【正文】 摘 要 鍋爐計(jì)算機(jī)控制是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟、硬件、自動(dòng)控制和鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用微計(jì)算機(jī)控制，能對(duì)鍋爐進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。由于我國(guó)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)操作水平落后，造成很多大量的熱能丟失，實(shí)踐證明，工業(yè)鍋爐實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)控制，是鍋爐安全生產(chǎn)，提高熱效率，節(jié)約能源的一大創(chuàng)舉，也為鍋爐生產(chǎn)開(kāi)辟了廣闊的前景。 本設(shè)計(jì)采用三沖量水位控制系統(tǒng)，以鍋爐水位為主控信號(hào)，蒸汽流量為前饋信號(hào)，給水流量為控制器的反饋信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)控制，使鍋爐水位維持在正常的范圍內(nèi)，當(dāng)水位超過(guò)上限或下限時(shí)，能及時(shí)報(bào)警并采取相應(yīng)的措施。關(guān)鍵詞： 三沖量控制 汽包水位 鍋爐溫度Abstract：In recent years ,puter control of boiler was a new is a union product with the close connection of microputer hardware and software, automatic control and the energy of boilersaving technology. As a boiler control devices, their main task is to ensure that the boiler security, stability and economic operate, ease the labor intensity of of microputer control, the boiler can automatically detect,automatic control, and so the backward of our contry39。s industrial in boiler operation production, resulting in many lost a lot of shows that the industrial boiler controlled by microputer is not only a major undertaking in the boiler safety in production, increase thermal efficiency, energy conservation, but also for the production of boilers opened up a broad prospect.This design uses the control system of threevolume water level, the boiler water level as main control signal, the steam flow as the feedforward signal, the water supply flow as feedback signalwater level by the Single Chip Machine control, to maintain the normal range of boiler. when the water level exceeds the limit or under the limit, it can be timely warning and take corresponding measures.Keywords: Three elements control Steam drum water level boiler temperature 1 引言 設(shè)計(jì)的目的和意義工業(yè)鍋爐是能源轉(zhuǎn)換和能源消耗的重要設(shè)備。由于我國(guó)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)操作水平落后，造成大量的熱能丟失，經(jīng)濟(jì)效益很低。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的逐步普及，工業(yè)鍋爐開(kāi)始采用微型機(jī)算計(jì)控制。實(shí)踐證明，工業(yè)鍋爐實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)控制，是鍋爐安全生產(chǎn)，提高熱效率，節(jié)約能源的一大創(chuàng)舉，也為鍋爐生產(chǎn)開(kāi)辟了廣闊的前景。鍋爐控制的被調(diào)量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過(guò)對(duì)給水流量的調(diào)節(jié),使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)，雖然鍋爐汽包水位對(duì)蒸汽流量和給水流量變化的響應(yīng)呈積極特性，但是在負(fù)荷(蒸汽流量)急劇增加時(shí)，表現(xiàn)卻類(lèi)似逆響應(yīng)特性，即所謂的虛假水位。造成這一原因是由于負(fù)荷增加時(shí)，導(dǎo)致汽包壓力下降，使汽包內(nèi)水的沸點(diǎn)溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是維持鍋爐進(jìn)出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標(biāo)，通過(guò)調(diào)整進(jìn)水量的多少來(lái)達(dá)到進(jìn)出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線(xiàn)附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。 應(yīng)解決的主要問(wèn)題本設(shè)計(jì)主要解決傳感器的選擇（溫度，壓力，水位）、輸出道的設(shè)計(jì)和軟件程序的設(shè)計(jì)。其所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為（1）可以對(duì)鍋爐水位，蒸汽量和給水量分別采集（2）通過(guò)單片機(jī)控制，使鍋爐汽包水位維持在正常的范圍內(nèi)（3）具有鍵盤(pán)顯示功能（4）具有報(bào)警功能當(dāng)水位超過(guò)上限或下限時(shí)，能及時(shí)報(bào)警。目前國(guó)內(nèi)外隨便科學(xué)技術(shù)技術(shù)的發(fā)展，都采用三沖量水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該控制引進(jìn)蒸汽流量和給水流量信號(hào)作為控制信號(hào)，系統(tǒng)動(dòng)作及時(shí)，有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此得到廣泛的應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前在國(guó)內(nèi)外主要用微型機(jī)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)控制鍋爐。