【正文】 汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水?dāng)_動下的傳遞函數(shù)可由 式（ 23） 變化得到： ? ? ? ?? ? ? ?121 ???? sTsT KsTsU sHsG WWWW （ 24） 在實際工程中，對于蒸汽壓力小于 的中壓以下的鍋爐，給水量項的時間常數(shù)一般較小，可忽略不計，因此 式（ 24） 可簡化為： ? ?? ? ? ?nsTssWsH 12 ?? ? （ 25） 式中1TKW?? 為飛升速度，即給水流量變化單位流量時水位的變化速度，ht smm。 由于給水溫度變化要比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，需 從原有飽和水中吸收部分熱量，使水位下汽包容積減少。在給水量作階躍變化后，汽包水位不馬上增加，而呈現(xiàn)一段起始慣性線。汽包內(nèi)水沸騰突然加劇，產(chǎn)生內(nèi)蒸，水中氣泡迅速增加，因汽包容積增加，而使水位變化的曲線如圖中的 H2。 ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? 12221 ?????? sT KsKsD sHsD sHsD sH f （ 210） 式 （ 210）中： K f — 飛升速度，即在蒸汽流量變化單位流量時水位的變化速度，ht smm； K2 — 響應(yīng)曲線 H 2 的放大系數(shù)； T 2 — 響應(yīng)曲線 H 2 的時間常數(shù)。 控制系統(tǒng)的 方案 汽包水位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長久以來一直是控制領(lǐng)域的一個典型的難問題。 12 ：即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號。圖 25 是單沖量水位控制系統(tǒng)框圖。例如，蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時，虛假水位上升，此時控制器不但不能開大給水閥，增加給水量，反而關(guān)小控制閥，減少給水量。負(fù)荷變化時，需引起汽包水位變化后才起控制作用。 為了克服上面三個問題，除了依據(jù)汽包水位之外，也可依據(jù)蒸汽流量和給水流量的變化來控制給水閥，將能獲得良好的控制效果，這就產(chǎn)生了雙沖量和三沖量水位控制系統(tǒng)。圖 2圖 27 是典型的雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量控制 [ 5 ]。 所謂三沖量，指的是引入三個測量信號：汽包水位、給水流量、蒸汽流量。實際給 水量是增加還是減小，取決于系統(tǒng)參數(shù)的整定。 必須指出，引入蒸汽流量信號只是削弱了假水位期間調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動作，并不能消除假水位現(xiàn)象，并且由于水位 H 對負(fù)荷（蒸汽量）擾動 D 的響應(yīng)速度要比對基本擾動 W 的響應(yīng)速度快的多，因此，在外部擾動下被調(diào)量的變化幅度還是比較大，必須對負(fù)荷變化的幅度加以限制。 方案 選擇 通過以上方案的比較，我 選擇了汽包水位 三沖量 控制系統(tǒng)。 17 WKHK ? ?sG p?K? ?sG c DKHWDrH++ 圖 29 單級三沖量控制系統(tǒng)方框圖 其中： rH — 水位設(shè)定值； H— 水位值； W— 給水流量； D— 蒸汽流量； ??sGc — 調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)； ??sGp — 被控對象傳遞函數(shù)； ?K — 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)； WK 、 DK 、 HK — 給水流量、蒸汽流量和鍋爐水位等測量裝置的傳遞函數(shù)。在給水流量單位階躍擾動下，水位反應(yīng)曲線的飛升速度，即水位的變化速度 0K = smm 。 受測量元件安裝位置的限制，被測參數(shù)變化的信號傳遞到檢測點需要花費 一定的時間，因而就產(chǎn)生了測量純滯后 m? 。 儀表的選擇與各變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定 本系統(tǒng)共需要選擇三個檢測儀表以及一個線性給水調(diào)節(jié)閥。 根據(jù)所給設(shè)計的目標(biāo)，給水流量測量范圍： 0～ 500T/h，選擇輸入量程所對應(yīng)的給水流量為 500T/h，輸出量程為 4～ 20mA。 uK =? ? ? ? ??? （ 218） 液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算 由于本設(shè)計的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對水位的準(zhǔn)確測量，因此水位能否準(zhǔn)確測量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。 