计算机控制技术课程设计文档格式.docx

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汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，导致出口蒸汽中水分过多，结果是过热器受热面结垢使过热器烧坏，影响机组运行的安全性和经济性；

汽包水位过低，可能是锅炉水循环工况破换，是水冷壁管供水不足而烧坏。

控制汽包水位在正常的范围内，可以保证锅炉的安全运行，进而减轻工作人员的劳动强度。

锅炉给水调节对象可以用如下所示图1表示。

图1锅炉给水调节系统框图

给水调节机构控制给水量W。

汽轮机耗气量D是由汽轮机来控制的。

水冷壁与汽包存在水部分构成了水循环系统。

初看起来，汽包水位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况要复杂得多。

其中最突出的一点是水循环系统中充满了夹带大量蒸汽气泡的水，而蒸汽泡的总体积Vs是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而改变的。

如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生变化。

一、给水系统的控制任务

（1）通过控制锅炉给水量的大小，保证汽包在正常水位范围内的变化。

（2）保证给水流量的稳定性。

二、汽包水位的动态特性

1、锅炉的汽水系统原理图如图2所示。

图2锅炉汽水系统原理图

影响汽包水位变化的干扰因素有：

锅炉蒸汽流量D，锅炉给水流量W，汽包压力变化等。

2、.汽包水位在给水量W作用下的动态特

图3所示是给水量作用下，水位的阶跃响应曲线。

把汽包和给谁看做单容量无自衡过程，水位阶跃响应如图中H1线。

考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原来的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的汽包总体积Vs也就相应减小，导致水位下降。

Vs对对水位的影响可以用图中的曲线H2表示。

水位H的实际响应曲线是H1和H2的总和。

从图可知，响应过程有一段迟延时间τ。

给水的过冷度越大，纯迟延时间也越大。

图3给水流量W扰动下的水位特性

其传递函数为：

3、汽包水位在锅炉蒸汽流量扰动下的动态特性

蒸汽流量扰动主要来自汽轮机的负荷变化，这是一个经常发生的扰动，属于调节系统的外扰。

在蒸汽流量D扰动左右下，水位的阶跃响应曲线如图4所示。

当蒸汽流量突然增加时，由于虚假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下降却反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。

蒸汽流量D突然增加时，实际水位的变化H是不考虑水面下汽包容积变化时的水位变化H1与只考虑水面下汽包容积变化所引起水位变化H2的叠加。

图4蒸汽流量D作用下的水位特性

三、给水控制方案

目前较为成熟的锅炉汽包水位控制方案有单冲量控制系统、双冲量控制系统及三冲量控制系统。

（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。

根据以上对汽包水位在各种干扰下的动态特性的分析，水位控制系统通常采用三冲量控制系统。

三冲量锅炉汽包给水自动控制系统，是以汽包水位H为主控制信号，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。

三冲量控制系统采用蒸汽量进行前馈控制。

当负荷（蒸汽流量）突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的方向误动作。

如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀，从而使给水量保持不变。

另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以使用三冲量控制系统，能使调节器动作加快，还可以避免调解过量，减少水位波动，防止失控。

系统框图为图5所示。

图5三冲量串级控制系统框图

如图所示的三冲量串级控制系统框图中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。

蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。

给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出相应的调整。

控制方案如图6所示。

其中，PI1为主调节器，用来消除水位的偏差。

PI2为副调节器，蒸汽流量D为前馈信号，用来消除虚假水位对系统的影响。

给水量W为辅助被调量，可以快速消除给水测得扰动。

根据三冲量的综合作用，来调节给水阀门的开度，从而将水位控制在设定值。

图6水位三冲量的串级控制系统

其中：

四、单片机给水控制系统的实现

1、硬件设计

（1）8051单片机的特点和基本组成原理

特点：

8051单片机是由运算器、控制器、定时器/计数器及I/O接口电路等构建组成，并且集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了系统的含义。

