锅炉液位控制系统.docx

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锅炉液位控制系统

目录……………………………………………………………………………………………1

摘要……………………………………………………………………………………………2

关键词…………………………………………………………………………………………2Abstract………………………………………………………………………………………2

Keywords……………………………………………………………………………………2

1引言………………………………………………………………………………………3

2研究现状及设计目标……………………………………………………………………3

3锅炉基本工艺过程分析…………………………………………………………………3

4锅炉汽包水位动态特性分析……………………………………………………………3

4.1给水流量W作用下的汽包水位H的动态特性………………………………………4

4.2汽包水位H在蒸汽扰动D扰动下的动态特性…………………………………………5

5锅炉液位的控制方案……………………………………………………………………6

6系统实现…………………………………………………………………………………7

6.1硬件设计…………………………………………………………………………………76.1.1输入模块………………………………………………………………………………7

6.1.2键盘/显示模块…………………………………………………………………………86.1.3报警模块……………………………………………………………………………9

6.1.4输出模块……………………………………………………………………………10

6.2软件设计………………………………………………………………………………106.2.1干扰来源及其预防…………………………………………………………………106.2.1.1硬件防干扰…………………………………………………………………………106.2.1.2软件防干扰…………………………………………………………………………116.2.2软件设计……………………………………………………………………………12

7应用………………………………………………………………………………………14致谢…………………………………………………………………………………………15

参考文献……………………………………………………………………………………16

附录1主程序……………………………………………………………………………17

附录2定时器T0中断服务程序…………………………………………………………20

基于AT89C51单片机的锅炉液位控制系统

摘要：

本文首先分析了锅炉基本的工艺过程；针对锅炉汽包水位动态过程，设计了锅炉液位的控制方案，该方案采用了三冲量串级控制来实现对汽包液位的控制；针对该方案,文中给出了系统的软硬件设计：

硬件方面以AT89C51单片机作为控制系统的中央处理单元，完成对数据采样、运算、Intel8155H初始化、内部资源初始化、定时器初始化，以及键盘扫描、显示、报警等内容的循环处理；软件程序包括主程序和定时器T0中断服务程序两大模块。

该系统能很好地克服“虚假水位”现象，将汽包液位控制在给定的范围内，保证了生产的正常进行。

关键词：

汽包水位；串级三冲量控制；单片机

TheLiquidLevelControlSystemofBoilerBasedonAT89C51

SingleChipComputer

Abstract：

Themainbodyofthispaperhaveanalysedfundamentalprocedureofboilerfirst;Fortheboilervaporbagliquidlevel’sdynamicprocess,wedesignedtheliquidlevelcontrolsystemofboiler.Thisschemeadoptedimpulsethreeandserialcontrolschemetocontrolvaporbagliquid.Thispapergavethehardwaredesignandthesoftwaredesignofthesystemforthisscheme:

ThissystemisAT89C51singlechipcomputerascentraltreatmentelementofcontrollingsystemathardwareaspect,completingtosamplethedata,arithmetic,internalIntel8155H,resourceandtimerhandleaswellascontent'ssuchaskeyboardscaned,displaying,givinganalarmcycles;ThesoftwareprogramincludedthehostprocedureandthetimerT0interruptionservicertwobigmodules.Thissystemisabletoovercome"falseliquidlevel"phenomenonverywellandtheboilervaporbagliquidlevelhasbeencontrolledwithinthegivenrange.Thisensuredthattheregularityofproducingisinprogress.

