【正文】 火電廠汽包水位監(jiān)測設(shè)計畢業(yè)設(shè)計目 錄1 緒論 1 1 2 2 2 8 82 火電廠汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)總述 8 9 11 123 汽包水位監(jiān)測界面設(shè)計 13 basic 13 basic 13 14 20 23 23 24 26 27 27 27 28 28 28 29 294 單片機選型設(shè)計 30 STC15F2K60S2單片機總體介紹 30 STC15F2K60S2單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 31 32 32 335 Modbus串口通訊協(xié)議 33 33 34 35 36 37全文總結(jié)與展望 37參考文獻 37附錄1 39翻譯 47英文原文 47中文譯文 59致 謝 69中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院2015屆本科生畢業(yè)設(shè)計1 緒論火電廠蒸汽鍋爐是十分重要的動力設(shè)備，供給滿足運行要求的合格穩(wěn)定蒸汽產(chǎn)品是其主要任務(wù)，用以相應(yīng)符合需求。本身就十分復(fù)雜的控制對象的鍋爐，為了能夠滿足負(fù)荷需求，必須保證提供合格的蒸汽品質(zhì)，所以與其相應(yīng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計必須能夠做到滿足各主要工藝參數(shù)需求。由于負(fù)荷、燃燒狀況及給水流量等因素的變化，汽包水位會經(jīng)常發(fā)生變化[1]。因此，對于鍋爐汽包水位的監(jiān)視與調(diào)節(jié)非常重要，汽包水位需要控制在正常范圍內(nèi)，使鍋爐能夠穩(wěn)定安全運行?？刂平o水流量和蒸汽量之間的動態(tài)平衡是鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)控制的主要任務(wù)，保證鍋爐汽包水位在正常運行允許的范圍內(nèi)，是保證安全生產(chǎn)運行的首要條件，鍋爐汽包水位從側(cè)面反映了鍋爐給水與負(fù)荷之間的平衡關(guān)系，是鍋爐安全運行的一個重要指標(biāo)參數(shù)。就傳統(tǒng)控制方法而言是以各種分離器為單元，加以各種檢測裝置將被控參數(shù)實時的參數(shù)監(jiān)測并反饋給控制器，再根據(jù)控制算法完成相應(yīng)算法運算并驅(qū)使調(diào)節(jié)機構(gòu)完成對應(yīng)動作，從而實現(xiàn)自動控制目的。但是由于這種控制方式的局限性，必須考慮各分立器件的性能影響，系統(tǒng)各部分相互依賴影響較大，自動化水平和控制效果并不能十分理想，另外故障也頻頻產(chǎn)生，對系統(tǒng)的長期安全、高效運行不利。現(xiàn)在廣泛使用的控制技術(shù)還有DCS集散控制系統(tǒng)[2]，雖然這種控制方式被廣泛運用，但本身適合多控制回路同時工作的復(fù)雜系統(tǒng)，另外高昂的價格也給汽包水位這樣的控制系統(tǒng)帶來困擾，因此對于汽包水位控制系統(tǒng)需要考慮其成本再進一步進行選擇。PLC是70年代發(fā)展起來的中大規(guī)模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口與中斷系統(tǒng)于一體的器件[2]，在冶金、機械、能源等各種領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著計算機功能性能的發(fā)展更新，無論是在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、更甚是通訊能力上都有了突飛猛進的提高，極大的強化了PLC通訊能力，使PLC編程軟件和技巧明顯得到豐盈，強化了PLC的過程通訊能力。因此，PLC技術(shù)可以適用于各種從簡單到復(fù)雜的控制。近年來開發(fā)的一項新技術(shù)——PLC控制鍋爐技術(shù)。它集PLC軟件、硬件，鍋爐節(jié)能，自動控制等技術(shù)于一體。在電廠鍋爐控制中，很好的改善了鍋爐運行環(huán)境并且減輕了操作人員工作負(fù)擔(dān)。