【正文】 量作用下的動(dòng)態(tài)特性 ................ 6 汽包水位在蒸汽擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 ........... 7 ................. 9 單沖量控制系統(tǒng) ......................... 9 雙沖量控制系統(tǒng) ........................ 10 三沖量控制系統(tǒng) ........................ 11 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 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 .................... 11 II蒸汽流量前饋 給水流量串級(jí)控制系統(tǒng) ............................. 12 幾種控制方案的比較 .................... 13 工程中需要注意的問題 ................... 15 關(guān)于汽包液位測(cè)量的問題 .............. 15 給水閥的選擇問題 .................... 16 給水流量和蒸汽流量的選擇 ............ 16 ............................... 17 硬件實(shí)現(xiàn) ............................. 17 輸入模塊設(shè)計(jì) ........................ 32 鍵盤 /顯示模塊設(shè)計(jì) ................... 36 報(bào)警模塊設(shè)計(jì) ........................ 38 輸出模塊設(shè)計(jì) ........................ 39 軟件設(shè)計(jì) ............................. 42 .................................. 42 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 ................................ 46 ................................ 47 .............................. 48 ： 汽包液位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，液位過高，會(huì)使蒸汽帶水過多，汽水分離差，使后續(xù)的過熱器管壁結(jié)垢，傳熱效率下降，過熱蒸汽溫度下降，嚴(yán)重時(shí)將引起蒸汽品質(zhì)下降，影響生產(chǎn)和安全；水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)， 引起水冷壁局部過熱而損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生鍋爐爆炸。dynamic characteristics。 通過對(duì)鍋爐汽包液位動(dòng)態(tài)特性的分析，介紹了基于 51 單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)的軟硬件組成，并成功地運(yùn)用到實(shí)際系統(tǒng)中，大大降低了使用成本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比，取得了良好的控制效果。摘 要 本設(shè)計(jì)對(duì)鍋爐液位的控制方案進(jìn)行了簡(jiǎn)單地介紹，并對(duì)其設(shè)計(jì)方案存在的問題進(jìn)行分析。 關(guān)鍵詞 ：汽包水位；串級(jí)三沖量控制；單片機(jī)；汽包水位；動(dòng)態(tài)特性；控制方案；單沖量 ；雙沖量；三沖量 Abstract The methods of the boiler liquid level were introduced simplely in the paper and exsiting questions of the methods in the designing were anylied. Improving methods’ feature was descriped and faulse liquid level’ s effection was eliminated. The paper introduced the dynamic characteristics of the level of boiler bubble. The characteristics of automatic control schemes with one variable or two variables or three variables were discussed,as well as some problems concerned in engineering. The automatic control scheme of boiler bubble with three variables was remended specially. According to analyzing the boiler liquid level＇s dynamic characteristics,this paper introduces the liquid level control system of boiler based on single chip puter,including the software and the system was used in practice successfully,reduced the cost greatly,increased the ration of the performance and the cost,and achieved good control effect. Key words:boiler liquid level。 automatic control schemes。尤其是大型鍋爐，一旦控制不當(dāng)，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)的水全部汽化，造成重大事故。在工業(yè)鍋爐中稱鍋爐為將燃料放出的熱量傳給水產(chǎn)生蒸汽或熱水的設(shè)備。 燃料在爐腔里燃燒放出的熱量，經(jīng)過一個(gè)復(fù)雜的傳熱河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 過程后再傳給鍋爐里的水。 B 是鍋爐對(duì)流受熱面的傳熱狀況，圖中所示狀況為煙氣溫度較低處，忽略煙氣的輻射放熱、傳熱由對(duì)流和導(dǎo)熱兩種方式組成。如圖 C 所示： 這種氣泡必須及時(shí)離開，并讓汽水混合物把熱帶走，才能保證爐水對(duì)管壁的有效冷卻。 爐水 對(duì)流 受熱面 導(dǎo)熱 對(duì)流 煙氣 B 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 D 圖中表示水循環(huán)回路由上下兩個(gè)筒和兩組管束組成。右邊管子里是飽和水或接近飽和狀態(tài)的水，重度較大。 下降管 上升管 水筒 煙氣 自然循環(huán)回路簡(jiǎn) D 圖 受 熱 面 蒸汽 爐水 蒸汽泡 C 汽筒 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 工業(yè)鍋爐汽水系統(tǒng)如圖 1 所示。 