转换后送入单片机，经单片机分析计算后输出控制信号，通过控制给水流量来控制锅炉水位，使锅炉水位维持在正常的范围内。同时系统对温度和压力

5、信号进行采集和分析，可对超标量的进行报警，同时具有键盘、显示电路和看门狗电路。如图2所示图2-2 设计方案框图2 硬件设计2.1 最小系统设计2.1.1 单片机选择 MCS-51由如下几个功能部件组成：（1）微处理器（2）数据存储器（3）程序存储器（4）4个8位并行I/O口（5）一个串行口（6）2个16位定时器/计数器（7）中断系统（8）特殊功能寄存器。MCS-51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点，特别值得一提的是MCS-51CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微机算机。这个1位计算机有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。1位机在开关决策，逻辑电路仿真，工业控制方

6、面非常有效：而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相成，它是计算机的技术上的一个突破，本设计采用89C-51单片机。89C51其主要特性为（1）与MCS-51 兼容（2）4K字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000写/擦循环（4）数据保留时间：10年（5）全静态工作：0Hz-24Hz（6）三级程序存储器锁定（7）128*8位内部RAM（8）32可编程I/O线（9）两个16位定时器/计数器（10）5个中断源 （11）可编程串行通道（12）低功耗的闲置和掉电模式（13）片内振荡器和时钟电路 。引脚图如图3所示图3 89C51

7、引脚图2.1.2 复位电路设计MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路连接，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种形式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位，当时钟频率选用6MHz时，C取22F时，R取1K欧姆。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源接通

8、实现。2.1.3 时钟电路选择MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，本设计采用内部时钟方式。2.1.4 “看门狗”电路本设计采用MAX690芯片，具有以下性能：具有看门狗电路，进入死循环的时间间隔超过1.6s时，将产生一个复位输出。具有备用电池切换电路，备用电池可供电给RAM芯片，在微处理器上电、掉电及供电电压时，产生一个复位输出信号可用于低电平检测，看门狗电路如图4所示图4 看门狗电路2.2 前向通道设计2.2.1 传感器的选择 （1） 温度传感器选择本设计采用WP

9、-PT100温度传感器，其特性与应用：抗震性好，耐高压，多种温度型号可选择，安装方式多元化，可进行OEM定做，应用与化纤，橡塑，石油，造纸，水电，食品等设备的过程温度测量与控制。（2） 压力传感器选择本设计采用PT112型压力传感器，PT112系列高温熔体压力传感器是一种基于惠斯登电桥原理而工作的，其耐高温特性可以应用于特殊的的工业，使其成为橡塑，化纤等机械设备中高温流体压力测量与控制的理想产品。 （3）水位传感器选择本设计采用CR-601C型水位传感器，CR-60系列电容式液位变送器，适用于高温高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞等恶劣条件下连续检测可导电的液体。特别适合测量酸碱溶液和锅炉的水位。整

10、机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高、性能价格比好。替代传统的浮球式、投入式、差压式等液位变送器在各种场合下应用有不可比拟的优势。（4）流量传感器选择本设计采用LUGB-21/ZX涡街流量传感器,可以用于多种数据散集系统，与XS型流量显示仪配套组成流量计，用于测量管道中液体、气体、蒸汽的瞬时流量和累积流量，并输出信号控制相应设备。该传感器广泛用于电力、机械、轻工、冶金、石油、化工、造纸、科研及城市供水、供热、供气以及各种工业过程控制、能源管理和环境工程等领域。2.2.2 A/D转换芯片的选择本设计采用A/D转换器ADC0809。图5 ADC0809接线图2.3 后向通道设

11、计2.3.1 DA转换本设计采用DA转换器DAC0832。 图6 DAC0832引脚图DAC0832与单片机接线图7所示。图7 DAC0832与单片机接线2.3.2 V/I转换芯片选择本设计采用V/I转换芯片AD694,AD694产品是一个单片电流变送器接受高层次的信号输入标准4 -20毫安电流回路为控制阀门，执行器和其他装置中常用的过程控制。 2.3.3 调节阀本设计采用HRTP-64KE电动调节阀。HRL电动执行器采用一体化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。有数字显示窗口，可看到控制信号值、阀位值。2.4 键盘显示电路设计2.4.1 键盘电路的设计本设计采用行列式键盘。 为进一

