【正文】 響應(yīng)曲線(xiàn)2h的時(shí)間常數(shù)。 在蒸汽流量擾動(dòng)下，汽包 水位響應(yīng)曲線(xiàn)如圖 3 所示。汽包水位的特性曲線(xiàn)可分為 1h 和 2h 兩部分，圖 3 中 1h 是僅考慮當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加，即用汽量增加時(shí)由于蒸汽流量和給水流量不平衡引起的水位變化；是由于蒸汽流量的擾動(dòng)，改變了汽包的氣壓而引起“虛假水位”的 變化?！疤摷偎弧碑a(chǎn)生的主要原因是蒸汽流量增加，汽包內(nèi)的氣壓下降，爐水沸點(diǎn)降低，使?fàn)t管和汽包混合物中的汽容積增加，體積 膨大，引起汽包水位上升。這給控制帶來(lái)很大困難，在 設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，必須有效克服“虛假水位”的影響。 39。D? t 圖 3 蒸汽流量擾動(dòng)下的水位響應(yīng)曲線(xiàn) DU h 2h h 1h t 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 單沖量控制系統(tǒng)（沖量一詞指的是變量，單沖量即汽包液位）是采用汽包液位直接控制給水調(diào)節(jié)閥（如圖 4 所示），它是汽包液位自動(dòng)控制中最簡(jiǎn)單最基本的一種形式，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)，用于小型低壓鍋爐。因?yàn)檫@種鍋爐的蒸汽負(fù)荷比較穩(wěn)定，汽包的相對(duì)容積大，用戶(hù)對(duì)蒸汽的要求往往不十分嚴(yán)格，該控制系統(tǒng)若再配上一些報(bào)警聯(lián)鎖裝置，也可以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。 在停留時(shí)間較短，負(fù)荷變化較大時(shí)，就不能采 用單沖量液位控制系統(tǒng)。這是因?yàn)椋? 1) 負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生的“虛假液位”將使調(diào)節(jié)器反向錯(cuò)位動(dòng)作，負(fù)荷增大時(shí)反而關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，當(dāng)閃急汽化平息下來(lái)時(shí)， 圖 4 單沖量控制系統(tǒng)方框圖 蒸汽 LT LC 省煤器 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 會(huì)使 水位嚴(yán)重下降，產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)很差。 2) 負(fù)荷變化時(shí)，從負(fù)荷變化到水位下降再到調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，滯后時(shí)間太長(zhǎng)，如果水位過(guò)程時(shí)間常數(shù)很小，偏差必然很顯著。 3) 給水系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)，例如給水泵壓力變化，進(jìn)水量立即變化，而到水位產(chǎn)生偏差時(shí)才使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，同樣不 夠及時(shí)。 在汽包的水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化，那么引入蒸汽流量來(lái)校正，不僅可以補(bǔ)償“虛假水位”所引起的誤動(dòng)作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)，這就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個(gè)前饋（蒸汽流量 FTS）加單回路反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)。加法器的輸出 = SC PSP ??? +初始偏差。 如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機(jī)，為保護(hù)設(shè)備，給水閥宜選用氣開(kāi)（ ）閥，當(dāng)蒸汽流量加大時(shí)，給水流量亦要相應(yīng)增加，此時(shí)選用氣開(kāi)閥，加法器的輸出應(yīng)增加 ，即 S? 應(yīng)該取正號(hào)。 如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時(shí)，為保護(hù)設(shè)備，給水閥宜選用氣關(guān)（ ）閥，當(dāng)蒸汽流量加大時(shí)，給水流量亦要相應(yīng)增加，此時(shí)選用氣關(guān)閥，加法器的輸出應(yīng)減小，即 S? 應(yīng)該取負(fù)號(hào)。 為了兼顧上述兩種要求，宜選帶保位裝置（ ）的給水閥，即事故狀態(tài)該閥停在原位。初始偏差設(shè)置的目的是：正常負(fù)荷下，調(diào)節(jié)器和加法器的輸出都能有一個(gè)比較適中河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 的數(shù)值，最好在正常負(fù)荷下初始偏差與前饋（蒸汽流量 FTs）SSP? 項(xiàng)恰好抵消。