Keywords:

boilerliquidlevel;impulsethreeandserialcontrol;singlechipcomputer

1引言

汽包液位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，液位过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，严重时会发生锅炉爆炸。

尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。

因此，在锅炉运行中，保证汽包水位在正常范围是非常重要的。

本论文首先分析了锅炉基本的工艺过程；然后进行了锅炉汽包水位动态过程分析，包括给水流量作用下的动态特性分析和汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性分析；其次就是设计了锅炉液位的控制方案；最后就是系统实现的设计，包括硬件设计和软件设计。

1.1锅炉液位控制的背景

目前我国的燃煤锅炉数量众多，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/4，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。

国家在第10到第n个五年计划的科技创新指南中，对光机电一体化、资源与环境、新能源与高效节能的指导性课题中明确指出:

需要开发研制自动化程度高、节能潜力大、提高安全系数、减轻环境污染、减轻劳动强度、价格低的新型测控装置。

要求节煤率达到%5以上，装置投资的回收期在1年以内，采暖锅炉为3年以内。

如中小型链条式工业锅炉用的新型测控装置。

因此这个课题有现实意义且市场前景良好。

锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，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，工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势:

（1）直观而集中的显示锅炉各运行参数。

能显示液位、压力、温度的状态。

（2）在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数。

可以方便的改变液位、压力、温度等的上限、下限。

（3）提高锅炉的热效率。

采用计算机控制后热效率可比以前提高5一10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高%5计，全年节煤800吨。

（4）锅炉系统中包含鼓风机、引风机、给水泵等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。

通过对风机、水泵进行微机控制可以平均节电达到30%一4%0。

（5）作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警和自动连锁停炉。

杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。

综合以上种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。

单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的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。

工业控制系统的工作环境恶劣，干扰强。

故要求控制系统的工作稳定、抗干扰能力强。

单片机能满足这些要求，因此单片机在控制领域得到了广泛的应用。

使用单片控制锅炉是很好的选择。

1.2锅炉液位控制国内外发展概况

1.2.1国内发展概况

目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中，取得了很大的成绩，总结了很多经验。

但在这个行业，仍处于发展期。

经调查，北京、天津的高校、科研院所在这方面开展的工作更看重的是理论、算法，研究出来的成果是论文的较多，看重在生产实际应用的较少;在上海，新型单片机测控装置与系统的研究、生产基础较雄厚，在生产中需要新型测控装置与系统，也就努力研究、开发。

因此，上海的工程技术和科研人员需要的是应用技术，更看重的是生产实际应用，对研究理论、算法、成果是论文的较少;深圳在研制新型测控装置与系统领域也比较有成绩，尽管与其他国家开发者比尚有距离，但是，深圳的高校、科研院所的最大特点就是实际，与生产实际应用项目无关的问题基本上不去考虑，这里的工程技术和科研人员关心的不是理论、不是算法、不是论文，而考虑，是用什么材料、测控什么物理量、优点是什么、与机器设备的通讯接口等等。

目前,国内对锅炉液位控制的方法大体有以下几种：

（1）改进内模控制算法的方法。

该方法的改进之处,即在ITAE性能指标下确定入参数值.然后,通过QXLPC-Ⅲ过程控制实验装置和西门子S7-300控制器,用改进内模控制算法对锅炉液位进行控制,结果表明这种方法具有良好的控制效果. 

（2）模糊控制方法。

该方法先导出了锅炉液位的非线性模型，然后基于后推设计方法和自适应模糊控制理论，提出了锅炉液位的稳定控制律，理论分析证明，液位控制的跟踪

误差收敛到零。

仿真结果表明，该方法有良好的动态性能和稳态精度。

上诉的控制方法仅是锅炉液位控制系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。

1.2.2国外发展概况

随着各种微处理器的出现和发展，国外对锅炉液位控制系统的研究也在不断发展和完善。

一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经验，奠定了基础，进入了国际市场。

我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，有一定的基础，与其他发达国家相比还存在距离，但是，我国的科研人员能够克服很多困难，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是发展趋势。