12、步提高单片机扫描键盘的工作效率，可采用中断扫描方式，既只有在键盘有键按下时，才执行键盘扫描程序并执行该按键功能程序，如果无键按下，单片机将不理睬键盘。2.4.2 显示电路设计2.4.3 利用并行I/O芯片8155H实现键盘/显示89C-51单片机用扩展I/O接口芯片8155H实现4为LED显示和12键的键盘/显示接口电路。其单片机与8155H的 接口电路如图8所示。 图8 单片机与8155H接口电路2.5 报警电路设计2.5.1 蜂鸣音报警本设计采用蜂鸣音乐报警装置，如图9所示 图9 蜂鸣报警电路3 软件设计 开 始3.1 主程序设计 初 始 化 开 中 断扫 描 键 盘 显 示图10主程序流

13、程图3.2 T0定时中断子程序设计 中 断 开 始 Y NN 六 秒 单 元 清0 滤 波 标 度 变 换 报 警 处 理 PID 运 算 滤 波 到 六 秒 ？ 一 秒 单 元 清 0到 1秒 ？ 关 中 断 保 护 现 场 Y 调 样 子 程 序 2 调采样子程 序 1 标 度 转 换 D/A 输 出重 新 载 入 时 间 常 数 恢 复 现 场启 动 T0， 开 中 断 中 断 返 回图11 T0定时中断子程序流程图3.3 采样子程序设计采样子程序是1对蒸汽流量和给水流量进行采集，采样子程序2是对温度、压力、液位、蒸汽流量和给水流量进行采集。 开 始 设N=2 选 择0809的 INX通

14、道 调 样 子 程 序 启 动 A/D 转 换 延 时 返 回 图12 采样子程序1流程图 读 取 结 果 设N=5 调 样 子 程 序 指向下一个存储单元 N采集四次 ？ 返 回NY图13 采样子程序2流程图N路采集完？Y 返 回 图14 采样子程序流程图 延 时 段码 PB口 置显示缓冲区首位置 置位选码初值 查 段 码 表 位选码 PA口 8155 初 始 化 开 始3.4 显示子程序的设计 YN 调 整 位 选 码 返 回4位显示完否？ 指向下一显示缓冲区地址 图15 显示子程序流程图N3.5 滤波子程序设计在此系统中数字滤波采用算术平均滤波法。 取4次采样数据之和求算术平均值开始返回

15、 图16 滤波流程图 3.6 标度变换标度变换是将测量的模拟量（电压 或电流）转换成可以显示的数值。测控系统中的被测变量如温度、压力等的单位与数值都不相同。但它们经传感器转换成电信号后又经信号调理转换成统一的0-5V、1-5v等信号,然后经AD转换变成00H-FFH(8位)或000H-FFFH(12位）等的数字信号。测控系统的监测装置要求按被测变量的工程单位进行显示，因此，还需把上述的数字信号转换成带有不同工程单位的测量值，这项工作标度变换程序完成。线性仪表的标度变换公式为：AX=A0+(Am-A0)*(Nx-N0)/(Nm-N0)AX 仪表测量值A0 一次测量仪表的下限Am 一次测量仪表的上

16、限N0 仪表下限对应的数字量Nm 仪表上限对应的数字量Nx 测量值所对应的数字量其中A0、Am、N0、Nm对于某一个固定的被测参数而言都是常数,对不同的参数各有不同的值。为简化标度变换程序,通常把被测参数的起点A0（输入信号的下限）所对应的AD转换后的数字量为0，即N0=0，则上式可简化为AX=(Am-A0)*Nx/Nm+A0 开 始 AX=(Am-A0)*Nx/Nm+A0 返 回 图 17 标度变换流程图3.7 PID运算PID参数的整定有两种可用的方法，理论设计法及实验确定法。用理论设计法确定PID控制参数的前提是要有被控对象准确的数学模型，这在工业过程中是很难做到的。因此，用实验确定法来

17、选择PID控制参数的方法便成为经常采用而行之有效的办法。试凑法试凑法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。我们知道，PID控制器各参数对系统的影响是；增大开环比例系数，一般将加快系统的影响速度，在有静差的情况下则有利于减小静差；但过大的比例系数又会加大系统超调，甚至产生振荡，使系统不稳定。在试凑时，实行先比例、后积分、再微分的反复调整。其步骤如下：1）整定比例部分，先置PID控制器中的T1=、T2=0，使之成为比例控制器，再将比例系数由小变大，观察相应的响应，使系统的过渡过程达到4:1的衰减振荡和较小