為能夠?qū)崿F(xiàn)對鍋爐運行過程的實時監(jiān)測、調(diào)節(jié)、自動控制等多項功能，采用PLC控制技術(shù)是不錯的選擇。由于被控量是汽包水位，而汽包給水流量作為調(diào)節(jié)量，因此對汽包水位進行實時監(jiān)測、反饋，通過PLC對反饋信號和給定信號的比較，然后應(yīng)用相應(yīng)控制算法對二者偏差進行運算，再將運算結(jié)果輸送給執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部達(dá)到動態(tài)平衡，保證汽包水位變化相應(yīng)的就能夠在正常允許范圍內(nèi)。國內(nèi)外電廠目前常采用的水位測量方法有以下幾種：云母水位計測量、電接點水位計、壓差式水位計、多測孔接管技術(shù)、核子汽包水位計、激光法汽包水位計。每種測量方法都有其優(yōu)缺點，通常要根據(jù)電廠實際情況采用合理的測量手段。例如鍋爐啟動初期汽包水位要以云母水位計和電接點水位計為準(zhǔn)。因為就地云母水位計是根據(jù)連通管原理直接與汽包連通，它不需要媒介和傳遞，直觀而可靠地指示汽包水位。電接點水位計是根據(jù)汽和水的導(dǎo)電率不同的原理測量水位，指示值不受汽包壓力變化影響。而其他水位計如差壓型低置水位計由“水位、差壓”轉(zhuǎn)換裝置等組成，轉(zhuǎn)換裝置包括熱套管、正壓室、漏斗傳壓管等，在啟動初期由于正壓室還未充滿飽和水時，就不能正確反應(yīng)汽包內(nèi)水位。所以，啟動初期應(yīng)以云母水位計和電接點水位計為準(zhǔn)，控制汽包水位。軟測量技術(shù)主要由輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、軟測量模型幾部分組成?；舅枷胧前炎詣涌刂评碚撆c生產(chǎn)過程知識有機的結(jié)合起來，應(yīng)用計算機技術(shù)對難以測量或者暫時不能測量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷或者估計，以軟件來替代硬件的功能。應(yīng)用軟測量技術(shù)實現(xiàn)元素組分含量的在線檢測不但經(jīng)濟可靠，且動態(tài)響應(yīng)迅速、可連續(xù)給出萃取過程中元素組分含量,易于達(dá)到對產(chǎn)品質(zhì)量的控制。目前國內(nèi)外常用的汽包水位控制方式主要有三種：三沖量控制、模糊控制和PID自校準(zhǔn)與自調(diào)整。尤其是前兩種控制方式，最為常用。每種控制方式又會根據(jù)不同的形式有更為細(xì)化的分類。例如,就三沖量控制方式而言，有兩種種控制策略：選用總給水閥門作為汽包水位控制閥門、選用進省煤器閥作為汽包水位控制閥門。經(jīng)典汽包水位控制策略包括單沖量、雙沖量和三沖量控制,由于單沖量、 雙沖量及單級三沖量控制策略比較簡單,并且難以適應(yīng)現(xiàn)代各種復(fù) 雜鍋爐的控制要求,目前各種鍋爐汽包水位控制絕大多數(shù)采用三沖量水位控制策略,本文僅對三沖量串級控制策略進行詳細(xì)分析。在實際應(yīng)用中,由于選定的控制閥門不一 樣,串級三沖量作為控制系統(tǒng)的設(shè)計也就不一樣。A選用總給水閥門作為汽包水位控制閥門選用總給水閥門作為汽包水位控制閥門對于系統(tǒng)設(shè)計來說,方案成熟,是典型的串級三沖量控制設(shè)計,在實際現(xiàn)場應(yīng)用中最為廣泛。該系統(tǒng)的設(shè)計思想是:以鍋爐汽包水位測量信號作為主控制信號,構(gòu)成主調(diào)節(jié)回路,以蒸汽流量信號作為前饋信號,構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)回路,總給水流量作為串級信號,構(gòu)成副調(diào)節(jié)回路,由主調(diào)節(jié)回路、前饋調(diào)節(jié)回路、副調(diào)節(jié)回路來共同構(gòu)成鍋爐汽包水位串級三沖量自動控制系統(tǒng)。引入蒸汽流量 前饋信號可以消除“虛假水位”現(xiàn)象對自動控制的不良影響,引入給水流量串級信號可以消除給水側(cè)壓力擾動對自動控制的不良影響。 總給水閥作為控制閥系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)的優(yōu)點是: (1) 系統(tǒng)適合于對于汽包 水位要求嚴(yán)格或變化頻繁、 虛假水位嚴(yán)重的系 統(tǒng)。