基于单片机的锅炉水位控制设计.doc

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摘要

锅炉是发电，炼油，化工等工业部门的重要能源设备。

一台锅炉要能安全，可靠，有效的运行，运行参数能够到达设计值，除了锅炉本身设备和各种辅机完好外，还必须要求自动化仪表工作正常和自动控制系统的设计方案正确，对于不同的锅炉及其控制要求的差异应采取相应的控制方案设计。

本文描述以单片机为基础，以MCS-2051单片机为核心设计利用水的导电性，使用电极作为水位敏感元件检测水位变化的系统，实现水位显示及报警等功能。

实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的镁，钙等离子，它们的存在使水导电。

检测技术是现代信息技术的基础和源头，也是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要手段。

从大的方面来讲，检测技术是对被测量进行检出，变换，分析，处理和控制的综合认识过程。

利用单片机软硬件技术实现测量过程、数据处理及输出的自动化,利用水的导电性大大提高了测量精度。

系统采用MCS-51结构，然后在MCS-51结构基础上，设计出具体的水位报警器系统结构。

并对数据检测模块，数据处理模块和数据输出模块进行仔细的分析。

在水位超过或低于正常水位时蜂鸣报警器会发出警报。

关键词:

单片机控制水位MCS-2051LED报警

Abstract

Aboilerisaveryimportantdeviceusinginthedepartmentofgivingelectricity.Athepedestalboilerwantscansafe,dependable,effectivelyofmovement,themovementparametercanarrivethedesignvalue,besidesboileroneselfthedifferencebetweendifferentfromeverykindonlyofmachineoutsidemuststillrequesttoautomategaugeworknormallywiththedesignprojectoftheautomaticcontrolsystemrightly,forboiequipmentsanditscontrolrequestshouldadoptthehomologouscontrolprojectdesign.

Thispaperbasedonthesinglechipcomputerdescription,withMCS-2051single-chipprocessorcoredesignusingtheconductivityofthewater,theuseofelectrodeaswaterleveldetectionofwatersensitivecomponentschangesystem,realizewaterleveldisplayandalarmfunctions.Experimentsshow,purewaterisalmostnonconductive,butthenatureofexistenceandPeople'sDailyuseofwaterwillcontaincertainmagnesium,calciumplasma,theirexistenceisthewaterelectricity.Detectionisthefoundationofthemoderninformationtechnologyandsource,isalsotheunderstandingofandchangetheworldakindofindispensableimportantmeans.Inalargeextent,testingtechniqueistobemeasuredfordetection,transform,analysis,processing,andcontrolofthecomprehensiveunderstandingprocess.Usingsinglechipcomputersoftwareandhardwaretechnologytoachievethemeasurementprocess,dataprocessingandoutputofautomation,usewaterconductivitygreatlyimprovethemeasuringprecision.SystemUSESMCS-51structure,andthenintheMCS-51basedonstructure,thedesigngivesthespecificlevelalarmsystemstructure.Andthedatadetectionmodule,dataprocessingmoduleanddataoutputmodulecarefulanalysis.Inthewaterlevelorbelowthenormalwaterlevelmorethanwhenthebuzzeranalarm.

Keywords:

singlechipmicrocomputercontrolWaterlevelMCS-2051LEDalarm

II

基于单片机的锅炉水位控制设计

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 3

1.1课题的背景 3

1.2.国内外研究现状 4

1.2.1国外研究现状 4

1.2.2国内研究现状 4

第2章锅炉水位控制的设计 7

2.1水位测量方法概述 8

2.1.1水位测量方案概述 8

2.1.2水位测量方案原理 9

2.1.3水位检测显示系统 9

2.2主控方法的选择 10

2.2.1使用单片机实现锅炉液位控制的优点 10

2.2.2单片机的选取 10

第3章系统结构原理 13

3.1水位测量控制的系统结构概述 13

3.2主控制器的特性 14

3.3水位测量电路 16

3.4水位状态的显示 17

3.4.1LED的选择 17

3.4.2138译码器原理 18

3.5报警电路 20

第4章软件设计 21

4.1水位测量软件流程图 21

第5章结论 22

参考文献 23

致谢 24

附录A 25

第1章绪论

1.1课题的背景

锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十苍白台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。

锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。

1.1.1锅炉气泡水位的特性及重要性

维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。

水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。

同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。

水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。

这些后果都是十分严重的。

随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。

长期以来，对汽包水位认识深化缓慢的重要原因之一在于，汽包水位测量问题属于热控与锅炉两专业之间的边缘课题，理论深化研究与许多具体技术问题的解决必然涉及到两专业，而两专业相互合作较差，影响了科研部门和高等院校的课题研究攻关。