1給水管； 2調(diào)節(jié)閥； 3省煤器； 4汽包； 5下行管； 6下行管； 7過熱器； 8蒸汽管。這樣引起汽包水位變化的主要擾動(dòng)是蒸汽流量的變化和給水量的變化。在給水流量擾動(dòng)下，汽包水位響應(yīng)曲線如圖 2 所示。對(duì)水位的影響可以用圖中的曲線表示。 在給水量不變的情況下，當(dāng)負(fù)荷蒸汽量發(fā)生階躍變化后，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可近似表示為： ? ? ? ?? ? ? ?2.... ...... ......12 2???? ST KSKSU SHSG fDD （ 2）式中： ??sUD 蒸汽負(fù)荷)(tDU的拉氏變換； ??sGD 蒸汽負(fù)荷)(tDU作用下鍋爐的數(shù)學(xué)模型；fK響應(yīng)速度，即蒸w? WU t t 1h h ? 2h 0 圖 2 給水?dāng)_動(dòng)下的水位響應(yīng)曲線 h 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 汽變化單位流 量時(shí)，水位的變化速度； 2K 響應(yīng)曲線2h的放大系數(shù)； 2T 響應(yīng)曲線2h的時(shí)間常數(shù)。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。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，也可以滿足生產(chǎn)要求。 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)。 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（ ）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)選用氣開閥，加法器的輸出應(yīng)增加 ，即 S? 應(yīng)該取正號(hào)。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。 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)閥開度的變化亦越大。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)。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。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 量、給水量是兩個(gè)輔助沖量信號(hào)。 通過比較和針對(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)。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 速消除干擾。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。 1) 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的。 2) 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號(hào)的選擇。 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。 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。 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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 4) 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM（ 128B/256B），用以存放可以讀 /寫的數(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。 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。最高允許振蕩頻率為 12MHZ。如在實(shí)驗(yàn)調(diào)試中使用 8051，需在片外擴(kuò)展可改寫的 EPROM。一般微處理器（如 Z80）只包括運(yùn)算器和控制器兩部分。 1. 運(yùn)算器 運(yùn)算器包括一個(gè)可進(jìn)行 8 位算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的單元 ALU， 8 位的暫存器 暫存器 8 位的累加器 ACC、寄存器 B 和程序狀態(tài)寄存器 PSW等。除此之外， ACC 在 8051 內(nèi)部經(jīng)常作為數(shù)據(jù)傳送的中轉(zhuǎn)站。 PSW 中各位狀態(tài)供程序查詢和判別用。 程序計(jì)數(shù)器 PC： 由兩個(gè) 8 位的計(jì)數(shù)器 PCH 及 PCL 組成，共 16 位。 PC可對(duì) 64KB 的 ROM（程序存儲(chǔ)器）直河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 接尋址，也可對(duì) 8051片外 RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）尋址。該脈沖信號(hào)就作為 8051 工作的基本節(jié)拍，即時(shí)間的最小單位。 2. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 8051/8751/8031 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均為 128KB，地址為00H～ 7FH，用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存以及數(shù)據(jù)緩沖等。 由上圖可見， 8051 單片機(jī)內(nèi)部還有 SP、 DPTR、PCON，、 IE、 IP等特殊功能寄存器，它們也同 128字節(jié)RAM在一個(gè)隊(duì)列里編址，地址為 80H～ FFH。 P0～P3 口四個(gè)鎖存器同 RAM 統(tǒng)一編址，可以把 I/O 口當(dāng)作一般特殊功能寄存器來(lái)尋址。若采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖。 3. 控制信號(hào)引腳 RST， ALE， ________PSEN 和 ___EA RST/ PDV (9腳 )： RST 是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。 ALE/ ________PROG （ ADDRESS LATCH ENABLE/PROGRAMMING,30腳）：地址鎖存允許信號(hào)端。如果想確定 8051/8031 芯片的好壞，可用示波器查 ALE 端是否有脈沖信號(hào)輸出，如有脈沖信號(hào)輸出，則8051/8031 基本上是好的。此引腳接 EPROM 的___OE 端。如有則說(shuō)明基本上工作正常。 4. 輸入 /輸出端口 P0， P1， P2和 P3 P0口（ ～ ， 39～ 32 腳）： P0口是一個(gè)漏極開路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 P1口（ ～ ， 1～ 8 腳）： P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