2研究现状及设计目标

本系统与PLC控制系统相比将大大降低使用成本，提高控制运行速度。

经过两个多月的性能测试与分析，该系统能很好地克服“虚假水位”现象，将汽包液位控制在给定的范围内，保证了生产的正常进行，具有一定的应用和推广价值。

可实现的具体功能如下：

（1）当液位低至给定的下限液位时，启动水泵对锅炉进行加水，同时水泵工作状态指示灯亮2个，表明水泵以中速在加水。

（2）当液位高至给定上限的液位时，停止水泵对锅炉进行加水，水泵工作状态指示灯全灭，表明水泵停止工作。

（3）当由于某种特殊原因，液位低于下下限水位时，仍没有启动水泵进行加水，则达至极低水位时，再次启动水泵进行加水，并进行报警。

（4）当液位高于上上限水位时，停止水泵加水，并进行报警。

（5）有消除报警按钮，当有报警时操作人员在知道的情况下可以按下其其消除报警并去做相应的处理工作。

（6）有紧急停止按钮，在遇到紧急情况时可以停止系统的运行。

（7）有温度和压力传感器，同时可以交替显示其温度和压力值。

（8）采用双向可控硅来控制水泵的开与关，比电机控制简单

3锅炉基本工艺过程分析

工业锅炉汽水系统如图1所示。

汽包及蒸发管道中贮存着蒸汽和水。

贮存量的多少，是以被测量水位表征的。

给水管道的水经过调节阀，进入省煤器,靠锅炉的烟气加温，然后进入汽包，汽包和上、下行管道内的水被锅炉燃烧系统产生的热量加热成饱和蒸汽，经过热器加热成过热蒸汽，然后进入主蒸汽管道。

当给水流量等于蒸汽流量时，汽包水位就恒定不变。

4锅炉汽包水位动态特性分析

汽包水位的扰动主要有4个来源：

一是给水方面的扰动，包括给水压力的变化和减温器调节阀开度的变化，这个扰动来自给水管道和给水泵；二是蒸汽负荷的扰动，包括蒸汽管道阻力的变化和蒸汽调节阀开度的变化；三是燃料量的变化，包括引起燃料发热量变化的燃料热值、燃料压力、含水量等种种因素；四是汽包压力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”过程和压力降低时的“自蒸发”过程起作用的。

由于燃料量对汽包水位的影响有传递滞后和容积滞后，影响十分缓慢，可以略去不计。

对于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此，压力的变化可归到蒸汽负荷中去，所以压力变化对汽包水位的影响可略去不计。

这样在锅炉汽包水位的控制系统中，引起汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水量的变化。

下面我们将着重分析在给水流量（称为内干扰）和蒸汽流量（称为外干扰）扰动下，汽包水位调节对象的动态特性。

4.1给水流量W作用下的汽包水位H的动态特性

如果蒸汽负荷量D不变，给水流量W产生阶跃变化时，汽包水位调节对象的动态方程式可近似表示为：

G（s）=H（s）/Uw（s）=k0/s*e¯ªs…………………………………………………………

（1）

其中：

s—复参数；H（s）—液位h（t）的拉氏变换；Uw（s）—给水流量uw（t）的拉氏变换；G（s）—锅炉在给水流量变化时的数学模型；k0—反应速度，即给水流量改变单位流量时，水位的变化速度，（mm/s）/（t/h）；ª—延迟时间，s出现时滞的原因是：

给水温度低于汽包内饱和水温度，当给水流量增加时，需从饱和水中吸收部分热量，因此，水位下气泡容积减少，只有当水位下气泡容积变化达到平衡后，给水量增加才与水位变化成比例增加。

表现在响应曲线的初始段，水位的增加比较缓慢，可用时滞特性近似描述。

根据上述，如果给水温度低，则从饱和水中吸收的热量要多些，时滞也要大些。

例如，非沸腾式省煤器锅炉时滞约为30~100s，沸腾式省煤器锅炉的时滞约为100~200s。

反应速度也可用响应时间T0表示。

响应时间是给水流量变化100%时，水位变化所需的时间。

这里，100%表示给水量允许变化的最大范围。

因此，有T0=1/k0。

从

（1）式中可看出，汽包水位在给水流量作用下的动态特性是由一个积分环节和一个延迟环节所组成。

在给水流量扰动下，汽包水位响应曲线如图2所示。

如把汽包及水循环系统当作单水槽对象，水位的响应曲线应该如图2的直线h1所示。

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有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也就相应减少，导致水位下降。