hK =? ? ? ?? ? ???? 300300420 mmmA （ 219） 21 第 3 章 硬件電路設(shè)計 本設(shè)計 采用 AT89C51 作 為核心控制芯片 ,及其相關(guān)硬件來實現(xiàn)余熱鍋爐汽包水位的控制。這種控制方式簡單，操作方便，可靠性高。 TLC1543 采用 20 腳 DIP 封裝，引腳排列如圖 32 所示。 23 當(dāng) =1 時，工作狀態(tài)被禁止，當(dāng) =0 時， TLC1543 開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。前 4 個時鐘從 端裝載地址寄存器，選擇所需的模擬通道，后 6 個時鐘對模擬輸入的采樣提供控制時序。利用同相放大電路，把電阻 R1 上產(chǎn)生的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。但是單片機(jī)內(nèi)部運算和輸出的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，而控制對象的參數(shù)是模擬量。本設(shè)計采用的是 DAC0832 轉(zhuǎn)換器，其與單片機(jī)接口方便，轉(zhuǎn)換控制容易，且價格便宜，在實際中得到了廣泛應(yīng)用。該芯片的各管腳功能如下： CS 為片選端，低電平有效；1WR 為寫使能控制端， 1WR =0 時，允許數(shù)據(jù)寫入輸入 寄 存器； 2WR 為寫使能控制端， 2WR ＝ 0 時，允許輸入鎖存器的內(nèi)容存入數(shù)據(jù)寄存器；ILE 為輸入鎖存器的使能端，高電平有效； 1OUTI 、 2OUTI 為 DAC 的電流輸出端； XFER 為傳輸控制端，低電平有效； refV 為基準(zhǔn)電壓端，范圍為 10～ +10V； VCC 為正電源電壓端； fbR 為內(nèi)部電阻，為外接運算放大器提供反饋電阻。 兩個 鎖存器之一始終處于直通狀態(tài)，另一個鎖存器處于受 CPU控制狀態(tài)。該工作方式多用于 2 路 D/A 轉(zhuǎn)換接口場合，每一路模擬輸出都接一片 26 DAC0832,并要求同步進(jìn)步 D/A 轉(zhuǎn)換輸出 [ 12]。將 ILE 接 +5 V。 2LE 亦如此。 顯然， outV 和 B 成正比關(guān)系。本設(shè)計采用雙運放、雙電源之電流環(huán)形路將 0～ 5V轉(zhuǎn)為 4～20mA。由于液晶顯示器具有體積小、重量輕、低電壓、微功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，所以其應(yīng)用特別廣泛，從電子表到計算器，從袖珍式儀表到便攜式微型計算機(jī)，以及一些文字處理機(jī)，都用到了 LCD。 AT89C51 與 LM032L 的接口電路如圖 37 所示。實時地讀取給水流量和蒸汽流量的數(shù)值大小。當(dāng) RS=0，RW=0 時，寫指令操作；當(dāng) RS=0， RW=1 時，寫數(shù)據(jù)操作；當(dāng) RS=1，RW=0 時，讀指令操作；當(dāng) RS=1， RW=1 時，讀數(shù)據(jù)操作。 29 在單片機(jī)系統(tǒng)中， LCD 是一種很重要的外設(shè)。 123411L M 32 4123411L M 32 4R210KR310KRs25R11KR11KD1R5250+ 12V 12V+ 12V 1V4 20m AI outV i n 12VVa VbnPnpA1A2 圖 36 V/I 轉(zhuǎn)換電路 28 根據(jù)虛短虛斷的概念可得到： npin VAVAV 11 ?? （虛短） （ 34） outn VAVA 21 ? （ 35） ? ?baout VVRRVA ?? 122 （ 36） ? ?bain VVRRV ??? 12 （ 37） outsba IRVV ??? （ 38） 12RRIRV outsin ??? （ 39） 12RRR VIsinout?? （ 310） 此線路設(shè)計可用于 0～ 5V轉(zhuǎn)為 4～ 20 mA 的電流環(huán)，然后 需要設(shè)置參考點電壓為負(fù)即可，如果參考點 refV 為 0V,則輸出電流值為 0～20mA； refV 為 1V 時，輸出電流值為 4～ 20mA[ 13]。要想得到標(biāo)準(zhǔn)的 0～ 5V 電壓，只需將 refV 選為 5 V,輸出范圍為 0～ 27 ，完成 0～ 5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出。此圖為單級性輸出電路圖，在加 refV 為負(fù)電壓時，輸出為正極性。 約 1S 后 Iout1 和 Iout2 就有穩(wěn)定電流的輸出。