(2)對信號的靜態(tài)配合要求沒有那么嚴(yán)格 ,主 調(diào)節(jié)器能自動校正信號配合不準(zhǔn)所引起的誤差。(3)可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)(不存在穩(wěn)態(tài)配合問題)。缺點有:(1) 在整定參數(shù)時的步驟較多。(2)尤其在無論主環(huán)還是副環(huán) ,只要是有一個環(huán)發(fā)生振蕩,就可能造成系統(tǒng)的崩潰。 B 選用進省煤器閥作為汽包水位控制閥門選用進省煤器閥作為汽包水位控制閥門對于系統(tǒng)設(shè)計來說,系統(tǒng)相對獨立,控制思路也相對清晰。該系統(tǒng)的思想是,以鍋爐汽包水位測量信號作為主控制信號,構(gòu)成主調(diào)節(jié)回路,以蒸汽流量信號作為前饋信號,總給水流量也作為前饋信號,構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)回路,總給水流量減去減溫水流量,即進省煤器的給水流量與前兩個控制回路的輸出構(gòu)成副調(diào)節(jié)回路(即串級回路),由主調(diào)節(jié)回路、前饋調(diào)節(jié)回路、副調(diào)節(jié)回路來共同構(gòu)成鍋爐汽包水位串級三沖量自動控制系統(tǒng)。其控 制系統(tǒng)方框圖如圖 所示。 省煤器閥作為控制閥控制系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)實際是串級三沖量控制的一種變形, 是在實際應(yīng)用過程中為更好地滿足工藝的要求而確立的。給水總管閥全開,然后將減溫水閥與進省煤器的閥分離開來控制,由控制算法和軟件來消除聯(lián)動控制系統(tǒng)所帶來的不便。該系統(tǒng)適合于對汽包水位要求嚴(yán)格或變化頻繁,虛假水位嚴(yán)重的系統(tǒng)。A 預(yù)測函數(shù)控制 預(yù)測函數(shù)控制[3]由Richalet和Kuntze等人提出,并成功地應(yīng)用于工業(yè)機器人的快速高精度控制。PFC把控制結(jié)構(gòu)的輸入作為關(guān)鍵,可以克服其他模型預(yù)測控制可能出現(xiàn)規(guī)律不明的控制輸入問題,同時具有良好的跟蹤能力、較強的魯棒性,抑制干擾能力好。PFC應(yīng)用到鍋爐汽包水位控制系統(tǒng),并考慮負(fù)荷變化對汽包水位的影響,將蒸汽流量信號引入到PFC的預(yù)測模型中,用具有對負(fù)荷變化前饋補償?shù)钠幌到y(tǒng)預(yù)測函數(shù)控制策略。仿真結(jié)果表明,采用該新型汽包水位系統(tǒng)控制策略具有良好的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)和很強的魯棒性。與常規(guī)PIDPID串級控制的不同之處在于,。 預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)框圖[4]該控制系統(tǒng)的特點是:(1)該方法綜合了預(yù)測控制、串級控制和PID控制的優(yōu)點。給水流量的擾動在內(nèi)回路得以迅速消除,而蒸汽流量外擾及系統(tǒng)參數(shù)的變化主要由PFC的強魯棒性來保證；(2)采用PFCPID串級控制策略的水位系統(tǒng),與傳統(tǒng) PIDPID 串級控制相比,在參數(shù)整定上要簡單得多,相對于以往的模型預(yù)測控制,主要只有兩個參數(shù)需要整定:參考軌跡時間常數(shù)一般取為主通道對象模型時間常數(shù)的1/10，1/5即可。仿真研究表明,這兩個參數(shù)的取值自由度很大,對控制效果影響卻很小,而對于傳統(tǒng)的PIDPID串級控制,PID的參數(shù)略有改變則對控制效 果影響甚大,因而其調(diào)試工作量很大。雖然PFCPID控制需要確定預(yù)測模型,但對模型的精度要求不是很高。(3)預(yù)測函數(shù)控制以其采用簡化的數(shù)學(xué)模型而得到運算量很小的簡單算法,因而易于在廣泛使用的DCS系統(tǒng)上實現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和在對象特性變化情況下有很強的魯棒性因而完全能夠滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的實際需要,從而其具有良好的應(yīng)用前景。 