Vs对水位的影响可以用图中的曲线h2表示。

水位的实际响应曲线是h1和h2的总和。

从图2可知，响应过程有一段延迟时间ª。

给水的过冷度越大，纯延迟时间也越大。

4.2汽包水位H在蒸汽流量D扰动下的动态特性

在给水量不变的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃变化后，汽包水位调节对象的动态特性可近似表示为：

Gd（s）=H（s）/Ud（s）=-kf/s+k2/（T2s+1）…………………………………………………

（2）

式中：

Ud（s）—蒸汽负荷ud（t）的拉氏变换；Gd（s）—蒸汽负荷ud（t）作用下锅炉的数学模型；kf—响应速度，即蒸汽变化单位流量时，水位的变化速度（mm/s）/（t/h）；k2—响应曲线h2的放大系数；T2—响应曲线h2的时间常数。

在蒸汽流量扰动下，汽包水位响应曲线如图3所示。

汽包水位的特性曲线可分为h1和h2两部分，当仅考虑蒸汽负荷作阶跃增加，即用汽量增加时，根据物料平衡关系，蒸汽流量大于给水流量，水位应下降，所以h1是由于蒸汽流量和给水流量不平衡引起的水位变化；由于蒸汽用量增加，使汽包压力下降，汽包内的水沸腾加剧，水中气泡迅速增加，由于气泡容积的增加造成水位的变化如图3中的响应曲线h2所示。

因此，实际汽包水位的响应曲线是h1和h2的合成，即图中的响应曲线h。

当蒸汽用量增加时，由于汽包中气泡容积的增加，使水位出现先增加的现象称为“虚假水位”。

“虚假水位”产生的原因主要是蒸汽流量增加，汽包内的气压下降，炉水沸点降低,使炉管和汽包混合物中的汽容积增加，体积膨大，引起汽包水位上升。

这给控制带来很大困难，在设计控制方案时，必须有效地克服“虚假水位”的影响。

因为蒸汽用量增加，大于给水流量，因此，最终水位应下降。

这种因虚假水位造成的过程特性称为反向特性。

虚假水位的变化幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。

例如，100~200t/h的中高压锅炉在蒸汽负荷变化10%时，能够引起虚假水位的变化达30~40mm。

5锅炉液位的控制方案

针对以上对汽包动态特性的分析，为了有效地克服“虚假水位”的影响，我们采用三冲量（即用液位H、给水量W、蒸汽负荷D三个变量作为被控量）串级控制方案来控制汽包液位，其控制方框图如图4所示，它实际是把一个蒸汽流量作为前馈信号的串级控制系统。

系统中的锅炉水位H是被控变量，是主控制变量，蒸汽流量D和给水流量W是两个辅助控制变量，由蒸汽前馈及补偿系统通过相应的计算和输出来保证水位稳定。

图4三冲量串级控制系统

在三冲量控制中，水位调节器作为主调节器，用于稳定水位，它可抑制闭环内一切引起水位波动的扰动，给水流量调节器作为副调节器，用于消除给水流量、给水压力等各种引起水位波动的二次扰动，使水位更加稳定，蒸汽流量作为前馈信号，用于抑制蒸汽负荷波动对水位的影响。

当蒸汽负荷突然增大，蒸汽流量信号使给水调节阀阀门开度增大，大大削弱了由于“虚假水位”引起的误动作，因而减少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，调节器能迅速消除干扰。

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，所以三冲量控制系统调节器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失控。

这样，汽包水位就很少受到影响。

主调节器采用PID控制算法，副调节器采用P控制算法。

由于水位调节器测量值是汽包水位信号，因此，当水位调节器具有积分控制作用时，该控制方案可实现汽包水位无余差控制。

6系统实现

6.1硬件设计

AT89C51单片机是ATMEL公司生产出的一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory），采用高密度、非易失存储技术制造，它与80C51引脚和指令系统完全兼容。

芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。

它支持通用EPROM等各种存储器、PAL、GAL、以及Intel、ATMEL、PHILIPS等公司的全系列对80C51单片机的编程。

AT89C51产品与87C51相比，除了其片内有快闪存储器，编程/擦除速度快之外（4KB的编程只需3s，其擦除时间为10ms），AT89C51还可实现在线编程和远距离编程，而且其产品价格比片内带EPROM的87C51低，这就充分显示出AT89C51的优越性。

图5系统硬件结构图

因此本系统以AT89C51单片机作为控制系统的中央处理单元，完成对数据采样、运算、Intel8155H初始化、内部资源初始化、定时器初始化，以及键盘扫描、显示、报警等内容的循环处理。

硬件组成可分为输入模块、键盘/显示模块、报警模块及输出模块。

整个控制系统的硬件结构如图5所示。

6.1.1输入模块

Intel8155H芯片内包含有256个字节的RAM存储器（静态），RAM的存取时间为400ns。

两个可编程的8位并行口PA和PB，一个可编程的6位并行口PC，以及一个14位减法定时器/计数器。

PA口和PB口可工作于基本输入输出方式（同8255A的方式0）或选通输入输出方式（同8255A的方式1）。

Intel8155H可直接和MCS-51单片机相连，不需要增加任何硬件逻辑。

ADC0809是一种逐次逼近式的、与微处理器兼容的8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。

它主要由逐次逼近式A/D转换器和8路模拟开关组成。

ADC0809的特点是：

可直接与微处理器相连，不需要另加接口逻辑；具有锁存控制的8路模拟开关，可以输入8个模拟信号；分辨率为8位，总的不可调误差为（±1/2）LSD和±1LSB；输入、输出引脚电平与TTL电路兼容；当模拟电压范围为0~5V时，可使用单一的+5V电源；基准电压可以有多种接法，且一般不需要调零和增益校准。

图6输入模块图

本系统以一片ADC0809作为数据采样的接口单元，可通过编程来选通相应的采样模拟量输入通道。

系统需要对蒸汽流量、给水量、汽包压力、水位（差压）等参数进行采集，用差压式流量计DPP50测量蒸汽流量、给水量，用膜片式压力传感器YP-150测量汽包压力，用应变式容器内液位传感器4000PC测量水位（差压），得到的每路参数的0-10mA直流电流经500Ώ电阻转换成0-5V的直流电压信号。

由于单片机的I/O口有限，所以系统扩展一片Intel8155H并行I/O口，C口用来控制选通相应的模拟量输入通道和A/D转换的启动，B口与其8位数字量输出端口相连，A口留作与D/A转换器的8位数字量输入引脚相连。

输入电路如图6所示。

6.1.2键盘/显示模块

扩展一片Intel8155H并行I/O口，A口作为LED显示器的位选输出，B口作为它的段码输出，C口作为键盘行线输入口，A口作为它的列线输出口。

设3个LED七段显示器，采用动态扫描方式，显示实时液位与设定液位的差值；有15个按键，除10个数字键外，还设立Kp、Ki、H0（液位设定值）的输入选择及确认键和取消键等5个功能键。

通过显示子程序将各自显示缓冲区的内容调入LED显示器进行显示；通过键盘子程序将在键按下时求出键值，并转到相应的数字键或功能键处理程序。

键盘/显示电路如图7所示

图7键盘/显示模块图

6.1.3报警模块

图8报警电路图

在对采样的数据进行处理及运算后，要进行查询报警，查看锅炉的液位是否超出锅炉正常运行的允许范围。

555定时器是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。

双极型的电源电压Vcc=+5V~+15V，输出的最大电流达200mA，CMOS型的电源电压为+3~+18V。

555定时器只要在外部配上少量的元件如适当的阻容元件，就可以方便地获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力，在工业控制定时、仿声、电子乐器及防盗报警等方面应用很广。

因此，本系统中选用