圖 5 為雙沖量控制系統(tǒng)方框圖 雙沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)缺點(diǎn)： 1) 調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定完全是線(xiàn)性，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難； 2) 對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償。為此將引入給水流量信號(hào)，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。 三沖量控制方案 I前饋（蒸汽流量）加反饋（液位、給水流量）控制方案 該系統(tǒng)可看作三沖量的綜合信號(hào)作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，投運(yùn)和整定與單回路控制系統(tǒng)一樣，但是如果系統(tǒng)參數(shù) 設(shè)置不能確保物料平衡，則負(fù)荷變化時(shí)，水位將有余差。圖 6 為三沖量控制方案 I 方框圖 圖 5 雙沖量控制系統(tǒng)方框圖 LC ? FTs 省煤器 蒸汽 給 水 Ps S? Pc 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 關(guān)于系數(shù) S? 和 W? 作用與設(shè)置 1) 用來(lái)保證物料平衡 即在 DaW ??? 的條件下，蒸汽流量信號(hào) SPS?? 與給水流量信號(hào) PWW?? 應(yīng)相等，依據(jù)這條原則，可以確定 S? 和 W?的比值。 2) 用來(lái)確定前饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)弱 從（ 1）物料平衡中知道 S? 和 W? 的比值，其大小應(yīng)依據(jù)過(guò)程特性確定， S? 越大其前饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，則擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的變化亦越大。 II蒸汽流量前饋 給水流量串級(jí)控制系統(tǒng) 方案 I 與方案 II相似，僅是加法器位置從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后。該方案不管與如 何設(shè)置，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，液位可以保持無(wú)差，以改善負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 加法器的輸出 = PWWPsSPc ????? ?? 催化裂化裝置產(chǎn)汽及余鍋汽包采用氣關(guān)（ ）式的保圖 6 三沖量控制系統(tǒng) I 方框圖 LT ? FTs 省煤器 蒸汽 給水 Ps S? Pc LC FTs Pw W? 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 位給水閥，當(dāng)蒸汽流量加大時(shí)，給水流量亦要相應(yīng)增加，此時(shí)選用氣關(guān)閥，加法器的輸出應(yīng)減小，即應(yīng)取減號(hào)。當(dāng)給水流量增加時(shí)，此時(shí)選用氣關(guān)閥，加法器的輸出應(yīng)增大，即 Pc應(yīng)該取正號(hào)。 單沖量液位控制是汽包液位自動(dòng)控制中最簡(jiǎn)單最基本的一種形式，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)，但它不能克服“虛假液位”的影響，而且沒(méi)有給水 流量信號(hào)的反饋，所以液位波動(dòng)較大。 雙沖量液位控制系統(tǒng)是在單沖量控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號(hào)。該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：引入的蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假液位”對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響，當(dāng)蒸汽流量變化時(shí)，就有一個(gè)給水量與蒸汽量向同方向變化的信號(hào)，可以減小或抵消由于“虛假液位”引起的給水量與蒸汽量反方向變化的誤動(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥從一開(kāi)始就向正確的方向移動(dòng)。因而大大減小了給水量與液位的波動(dòng)，縮短調(diào)節(jié)的時(shí)間。而且引入的蒸汽流量的前饋信號(hào)，能改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。雙沖量液位控制系統(tǒng)適用于小型低壓而且給水壓力 較穩(wěn)定的鍋爐。 當(dāng)給水壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量控制；另外在大型鍋爐的控制中，鍋爐容易越大，壓力越來(lái)越高，汽包的相對(duì)容水量就越小，允許波動(dòng)的儲(chǔ)水量就更少。