18、的静差。如果系统静差已小到允许范围内，并且已达到4：1衰减的响应曲线，那么只需用比例控制器既可，最优比例度就由此确定。2）加入积分环节，如果只用比例控制，系统的静差不能满足要求，则需加入积分环节。整定时，先将比例系统减小1020%，以补偿因加入积分作用而引起的系统稳定性下降，然后由大到小调节，在保持系统良好动态性能的情况下消除静差。这一步可以反复进行，以期得到满意的效果。3）加入微分环节，在整定时，先置T为零，然后，在第2步整定的基础上再增大T，同时相应地改变比例系数K和积分时间T，逐步试凑以获得的控制效果和控制参数。临界比例度法扩充临界比例度法是模拟控制器使用的临界比例度法的扩充，它用来整定

19、数字PID控制器的参数。其整定步骤如下：1）被控系统稳定后，把控制器的积分时间放到最大，微分时间放到零。2）通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察由此而引起的测量值振荡。3）从大到小的，逐步把控制器的比例度减小，看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的?如是衰减的则应把比例度继续减小；如是发散的则应把比例度放大。4）连续重复2、3步，直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡，即持续45次等幅振荡为止。此时的比例度示值就是临界比例度PB。然后根据临界振荡公式进行PID计算。响应曲线法扩充响应曲线法是将模拟控制器响应曲线法推广用来求数字PID控制器参数。这个方法首先要经过试验测定开环系统对阶跃输入信

20、号的响应曲线，具体步骤如下：1）数字控制器，使系统在手动状态下工作，人为地改变手动信号，给被控对象一个阶跃输入信号2）用仪表记录下被控参数在此阶跃输入作用下的变化过程曲线，即对象的阶跃响应曲线。2）对象的响应曲线上，过拐点P作切线，求出等效滞后时间和等效时间常数Tm，并算出它们的比值Tm/。3）选择控制度。根据所求得的、Tm和Tm/的值，查下表。控制度控制规律T 1.05PI0.03Tr0.53Kr0.88TrPID0.014Tr0.63Kr0.49Tr0.14Tr1.50PI0.14Tr0.42Kr0.99TrPID0.09Tr034Kr0.43Tr0.20Tr 2.0PI0.22Tr0.3

21、6Kr1.05TrPID0.16Tr0.27Kr0.40Tr0.22Tr模拟控制器PI0.57Kr0.83TrPID0.70Kr0.50Tr0.13Tr 临界比例度法PI0.45Kr0.83TrPID0.60Kr0.50Tr0.125Tr4 总结 全文主要采用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，给水量为控制器的反馈信号来控制给水量这样就实现了锅炉的控制，通过单片机的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相应的措施。锅炉是人类供热，取暖的主要来源，它在我们日常生活中无处不在，但是它的控制技术还很薄弱，然而，在这科技日益发展的今天

22、，我们相信有一天，锅炉技术会得到突飞猛进的发展。如在锅炉控制系统中，真正体现无人操作，偌大的一个厂房，没有一个工人，全都由计算机控制。更有可能在能源方面，实现燃料无污染化，从而使大气的污染减少，成为绿色锅炉！ 附录1*主程序* ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP WATCHDOG ORG 000BH AJMP INT1 ORG 0100HMAIN: MOV SP，#60H ACALL INT00ZZ： LCALL KEY LCALL DIR SETB EA AJMP ZZ END*T0定时中断子程序*INT1; MOVE TMOD,#06H MOVE TL0,

23、#0FFH MOVE TH0,#0FFH SETB TR0 SETB ET0 SETB EA ACALL AD A CALL LB ACALL BDBH ACALL PID MOVE TL0,#0FFH MOVE TH0,#0FFHSAVGFIL: MOV R2,#n-1 MOV R0,#32H MOV R1,#33H LOOP MOV A,R0 DEC R0 DEC R0 MOV R0,A MOV A,R0 ADD A,#04H MOV R0,A MOV A,R1 DEC R1 DEC R1 MOV R1,A MOV A,R1 ADD A,#04H MOV R1,A DJNZ R2,LOOP MOV R0,2EH MOV R1,2FH ACALL AVGFI