电厂、基建、设计院的专业习惯分工尤为分明，热控方提出需要解决的问题，由锅炉方负责解决，双方往往相互推委，以致有些问题长期不能解决。

1.1.2锅炉水位控制的背景

　水是生产、生活中必不可少的物质,如对水塔、水箱及机舱水柜中水位的检测与控制显得十分重要,它关系到生产、生活正常进行。

对水位检测控制方法有很多,按原理分常用的方法有继电器开关式、电容式、超声波式、压力传感器式。

选用何种方法,要根据系统的具体要求,选择技术上可行,最经济的方案。

随着计算机技术、自动控制技术、信息技术的高速发展,数字化、智能化产品开发应用日趋广泛。

当今社会许多工业控制系统，自然科学研究会需要对水位的监测。

比如海洋环境监测开始，它是获取长期、连续的海洋环境资料的唯一途径。

能够直接为沿海工程、港口建设、交通运输、海洋生物资源开发、海洋环境监测、湿地保护及近岸海洋开发提供研究、评价和作业必不可少的依据。

又比如在工业锅炉控制系统中对水位的监测要求也是很高的，现今大多数电厂都采用工业锅炉采用微机控制，它可以直观而集中的显示锅炉各运行参数。

能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。

因此，水位传感器的研究对实际有很大的现实意义。

基于对水位测量原理的研究和水位传感器的分析，在本水位测试系统中采用超声波水位传感器和单片机智能系统实现对水位的测量。

在设计的过程中，首先对单片机、AD模数转换器、超声波传感器的工作原理进行研究，在此基础之上，对整个数据采集电路进行了设计，整个电路包括超声波传感器、信号输入电路、基准电压电路、看门狗电路和单片机和AD之间的接口五部分电路组成。

然后根据整个电路的设计原理图，编制相应的数据采集程序，实现对水位的自动测量。

该采集电路具有采集速度快、精度高和可靠性高等特点。

1.2.国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

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系统研究、制造和应用上,已积累了很多经验,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,与其他发达国家相比还存在差距,但是我国的研究人员已经克服很多困难,并在不断的摸索中前进,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。

1.2.2国内研究现状

河北马头发电总厂8号炉和江苏华能淮阴电厂2号炉都以电接点水位计为监视主表控制水位运行三四年后，实际测量汽包水迹中心线与锅炉厂规定的0水线的偏差，分别偏低23mm、10mm。

表明质量水位已接近实际水位，用质量水位控制实际水位运行完全能达到锅炉厂的要求。

2004年10月发布的《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定（DRZ/T01-2004）》与以往各种有关规定相比，更加先进、实用、合理，其一系列规定理所当然地成为汽包水位测量系统设计、改造、安装、运行维护的技术规范，也是《1982～1985年度水利电力部系统发电锅事故统计分析》［水电部生产司钱祥鹏］指出，4年编订测量系统改进任务项目的依据[3]。

《锅内过程》一书指出，“旋风分离器的安装标高应使进口管下边缘在锅筒正常水位之上，以免进口管淹没在水中”[2]。

换言之，锅筒内水位应控制在进口管下边缘以下。

所以进口管下边缘高度是确定最佳运行0水位重要参考点。

锅炉启动升压过程中，蒸汽对汽包上壁放热系数比水对下壁放热系数大几倍，上壁温升快，温度高于下壁。

停炉后汽包冷却时，上壁对蒸汽放热系数比下壁对水的放热系小，上壁温降慢，温度亦高于下壁。

上下壁温差超限使汽包壁产生很大的附加热应力，加快寿命损耗。

上下壁温差愈大，汽包变形愈大，而与汽包连接的很多管子受安装约束不能自由变形，热应力易使管座焊缝产生裂纹。

因此，近十年来一些大型锅炉在启动或停炉后为防止汽包壁温差超限，采取特别措施：

有的锅炉高水位启动，水位甚至高出监视主表量程上限较多，以便尽量减少补水次数；在“四管”泄漏停炉或正常检修停炉后，为缩短停炉待检时间，将汽包上满水，降压快冷。

这些措施的安全条件是，水不能进入过热器，需要量程上限在汽包之上的大量程水位计（也有称作满水水位计），以便上水操作和满水状态之监视。

据资料报道，唐山陡河电厂200MW机组锅炉满水快冷，能使停炉后待检时间缩短14～16小时，对于电力紧张的今天显然有明显的经济效益和社会效益。

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,但是各行业仍处于发展期,经调查,更多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。

在上海,新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚,在生产过程中需要新型的测控装置与系统,因此在不断的努力研究与开发。

上海的工程技术研究人员更着重的是生产实际研究,对理论、算法和成果的论文较少;深圳在研制新型的测控装置与系统领域也比较有成就,尽管与其他国家比较尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特点就是实际,与生产实际应用项目无关的问题基本不去考虑,主要考虑选取什么材料,测控什么物理量,优点是什么,与机器设备的通讯接口等等。