它以体积小，功能全，价格低及控制功能强等特点，使之在控制中得到广泛应用。

此外，8051单片机的应用时面向现场的，因此它具有很强的抗干扰能力，这是其它计算机所不及的。

基本组成原理:

中央处理器（CPU）：

中央处理器是单片机的核心，用于实现运算与控制功能，其中的运算器和控制器是构成CPU的两个部分。

运算器的主要功能是实现数据的算术运算、逻辑运算、位操作以及数据传送等。

控制器的主要功能是协调整个单片机的工作，产生时序脉冲，提供控制信号。

数据存储器：

用于存放可读写的数据。

程序存储器：

用于存放程序和原始数据。

定时器/计数器：

以实现定时和计数功能。

并行I/O口：

共有四个8位的I/O口，用以完成数据的并行输入/输出。

串行I/O口：

有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它计算机或设备之间的串行数据传送。

中断控制系统：

共有五个中断源，可以满足控制应用的组要。

从上述内容可以看出，8051虽然只是一个单片机芯片，但“麻雀虽小五脏俱全”不但作为计算机应该具有的基本部件，单片机都已包括，而且还具有了一些系统的概念。

（2）8051单片机在锅炉给水控制中的结构原理

工作原理：

首先给出锅炉水位的正常工作范围，由于水不断蒸发使水位下降，8051单片机发出控制信号，控制执行机构，使给水阀门开打，注水量增加，水位恢复到规定范围内；

当水位高于规定值时，8051单片机再次发出控制信号，使给水阀门变小，注水量降低，水位又恢复到规定范围。

如此循环工作，使汽包水位得以准确控制，保证锅炉的安全、可靠运行。

工作原理见图。

图78051单片机锅炉给水控制系统框图

2、软件设计

设采集的水位值（

）放在累加器A中，才外，在内部RAM54H单元存放水位控制的下限值（

），在55H单元存放水位控制的上限值（

）。

若

>

，程序转向TG（停止给水）；

，则程序转向GS（给水处理）；

≥

，则程序转向FH，以返回主程序。

系统控制的程序流程见图。

图8系统控制的程序流程图

部分程序代码

初始化程序如下：

ORG0000H

MAIN：

MOVR0，#0A0H；

数据暂存区首地址

MOVR2，#03H；

3路计数初值

SETBIT1；

脉冲触发方式

SETBEA；

开中

SETBEX1

MOVDPTR，#0000H；

指出0809首地址

READ1：

MOV@DPTR，A；

发动A/D转换

LCALLDELAY；

等中断

CJNER2，#00H，READ1

AJMPMAIN；

巡回为完继续

A/D转换程序

ADC0809转换程序如下：

ORG0000H

MOVDPTR，#0000H；

ADC口地址

MOVA，#00H；

转换IN0

MOV@DPTR，A；

启动A/D转换

LOOP：

ORLP3，#03H

JBP3.2，LOOP；

等待转换结束

MOVA，@DPTR

MOV2000H，A；

存入数据存储器

MOVDPTR，#0001H；

转换IN1

MOV@DPTR，A；

LOOP1：

ORLP3，#03H；

JBP3.2，LOOP1

MOVA，@DPTR

MOVDPTR，#2000H

MOV@DPTR，A；

五、小结

对锅炉汽包水位用8051单片机控制之后，不仅控制的精度高，准确性好，可靠性高，而且使该行业的工作人员的劳动强度大大降低，所以该控制系统具有相当高的实用价值。

应该要大力推广，减轻员工的负担。

参考文献：

[1]高艳萍.8051单片机在汽包锅炉水位控制[J].应用能源技术.2001,1:

47-48

[2]何衍庆.工业生产过程控制[M].北京：

化学工业出版社，2004.2

[3]金以慧，方崇智．过程控制[M]．北京：

清华大学出版社，1993.

[4]徐士良.计算机软件技术基础[M].北京:

清华大学出版社,2007.7

[5]张友德，赵志英等.单片微型计算机[M].上海：

复旦大学出版社，2006.10