B模糊控制 在鍋爐汽包水位控制中,模糊控制是主要控制策略之一,模糊控制[5]是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯理論為基礎(chǔ)的一類計算機數(shù)字控制方法。模糊集合論是20世紀(jì)60年代中期由L. A. Zadeh提出的。此后,模糊數(shù)學(xué)得到迅速發(fā)展,形成了一系列比較完整的基礎(chǔ)理論。模糊集合的引入,使得人們有可能用比較簡單的方法對復(fù)雜系統(tǒng)做出合乎實際的、符合人類思維方式的處理。1973年,L. A. Zadeh 繼續(xù)豐富和發(fā)展了模糊集合論,提出了一種把邏輯規(guī)則的語言表達(dá)轉(zhuǎn)化成相關(guān)控制量的思想,從而為模型控制的形成奠定了理論基礎(chǔ)。模糊控制方法與通常系統(tǒng)分析所用的定量方法有著本質(zhì)的區(qū)別。它有如下3個主要特點:(1)用語言變量代替數(shù)學(xué)變量或者兩者結(jié)合應(yīng)用；(2)用模型條件語句來刻劃變量間的函數(shù)關(guān)系；(3)用模糊算法來刻劃復(fù)雜關(guān)系。工業(yè)鍋爐汽包水位模糊控制系統(tǒng)通常是由汽包、水位變送器、模糊控制器(一般由微機組成)和進水調(diào)節(jié)閥等部件組成,圖中Hd水位給定值,H是水位實際高度,當(dāng)汽包水位連續(xù)變化時,水位變送器信號也不斷改變,由此測定值和水位給定值進行比較,得出其誤差量。經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換,送入模糊控制器,模糊控制器的輸出控制量經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換,與信號功率放大器控制給水閥門,從而改變進水量,保持水位在允許范圍內(nèi)波動。圖 　汽包水位模糊控制系統(tǒng)[6]模糊控制的特點:(1)在設(shè)計控制系統(tǒng)時,可以不要求知道對象精確的數(shù)學(xué)模型,但要對受控對象的特性有充分了解,是以現(xiàn)場操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗知識的總結(jié)和歸納而建立知識模型的；(2)用語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量,或兩者結(jié)合運用,來構(gòu)造形成專家的知識庫；(3)控制系統(tǒng)的魯棒性強,適應(yīng)于常規(guī)控制難以解決的非線性、變性、多層次、多干擾的滯后系統(tǒng)(汽包水位具有這樣的性質(zhì))。應(yīng)用在汽包水位控制上存在的缺點有:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整定困難、仍舊存在 誤差。模糊控制規(guī)則的制訂,依賴于人們的操作經(jīng)驗,往往帶有很大的主觀片面性。控制規(guī)則—旦確定,在控制過程中就不會改變。普通模糊控制由于在模糊量化過程中的信息丟失和制定模糊規(guī)則時人為因素的制約,必然會影響到控制的精度。過多的規(guī)則數(shù)目使得其推理過程較為繁瑣。最后鍋爐現(xiàn)場其他一些隨機干擾、噪音、過程時變性等等因素,有時會造成控制規(guī)則較粗糙,而影響控制品質(zhì)。C模糊控制典型模型——模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN)[7] 實際上模糊控制器是一種“語言控制”,它通過模擬人類智慧進行判斷和決策,能較好的處理模糊信息。但是,模糊控制不具備學(xué)習(xí)功能,而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)恰恰相反,它具有較強的學(xué)習(xí)、聯(lián)想、識別等功能,但只能處理數(shù)值型數(shù)據(jù),不能處理和描述模糊信息。