為了把液位控制平穩(wěn)，在雙沖量液位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入了給水流量信號(hào)，由液位、蒸汽流量和給水流量就構(gòu)成了三沖量液位控制系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)里，汽包液位是被控變量，是主沖量信號(hào)，蒸汽流河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 量、給水量是兩個(gè)輔助沖量信號(hào)。 三沖量液位控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，適用于大中型中壓鍋爐。 三沖量控制方案 I：方案 I 宜作為一般鍋爐液位的控制方案，其特點(diǎn) 是使用的設(shè)備少，整定方法比較簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作比較平穩(wěn)。 三沖量控制方案 II：與方案 I 比較，其加法器從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后，即使出現(xiàn)物料不平衡的現(xiàn)象，只要液位有偏差，調(diào)節(jié)器的積分作用就能消除偏差。 通過(guò)比較和針對(duì)以上對(duì)汽包動(dòng)態(tài)特性的分析，為了有效地克服“虛假水位”的影響，我們采用三沖量（即用液位 LT、給水量 FTw、蒸汽負(fù)荷 FTs 三個(gè)變量作為被控量）串級(jí)控制方案 II來(lái)控制汽包液位，其控制簡(jiǎn)化方框圖如圖7 所示，它實(shí)際是把一個(gè)蒸汽流量作為前饋信號(hào)的串級(jí)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中的鍋爐水位 H 被控變量，是主控制變量，蒸汽流量 FTs 和給水流量 FTw 是兩個(gè)輔助控制變量，由蒸汽前饋及補(bǔ)償系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算和輸出來(lái)保證水位穩(wěn)定。 在三沖量控制中，水位調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器，用于穩(wěn)定水位，它可抑制閉環(huán)內(nèi)一切引起水位波動(dòng)的擾動(dòng)，給水流量調(diào)節(jié)器作為副調(diào)節(jié)器，用于消除各種引起水位波動(dòng)的二次擾動(dòng)，使水位更加穩(wěn)定，蒸汽流量作為前饋信號(hào)，用于抑制蒸汽負(fù)荷波動(dòng)對(duì)水位的影響。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增大，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥閥門(mén)開(kāi)度增大，大大削弱了由于“虛假水位”引起的誤動(dòng)作，因而減小了水位和給水流量的波動(dòng)幅度。當(dāng)由于水壓干擾使給水流量改變時(shí)，調(diào)節(jié)器能迅 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 速消除干擾。另外，給水流量信號(hào)也是調(diào)節(jié)器動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，所以三沖量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器動(dòng)作快，還可以避免調(diào)節(jié)過(guò)頭，減少波動(dòng)和失控。這樣，汽包水位就很少受到影響。主調(diào)節(jié)器采用 PID控制算法，副調(diào)節(jié)器采用 P 控制算法。由于水位調(diào)節(jié)器測(cè)量值是汽包水位信號(hào)，因此，當(dāng)水位調(diào)節(jié)器具有積分控制作用時(shí)，該控制方案可實(shí)現(xiàn)汽包水位無(wú)余差控制。 由于汽包液位波動(dòng)較大，一般選用平衡容器測(cè)量汽包液位 。平衡容器連通管中的液位始終與汽包液位等高，上副調(diào)節(jié)器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 鍋爐汽包 給水流量變送器 汽包液位變送器 主調(diào)節(jié)器 圖 7 三沖量串級(jí)控制系統(tǒng) FTs 變送器 PK FTw LT 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 端的蒸汽冷凝后會(huì)在托盤(pán)上形成水柱，若水柱高出托盤(pán)自溢口后自溢，并經(jīng)平衡閥返回汽包，進(jìn)行熱量與水量的交換，以求達(dá)到汽包內(nèi)部液體與平衡容器內(nèi)部的液體比重一致且恒定。將托盤(pán)液面高于正取壓端口做負(fù)遷移，則差壓變送器量程所對(duì)應(yīng)的平衡管正壓端水柱壓力的變化就能真實(shí)反映汽包液位的變化。 1) 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的。如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機(jī)的重要負(fù)荷，為保護(hù)這些設(shè)備以選用氣開(kāi)（ ）閥為宜。