微型機(jī)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是，其控制功能要通過(guò)內(nèi)部的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，人們只需要改變這些程序，就可以更改鍋爐設(shè)備的控制功能，以適應(yīng)新的控制要求而不需要改動(dòng)硬件系統(tǒng)。這種靈活性在硬聯(lián)邏輯系統(tǒng)中是沒(méi)有的。因此，掌握微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制技術(shù)，是開(kāi)發(fā)微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要課題。在國(guó)內(nèi)主要有，單、雙、三沖量控制系統(tǒng)來(lái)控制鍋爐汽包水位。單沖量控制系統(tǒng)以鍋爐鍋筒水位為唯一信號(hào)的鍋爐給水連續(xù)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)由水位變送器，伺服放大器，執(zhí)行器和給水調(diào)節(jié)閥組成。水位變送器將水位信號(hào)送到調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)實(shí)測(cè)水位和給定值的偏差，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，改變鍋爐上水量，使水位控制在容許范圍內(nèi)。在單沖量水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作為前饋信號(hào)，便構(gòu)成所謂的雙沖量水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。前饋控制的主要特點(diǎn)是根據(jù)擾動(dòng)的大小直接調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)作用在擾動(dòng)發(fā)生的同時(shí)起作用，從而減小擾動(dòng)造成的被控參數(shù)的變化。引入蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除虛假水位對(duì)水位控制的不良影響，減小或抵消由于虛假水位現(xiàn)象而造成的調(diào)節(jié)誤動(dòng)作。在雙沖量水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，為解決給水壓力不穩(wěn)而造成調(diào)節(jié)性下降的問(wèn)題，引入給水流量作為調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)。它采用蒸汽流量作為前饋信號(hào)，克服負(fù)荷變化引起的外擾動(dòng)，減少假水位引起的調(diào)節(jié)器誤動(dòng)作；用給水流量作為反饋信號(hào)，克服內(nèi)擾影響，穩(wěn)定給水量，可以進(jìn)一步改善給水調(diào)節(jié)質(zhì)量。由常規(guī)儀表和調(diào)節(jié)儀表構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng)，雖然具有可靠性高，成本低，易于維護(hù)和操作等優(yōu)點(diǎn)，并在大中小企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，解決了不少自動(dòng)化方面的問(wèn)題。但是隨著生產(chǎn)向大型化連續(xù)化發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的要求越來(lái)越高，模擬自動(dòng)控制系統(tǒng)越來(lái)越表現(xiàn)出它的局限性。例如它難以實(shí)現(xiàn)多變量控制，復(fù)雜控制規(guī)律的控制，最優(yōu)控制，自適應(yīng)控制，以及時(shí)變控制等；模擬控制屏越來(lái)越長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)集中控制；各條系統(tǒng)之間不便進(jìn)行通訊聯(lián)系，難以實(shí)現(xiàn)多級(jí)控制；控制方案的修改比較麻煩。如果采用計(jì)算機(jī)作為自動(dòng)化工具的過(guò)程控制系統(tǒng)，就能很好地解決模擬控制系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，鍋爐日益廣泛的用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要熱力設(shè)備之一。在現(xiàn)代化的建設(shè)中，能源的需求量非常大的，然而我國(guó)的能源利用率極低，所以提高鍋爐的熱效率，有這極為重要的實(shí)際意義。此外，是鍋爐能以地制宜地有效地燃用地方燃料，并為滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)的要求而努力解決煙塵污染問(wèn)題，以提高操作管理水平，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐額定運(yùn)行及運(yùn)行效率，安全可靠地供熱等問(wèn)題。 指導(dǎo)思想采用三沖量水位控制系統(tǒng)，以鍋爐水位為主控信號(hào)，蒸汽流量為前饋信號(hào)，給水量為控制器的反饋信號(hào)來(lái)控制給水量。其目的是通過(guò)單片機(jī)的控制，使鍋爐汽包水位維持在正常的范圍內(nèi)，當(dāng)水位超過(guò)上限或下限時(shí)，能及時(shí)報(bào)警并采取相應(yīng)的措施。充分體現(xiàn)三沖量控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，系統(tǒng)功能完善，結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，能耗小，擴(kuò)展靈活，便于維護(hù)，并且可靠性高，而且還極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，大大降低了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了成本，綜合性強(qiáng)，實(shí)用性好，保障鍋爐正常運(yùn)行。2 設(shè)計(jì)方案 工業(yè)鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制，根據(jù)鍋爐容量大小，供給蒸汽（或熱水）的使用要求不同，通常有單沖量自動(dòng)控制系統(tǒng)、雙沖量自動(dòng)控制系統(tǒng)和三沖量自動(dòng)控制系統(tǒng)三種形式。 單沖量水位控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測(cè)量信號(hào)為唯一的控制信號(hào)即水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量來(lái)保持汽包水位在容許的范圍內(nèi)。單沖量水位自動(dòng)控制系統(tǒng)，是汽包水位自動(dòng)控制中最簡(jiǎn)單最基本的一種形式。對(duì)于中小型鍋爐在蒸汽負(fù)荷變化不大的情況下，水位受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢，“虛假水位”現(xiàn)象也不嚴(yán)重，采用單沖量控制系統(tǒng)，一般采用比例調(diào)節(jié)就能滿(mǎn)足生產(chǎn)上的要求，如果采用PI調(diào)節(jié)器，將得到更滿(mǎn)意的效果。