那么,使二者結(jié)合起來,使模糊控制具備學(xué)習(xí)功能,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備處理模糊信息功能,進行判斷和決策,從而得到一種既具有學(xué)習(xí)、聯(lián)想、自適應(yīng)性,又能進行模糊思維的新型結(jié)構(gòu),這就是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(FNN)的基本出發(fā)點。直接將一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一個模糊控制器,用一些已獲得的、能近似反 映控制器輸入/ 輸出關(guān)系的具體數(shù)據(jù)對其進行訓(xùn)練,希望訓(xùn)練后網(wǎng)絡(luò)的輸入/ 輸出關(guān)系能夠滿意地作為所需要的模糊控制函數(shù)。這樣,FNN實際上相當(dāng)于一個模糊控制函數(shù)估計器,它直接將普通模糊控制器中的各種結(jié)構(gòu)化關(guān)系和數(shù)值運算關(guān)系融于網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部描述之中。 汽包水位FNN模型控制系統(tǒng)框圖利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)模糊控制就形成了FNN,通過將FNN和優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來,實現(xiàn)對模糊控制器的隸屬函數(shù)、模糊控制規(guī)則、模糊邏輯和比例因子的綜合優(yōu)化整定,避免了只憑經(jīng)驗和試湊法設(shè)計模糊控制器所存在的困難和盲目性,有效地提高了模糊控制器的控制品質(zhì),FNN的結(jié)構(gòu)考慮了模糊推理及模糊規(guī)則,所以其學(xué)習(xí)結(jié)果很容易理解,可以實現(xiàn)不同形式的模糊模型,同時又具有學(xué)習(xí)、計算能力。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的容錯能力,在處理和解決問題時不需要對象的精確模型,FNN通過其結(jié)構(gòu)的可變性,逐步適應(yīng)外部環(huán)境的各種因素的作用。當(dāng)汽包的輸入輸出平衡時,水位處于穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)汽包水位受到燃料量和蒸汽量的擾動時,根據(jù)偏差,FNN的輸出通過變頻器,調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速,從而改變給水流量,使水位恢復(fù)到給定值。火電廠汽包水位是火電廠鍋爐運行很重要的參數(shù)，對電廠安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行具有很重要的意義。因此，對于汽包水位的實時監(jiān)控、調(diào)節(jié)顯得尤為重要?；赩B設(shè)計汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)，簡單、易操作且能夠?qū)崿F(xiàn)汽包水位實時監(jiān)控，對所學(xué)知識的運用考究很實際，對于將來的工作和學(xué)習(xí)具有深遠(yuǎn)意義。本課題針對火電廠汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)，基于VB可視化應(yīng)用程序，進行火電廠汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計?？梢暬缑妫庇^的進行汽包水位的實時監(jiān)控。本課題的主要研究工作可概括為以下幾點：(1) 汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計；(2) 基于VB汽包水位監(jiān)測界面設(shè)計；(3) 硬件選型；(4) 硬件單片機設(shè)計；(5) Modbus串口通訊協(xié)議。本章節(jié)對汽包水位傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的概況、控制元件、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進行了簡要的介紹和分析。針對現(xiàn)有的工作基礎(chǔ)，提出了本文的工作內(nèi)容并闡明了課題的意義。2