本系統(tǒng)中只需要一路 D/A 轉(zhuǎn)換，采用的單緩沖工作方式。這時DAC0832 相當(dāng)于單片機(jī)的一個外部 RAM 單元， CPU 用一條 MO VX指令就可以完成 D/A 轉(zhuǎn)換。當(dāng) ILE=1 時， CS 、 1WR 、 2WR 和 XFER 均為 0。該電路采用雙緩沖寄存器，使它能方便地應(yīng)用于多個 DAC 同時工作的場合。 D/A 轉(zhuǎn)換器的功能是將一組輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為在時間上是連續(xù)的模擬量輸出，輸出模擬量形式有電流型和電壓型兩種。 123411L M 3 2 4 1 2 V+ 1 2 VR1200 C11 .0 u FR2100KR3100KR4 25KR51KIV 圖 34 I/V變換電路 通過上面電路的轉(zhuǎn)換，我們就可以把 4～ 20mA(DC)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號 1～ 5V(DC),送到 TLC1543 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 67P 1 . 78R S T9P 3 . 0 / R X D10P 3 . 1 / T X D11P 3 . 2 / I N T 012P 3 . 3 / I N T 113P 3 . 5 / T 115P 3 . 6 / W R16P 3 . 7 / R D17X T A L 118X T A L 219V S S20P 2 . 021P 2 . 122P 2 . 223P 2 . 324P 2 . 425P 2 . 526P 2 . 627P 2 . 728P S E N29A L E30EA31P 0 . 732P 0 . 633P 0 . 534P 0 . 435P 0 . 336P 0 . 237P 0 . 138P 0 . 039V C C40P 1 . 56P 3 . 4 / T 014A T 8 9 C 5 1A89GND10A01A12A23A34A45A56A67A78V C C20E O C19I / O C L O C K18A D D R E S S17D A T A O U T16CS15R E F +14R E F 13A 1 012A911T L C 1 5 4 3+ 5 V+ 5 V 圖 33 AT89C51 與 TLC1543 的接口電路 I/V 變換電路 由于 現(xiàn)場變送器的輸出信號為 4～ 20mA，所以需要設(shè)計電流電壓轉(zhuǎn)換電路，將 4～ 20mA 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號 1～ 5 V,然后再將電壓信號輸入到采樣保持器中，讓 T LC1543 接受標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的 1～ 5V電壓信號。隨后， CPU 向 端提供 4 位通道地址。 A89GND10A01A12A23A34A45A56A67A78V C C20E O C19I /O C L O C K18A D D R E S S17D A T A O U T16CS15R E F +14R E F 13A 1 012A911 圖 32 TLC1543 的引腳排列 TLC1543 與 AT89C51 采用串行 數(shù)據(jù)通信，芯片的 3 個輸入端和1 個輸出端與 AT89C51 的 I/O 口可直接連接，具體連接方式如圖 33所示。實現(xiàn)模擬量 變換成數(shù)字量的設(shè)備為模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）簡稱 A/D。 單 片 機(jī)A / D 轉(zhuǎn) 換電 路上 位 機(jī)汽 包 水 位給 水 流 量蒸 汽 流 量電 源 模 塊D / A 轉(zhuǎn) 換電 路故 障 報 警電 路給 水 調(diào) 節(jié) 閥鍵 盤液 晶 顯 示 圖 31 三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖 在信號檢測的過程中，汽包水位信號、蒸汽流量信號和給水流量信號，它們經(jīng)過各自的變送器再作 I/V 變換，轉(zhuǎn)換成 0～ 5V 的標(biāo)準(zhǔn)信號，接入 A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換并送入單片機(jī)，這些信號在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并與給定值比較，該系統(tǒng)還配有一路控制信號的輸出端口，即通過 D/A 轉(zhuǎn)換電路把比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為一路模擬電壓控制信號輸出，考慮到電壓信號不利