單沖量水位存在的問(wèn)題是：當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化很大時(shí)，由于“虛假水位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過(guò)程一開(kāi)始，調(diào)節(jié)器根據(jù)水位先上升去關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減少給水量，這個(gè)錯(cuò)誤動(dòng)作擴(kuò)大了汽包進(jìn)出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動(dòng)幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。從給水?dāng)_動(dòng)下的情況看。由于給水總管壓力改變等原因所造成的給水量變動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到水位改變后才能動(dòng)作，而調(diào)節(jié)器動(dòng)作后又要經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間才能影響到水位，因此將導(dǎo)致汽包水位發(fā)生較大的變化，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。[1]2. 2 雙沖量水位控制系統(tǒng)在單沖量汽包水位控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號(hào)構(gòu)成雙沖量水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。這種水位控制的特點(diǎn)是：引入蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假水位”對(duì)控制的不良影響，當(dāng)負(fù)荷蒸汽變化時(shí)，就有一個(gè)使給水量與蒸汽量同方向變化的信號(hào)，可以減小或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽流量向相反方向變化的誤動(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥一開(kāi)始就向正確的方向移動(dòng)。因而大大減小了給水和水位的波動(dòng)，能夠改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。雙沖量汽包水位控制，能在負(fù)荷變化頻繁的工況下比較好的完成水位控制任務(wù)。在給水壓力比較平衡時(shí)，采用雙沖量控制是能夠達(dá)到控制要求的。雙沖量汽包水位控制存在的問(wèn)題是：控制作用不能及時(shí)反映給水方面的擾動(dòng)，當(dāng)給水量擾動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)等于單沖量的控制。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常波動(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。[1] 三沖量水位控制系統(tǒng)近代工業(yè)鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量就越小，容許波動(dòng)的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在10~30s就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)水位；如僅是給水量與蒸汽量不相適應(yīng)，在一分鐘到幾分鐘內(nèi)也將發(fā)生缺水或滿(mǎn)水事故。這樣對(duì)汽包水位控制要求就更高了。鍋爐的給水量在運(yùn)行生產(chǎn)中經(jīng)常有自發(fā)性變化，當(dāng)幾臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，還可能發(fā)生幾臺(tái)鍋爐的汽包水位控制互相干擾的現(xiàn)象。當(dāng)某一臺(tái)鍋爐負(fù)荷和給水量改變時(shí)，引起給水母管壓力波動(dòng)而使其他鍋爐的給水量受到擾動(dòng)。在雙沖量水位調(diào)節(jié)中，對(duì)于給水量這種自發(fā)性變化不能及時(shí)反映出來(lái)，要經(jīng)過(guò)一定的延遲時(shí)間之后，給水量的擾動(dòng)才能通過(guò)汽包水位的變化而被發(fā)覺(jué)，此后在克服擾動(dòng)時(shí)，幾臺(tái)鍋爐的水位控制又互相影響，使得控制過(guò)程非常復(fù)雜。針對(duì)上述情況，為了把水位控制平衡，在雙沖量水位控制的基礎(chǔ)上引入了給水流量信號(hào)，這時(shí)調(diào)節(jié)器接受三個(gè)輸入信號(hào)：汽包水位是被調(diào)量，是主沖量信號(hào)，蒸汽流量是前饋信號(hào)，給水流量是反饋信號(hào)，這就是汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)。[1] 圖21 三沖量框圖工業(yè)鍋爐采用三沖量控制系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥一開(kāi)始就向正確方向移動(dòng)，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，抵消了由于“虛假水位”引起的反向動(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)，控制器能迅速消除干擾。如給水流量減少，控制器立即根據(jù)給水流量減少的信號(hào)，開(kāi)大給水閥門(mén)，使水流量保持不變。另外，給水流量信號(hào)也是控制器動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使控制器及早知道調(diào)節(jié)的效果，所以三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制器動(dòng)作快，還可以避免調(diào)節(jié)過(guò)頭，減少波動(dòng)和失調(diào)，這樣汽包水位就很少受到影響。從三沖量水位控制系統(tǒng)的可以看出，它由兩個(gè)閉合回路組成：（1）是由給水量，調(diào)節(jié)閥，控制器組成的內(nèi)回路；（2）由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路，蒸汽流量和分流器均在閉合回路之外，它的引入可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)?？傊?，三沖量汽包水位控制系統(tǒng)，由于引進(jìn)蒸汽流量和給水流量信號(hào)作為控制信號(hào)，系統(tǒng)動(dòng)作及時(shí)，有較強(qiáng)的抗干擾能力，在較大的階躍擾動(dòng)時(shí)都能有效地控制水位的變化，因而得到了廣泛的引用。 設(shè)計(jì)方案的確定 通過(guò)比較看到三沖量控制系統(tǒng)適合本設(shè)計(jì)主要思想，符合我的設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)選用三沖量控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)內(nèi)容是以鍋爐水位為主控信號(hào)，蒸汽流量為前饋信號(hào)給水量為控制器的反饋信號(hào)來(lái)控制給水量。通過(guò)單片機(jī)的控制，使鍋爐汽包水位維持在正常的