基于单片机的锅炉三冲量水位控制系统Word文件下载.docx

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3.1.3“看门狗”电路设计xxix

3.2输入通道的设计xxx

3.2.1传感器的选择xxxi

3.2.2A/D转换xxxv

3.3输出通道的设计xxxviii

3.3.1D/A转换xxxix

3.3.2V/I电路设计xli

3.3.3执行器的选择xlii

3.4键盘/显示电路设计xliii

3.4.1键盘电路的设计xliii

3.4.2显示电路设计xlv

3.4.3芯片8155H扩展电路xlvi

3.5报警电路设计xlviii

4软件设计xlix

4.1主程序设计xlix

4.2定时中断子程序设计xlix

4.3采样子程序设计li

4.4键盘子程序设计li

4.5显示子程序设计lii

4.6滤波子程序设计liii

4.7标度变换liv

4.8PID程序设计lv

总结lviii

参考文献lix

正文

引言

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，汽包水位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。

锅炉液位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,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,使用单片机控制锅炉水位是很好的选择。

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。

由于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，在较大的阶跃扰动时都能有效地控制水位的变化，因而得到了广泛的引用。

本设计，最采用89C51单片机；

输入通道采用ADC0809，对水位、给水流量和蒸汽流量进行采样；

控制芯片选用89C51；

输出通道采用DAC0832，经转换输出一个标准电流信号驱动电动阀；

键盘/显示接口采用可编程的键盘/显示接口芯片8155，可显示并查询输入输出信号值。

其它还有一些附属电路，如看门狗、报警电路等。

1火电厂锅炉基本知识

火电厂锅炉是将燃料的化学能转换为蒸汽热能的设备。

在工程上将加热至一定温度后能与氧发生强烈的化学反应，并放出大量热量的炭氢化合物和碳化物称为燃料。

燃料的种类很多，根据燃料在自然界所处的状态，可将燃料分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三大类。

其中固体燃料以煤为主；

液体燃料以重油和渣油为主；

气体燃料以煤气为主。

1.1工作流程

所有电厂锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。

常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图1.1所示。

1燃烧嘴；

2炉膛；

3汽包；

4减温器；

5炉墙；

6过热器；

7省煤器；

8空气预热器

图1.1锅炉设备主要工艺流程

由图可知，燃料和空气按一定的比例送入燃烧室燃烧，生产的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。

然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。

压力为PM的过热蒸汽，经负荷设备调节阀给负荷设备用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤气预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后，经过引风机送往烟囱，排入大气。

1.2主要控制系统

锅炉是典型的复杂热工系统，其建模与控制问题一直是人们关注的焦点，在国际上始于七十年代。

1972年，K.J.Astrom基于一系列物理实验数据提出了锅炉的简化非线性模型，从而开创了系统地研究锅炉建模与控制的方法。

目前工程处理上作了一些假设后，将锅炉设备控制划分为若干个控制系统。

主要控制系统如下。

（1）锅炉汽包水位的控制

被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。

他主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内。

维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、气轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的指标。

（2）锅炉燃烧系统的控制

其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；

使燃料与空气量之间保持一定的比例，以保证最经济燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；

使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。

为达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量。

（3）过热蒸汽系统的控制

维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。

被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。

（4）锅炉水处理过程的控制。

这一控制过程的作用主要是使锅炉给水性能指标达到工艺要求。

一般采用离子交换树脂对水进行软化处理。

2汽包水位系统控制方案

对锅炉而言，汽包水位是其正常运行的主要标志之一，是一个重要的被调节参数。

维持水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。

水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气将会带走过多的水分和盐分，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽温度急剧下降。

水位过低，则由于汽包内水量较少，当负荷较大时，水的汽化速度会加快，若不加以及时控制，则容易使汽包内的水全部汽化，破坏水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，甚至引起爆炸。