水位计的测量准确性、可靠性与稳定性是运行人员的信任基础。

在描述汽包水位时，教科书和一些文献使用了诸如“虚假水位”、“膨胀水位”、“冷缩水位”、“实际水位”等概念，这在火电厂热工测量参数中是绝无仅有的。

使用这些概念无疑地加重了汽包水位神秘性，使那些和汽包水位打交道、又想了解它的人们望而却步。

以致很多人，其中包括一些热工和锅炉运行人员，仅知道严重的汽包水位事故会损坏锅炉或汽轮机，而对汽包水位参数缺乏进一步了解。

尽管大型汽包锅炉运行已有很多年历史，但在汽包水位基本理论、测量监控技术、水位运行研究等方面，“不清楚”之处甚多，仍然有很多问题有很好解决，这在火电厂热工测量参数中也是绝无仅有的。

对于锅炉汽包水位计，我国相关规程、规定在近十年来屡屡进行修改，表明原有关条款确有“说不清道不明”、“难以执行”的不切实际之处，甚至有明显错误。

国家级规定尚且如此，足见汽包水位的确是最令人难以捉摸的、甚至是令人烦恼的参数。

实际水位就是汽水模糊层湿度沿高度变化曲线的拐点面。

它是客观存在的，不是假想的。

利用水和水蒸气对γ射线的吸收率不同可以寻找汽水混合层湿度变化率最大部位，也可以测量实际水位。

不过，γ射线水位计会逸散γ射线，影响人体健康，人们对γ射线水位计有恐惧感，又因为必须在锅炉压力、负荷和水位稳定时才能准确测量，一些电厂安装这种水位计后只好拆掉。

本系统使用一台主机和多台分机，主机发送的信息可被各分机接收，而各分机发送的信息只能被主机接收，分机与分机之间不能互相直接通信。

系统分机采用8031单片机，工作于串口方式3，利用SCON串行接口控制寄存器的SM2位控制多机通信的实现。

处于接收状态时，若SM2＝1且接收到的第九位数据为0时，则不能激活接收中断标志RI，接收数据无效；若SM2=1且接收到的第9位数据为1时，则RI不仅被激活而且可以向CPU请求中断，接收数据才有效。

当主机想发命令给某一个分机时，首先发出需要通信的分机的地址信号，通过串口通信线路传输至所有分机，地址相符的分机收到主机呼叫信号后应答。

向主机返回本机地址核对，核对无误后，被寻址的从机的SM2位清零，其余从机的SM2位不变。

主机开始向被寻址从机发送命令，通知从机是接收数据还是发送数据。

由于数据帧的TB8=0,且未被寻址的从机的SM2=1,则只有被寻址从机满足接收条件，接收主机命令，开始主从机之间的数据通信。

当主机改为与其他从机通信时，可再发地址帧寻址从机，原先被寻址的从机其SM2位恢复为1，不能接收主机的数据帧[3]。

主程序流程,采用人性化设计,用户不必作任何操作,智能运行。

本智能仪有三种上水方法:

缺水上水、温控上水和手动上水,前两种在主程序中实现。

初次安装投入使用或停水后突然来水,水箱缺水,若温度低于100℃,打开电磁阀上水至设置水位（初始预置水位50%）;若温度高于100℃,不上水,防止空晒后上水而炸管。

太阳晒后,当水温上升,温度超过60℃且水未满时,打开电磁阀上水至50℃。

晚上,若热水已用完,延时15分,进行缺水上水;若热水未用完,不上水,以保证热水充分利用。

第二天太阳出来后,利用温控上水。

在上水过程中,水压过低或停水,智能仪会自动进入低水压上水模式:

低水压声光报警,间隔30分钟启动上水,若30分钟内不能使水位上升一档,则停止30分钟,然后再启动,反复循环,以免电磁阀长时间通电而烧毁。

在主程序中,15分钟和30分钟的延时,通过多次调用显示子程序来实现;检测低水压循环上水时,也调用显示子程序;所以智能仪在自动上水的同时,也实时显示水温和水位。

第2章锅炉水位控制的设计

系统采用MCS-2051结构，然后在MCS-MCS-2051结构基础上，设计出具体的水位报警器系统结构。

并对数据检测模块，数据处理模块和数据输出模块进行仔细的分析。

2.1水位测量方法概述

2.1.1水位测量方案概述

水位测量方式很多，一般可分为：

（1）电容式；

（2）超声波式；（3）压力传感器式；（4）继电器开关式。

其原理分别为：

1、电容式

在水中放入两根平行的电极,其中一根电极表面敷有绝缘层,这样在两根电极间便构成一个电容C,其容量与电极没入水中的深度成正比。

用C构成的振荡器周期T亦与水深成正比。

2、超声波式

它是由超声波发射装置和超声波接受装置组成,发射装置发射恒定的40KHz超声波信号,当超声波迂到水位表面反射回来被超声波接受装置接受。

根据水位不同,接受的信号强弱就不同,距离远信号弱,距离近信号强。

3、压力传感器

压力传感器安装于水箱的底部,根据流体的性质,传感器检测的压力大小只与水箱中水位的高度成正比,而与水箱的截面积无关。

防爆型、防腐型压力传感器可检测易燃性液体、腐蚀性液体液位。

用压力传感器检测船舶机舱内液柜的液位,可减少船舶摇摆带来的误差。

压力传感器与智能数字仪表或计算机系统组成的控制系统可精确控制液位的高度,并适时地显示打印各测点液位数值。

这是当今技术发展的潮流,也是自动化工厂采取的方案[4]。

4、继电器开关式

（1）杠杆式

它是利用液体的浮力,通过杠杆传动,水位上升到设定高度使触头发生切换,从而达到控制水位的目的,该方法简单、经济。

（2）电极式

是它利用炉水的导电性来测量水位变化的,设置上限位、下限位电极,当水位浸没上限位电极,上、下电极导通而引起继电器动作。

防止电极在水中长期通直流电发生极化腐蚀,取样电路要采用交流源。

2.1.2水位测量方案原理

本文选择了继电器开关式当中的电极式方式,设计基于单片机，利用水的导电性，使用电极作为水位敏感元件检测水位变化的系统，实现水位显示及报警等功能。

在水位超过或低于正常水位时蜂鸣报警器会发出警报。

+12V

电极1

电极2

电极3

电极4

单片机根据不同的输入发出不同的响应。

用户通过键盘控制可以选择上水的方式和加水位置；实际的水位通过水位测量电路进入单片机，单片机对其进行分析判断，决定下一步该发出什么命令给其它电路。

电极5+12V

图2.1水位测量显示图

如图2.1所示，如果经过低于正常水位的话，就发出命令给执行电路，进行加水。

正常状态时再不显示电路中显示水位。

当缺水时（处于缺水档），单片机响应报警电路。

2.1.3水位检测显示系统

水位测试系统与单片机的并行I／0口、电阻、电源及LED发光二极管共同组成水位检测显示系统，如图1.1所示。

电极K1、K2和K3的另一端分别与单片机的并行I／C口P1．1、P1．2和P1．3相连，而对应的l／O口则通过电阻串LED接电源的正极。

当水位达到水满位置时，此时通过水的导电，电极开关K1、K2和K3都导通，相应Pl口接地置低，3个发光二极管都点亮；当水位达到正常水位时，K2和K3导通，而K1断开，相应P1．2和P1．3置低，2个二极管点亮;当水位达到缺水位置时，此时只有K3导通，对应只有IJFD3被点亮。

通过二极管灯点亮个数的显示，在现场给水池注水时，就能很清楚的知道水位的状况，这样就能够正确的注水了。

图1.1水位检测显示系统

2.2主控方法的选择

2.2.1使用单片机实现锅炉液位控制的优点

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、温度状态。

2）在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,可以方便的改变液位、压力、温度的上限、下限。

3）作为锅炉控制系统装置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减少劳动人员的劳动强度。

综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。

单片机是在一块芯片上集成了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。

2.2.2单片机的选取

如图2.2所示为MCS-51

图2.28051单片机框图

它包括了下列几个部件:

（1）一个8位中央处理器CPU；

（2）一个片内振荡器和时序电路；

（3）4KB程序存储器ROM；

（4）128字节数据存储器RAM；

（5）两个16位可编程的定时器/计数器；

（6）1个可编程的全双工串行口；

（7）4个8位可编程并行I/O端口,即P0口,P1口P2口,P3口；

（8）64KB片外程存储器ROM和64KB片外数据存储器RAM的扩展控制电路；

（9）两个优先级嵌套中断结构,5个中断源.以上各部分通过内部总线相连接。

8051系列微处理器采用基于简化的嵌入式控制系统结构，被广泛应用于从军事到自动控制再到PC机的各种应用系统上[5]。

51系列单片机最大的优势在于低廉的价格。

但随着各种控制及应用程序的发展，它的一个先天缺陷非常明显地暴露了出来。

那就是它的寻址空间只有64kB，这是它的指令集决定的[6]。

目前，国内小型的单片机全胜较多的有8051系列，MCS-2051与8051相对应芯片比较有如下特点：

MCS-2051的价格低于8051型号，MCS-2051片内不含WatchDog，这是MCS-2051的不足之处，中断系统堆栈结构、串等通讯笔定时器系统都大大强于8051系统。

由于8051芯片中无标准串等口，所以在单片机的联网应用上面，8051不太适合。

与8051相