如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)中 的熱源時(shí)，為保護(hù)鍋爐，以選用氣關(guān)（ ）閥為宜。綜合起來(lái)考慮，一般選帶保護(hù)裝置（ ）的給水閥，即事故狀態(tài)停在原位。 2) 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號(hào)的選擇。由于流經(jīng)給水閥的除氧水壓力為 ，溫度為 104℃，極宜產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。對(duì)于輕度汽蝕，一般給水閥的閥芯，底座選用司鈦萊合金堆焊即可。對(duì)于重度汽蝕，一般給水閥選用多級(jí)高壓調(diào)節(jié)閥，使高壓除氧水在流過(guò)調(diào)節(jié)閥多級(jí)節(jié)流孔后逐漸降壓，而每級(jí)閥芯上只承擔(dān)一部分壓差，使節(jié)流后的壓力在閥的部分恢復(fù)不到流體的飽和蒸汽壓力，可以有效的避免汽蝕現(xiàn)象，也有效的防止了汽蝕引起的噪聲振動(dòng) 和對(duì)閥芯底座的侵蝕。 給水流量和蒸汽流量的一次元件如果選用節(jié)流裝置，則差壓變送器輸出的信號(hào)疊加。這樣可以減少非線(xiàn)性對(duì)系河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。若是選用流量變送器則不必加開(kāi)方器。它們的顯示儀表的量程應(yīng)選擇的相同，其范圍應(yīng)比額定蒸汽負(fù)荷大一些，以保證鍋爐在額定負(fù)荷下的給水流量有波動(dòng)的余地。 器件選擇：本設(shè)計(jì)主要有 51 單片機(jī)、 815 555 定時(shí)器等器件，現(xiàn)分別介紹如下： ? 51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理： i. 51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)： 51 單片機(jī)是 INTEL 公司生產(chǎn)的一個(gè) 單片機(jī)系列的名稱(chēng)。該公司繼 1976 年推出 48系列 8 位單片機(jī)之后，又于 1980 年推出了 51系列高檔 8 位單片機(jī)。屬于這一系列的單片機(jī)芯片有許多種，如 8051， 8031， 8751， 80C51BH， 80C31BH 等等，它們的基本組成、基本性能和指令都是相同的。為了敘述方便，今后如不作說(shuō)明，則常用 8051 代表 51 系列單片機(jī)。 ii. 51單片機(jī)的基本組成： 在一塊芯片上，集成了一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分。每一個(gè)單片機(jī)包括： 1) 一個(gè) 8 位的微處理器（ CPU）。 2) 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM（ 128B/256B），用以存放可以讀 /寫(xiě)的數(shù)據(jù) ，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。 3) 一個(gè) 8 位的微處理器（ CPU）。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 4) 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM（ 128B/256B），用以存放可以讀 /寫(xiě)的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。 5) 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ROM/EPROM（ 4KB/8KB），用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。但也有一些單片機(jī)內(nèi)部不帶ROM/EPROM，如 8031， 8032， 80C31等。 6) 四個(gè) 8 位并行 I/O接口 P0~P3，每個(gè)口即可以用作輸入，也可以用作輸出。 7) 兩個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。 8) 五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)。 9) 一個(gè)全雙工 UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行 I/O 口，振蕩器和 時(shí)序 OSC 程序存儲(chǔ)器4KBROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器256BRAM/SFR 2X16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù) 器 8051CPU 64KB 總 線(xiàn) 擴(kuò)展 控制器 可編程 I/O 可編程全雙工串行口 外中斷 內(nèi)中斷 并行口 串行通信 外部事件計(jì)數(shù) 圖 8 8051 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 控制 外部時(shí)鐘源 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的通信。 10) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率