因此，锅炉汽包水位必须加以严格的控制。

首先，我们有必要对汽包水位的动态特性进行研究分析。

2.1汽包水位的动态特性

对图1.1中的汽水系统进行简化，可以表示为图2.1所示的结构。

1给水母管；

2调节阀；

3省煤器；

4汽包；

5下降管；

6上升管；

7过热器；

8蒸汽母管

图2.1锅炉设备气水简图

在蒸汽发生过程中，汽包内部容积可以看成由蒸发面（即水面）上方的蒸汽体积VD、蒸发面下方的汽水混合体积，即汽泡体积VS和汽包内水的体积VW三部分组成。

由于燃料量对汽包水位的影响有较大的传输滞后和容量滞后，变化十分缓慢，可以忽略不计；

而蒸汽压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此，压力的变化可以归并到蒸汽负荷中去。

这样，压力的变化对汽包水位的影响也可以忽略。

经过理论推导及化简后，汽包水位的动态特性可用如下方程式表示：

T1T2

（2.1）

式中，h—汽包水位；

h—汽包水位；

T1，T2—时间常数，s；

D—锅炉蒸汽流量，kg/s；

W—锅炉给水流量，kg/s；

；

TW—给水流量项的时间常数，s；

TD—蒸汽流量项的时间常数，s；

KW—给水流量项的放大倍数；

KD—蒸汽流量项的放大倍数。

通过这个方程式，我们可以知道：

在众多影响汽包水位的因素中，最主要的是蒸汽流量D和给水流量W的变化。

因此，我们将分别讨论在给水流量和蒸汽流量扰动的作用下，汽包水位变化的动态特性。

2.1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性

在给水流量作用下，水位变化的阶跃响应曲线如图2.2所示：

图2.2给水流量作用下水位变化阶跃响应曲线

如果把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线应为图中的H1线。

但是由于给水温度比汽包内原有饱和水的温度低，所以当给水流量增加后，它们将从原有饱和水中吸收部分热量，这就使得水位下汽泡体积由于放出热量而减小。

即在水位下汽泡体积的变化过程中，水位则随着汽包中储水量的增加而逐渐缓慢上升；

而当这一过程达到平衡后，水位下汽泡体积不再变化，水位变化就表现为随着储水量的增加而直线上升。

因此，实际水位变化曲线应如图中H线所示，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始并不立即增加，而是有一个起始惯性段。

在蒸汽负荷不变而给水流量变化的情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为：

（2.2）

于是，我们得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数：

（2.3）

对于中压锅炉，TW一般较小，可以忽略不计。

故式（2.3）可以简化为：

（2.4）

式中

，称为反应速度，即给水流量作单位改变时水位的变化速度。

由式（2.4）可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积分环节和一个一阶惯性环节的串联。

根据不同的近似算法，也可以将其表示为一个积分环节和纯滞后环节的串联，即：

（2.5）

式中，K0：

上升速度，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度，

τ：

纯滞后时间，s。

给水温度越低，纯滞后时间τ亦越大。

通常τ在15～100s之间。

如采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，将使τ增加。

比如，对于非沸腾式省煤器的锅炉τ=30～100s，对于沸腾式省煤器的锅炉，τ=100～200s。

2.1.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性

在蒸汽流量扰动下，水位变化的阶跃响应曲线如图2.3所示：

图2.3蒸汽流量扰动下水位变化阶跃响应曲线

当蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位应该下降，如图中曲线H1。

但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬时间必然导致汽包压力的下降。

汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽泡体积迅速增加而使水位变化的曲线如图中H2所示。

从而实际显示的水位响应曲线H为H1与H2的叠加。

从图可以看出，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”。

在这种情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为：

（2.6）

对上式进行拉普拉斯变换，可得：

（2.7）

于是，我们得到汽包水位在蒸汽流量扰动下的传递函数：

（2.8）

为便于理解，我们对上式进行化简，得到：

（2.9）

或:

（2.10）

式中，K0=（KDT2-TD）/T1：

响应曲线H2的放大系数；

T0=T1/KD；

Kf=1/T0：

上升速度，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度；

T2：

响应曲线H2的时间常数。

应该强调：

当负荷变化时，水位下汽泡体积变化而引起水位的变化速度是很快的，也就是说，在负荷变化的最初一段时间，H2的变化速度比H1快得多。

通常，H2的时间常数只有10～20s。

“虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。

例如，一般100～200t/h的中高压锅炉，当负荷变化10%时，“虚假水位”可达30～40mm。

“虚假水位”现象属于反向特性。

2.2汽包水位控制技术分析

锅炉汽包水位的控制系统是根据汽包水位的动态特性来设计的。

引起水位变化的因素主要来自给水量和蒸汽量的阶跃变化，控制器（或调节器）是根据水位信号、蒸汽流量和给水流量的偏差信号进行调节的。

汽包水位控制系统