【正文】 .............................. 32 Power supply circuit .......................................................... 33 Upper machine munication with AT89C51 ........................ 34 Chapte r 4 Software design .............................................................. 36 Program design ........................................................................ 36 The system main program flow chart ................................. 36 The initial system, antifuzzy process ............................... 37 A/D conversion detection subroutine ................................. 38 Increment type PID control calculate w ay ......................... 42 D/A conversion control subroutine .................................... 46 Alar m subroutine flow chart .............................................. 46 Chapte r 5 the PID parameter setting and the simulation ............. 48 The PID controller parameter setting ....................................... 48 System si mulation analysis ........................................................ 51 Introduction ..................................................................................... 54 Acknowle dge me nts ........................................................................... 55 VI Refere nces ........................................................................................ 56 Appe ndix 1 ....................................................................................... 58 Appe ndix 2 ...................................................................................... 59 1 第 1 章 緒論 隨著計算機科學和自動化水平的不斷提高，在各種應用領用 中都大量采用計算機控制系統(tǒng)。做好節(jié)能減排工作，是貫徹落實科學發(fā)展觀、構建社會主義和諧社會的重案措施，是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇。同時各個鍋爐廠家對余熱鍋爐的開發(fā)力度和深度 也逐漸加大，不斷開發(fā)出高性能的產品來占領和 擴大市場份額。由于 “余熱 ”種類的多樣性 使 得 余熱鍋爐的結構形式各式各樣，不盡相同。其中，汽包水位就是影響鍋爐安全運行的一個很重要的監(jiān)控參數，它間接地體現了鍋爐負荷和給水之間 的平衡關系。如以此過熱蒸汽被用戶用來帶動汽輪機，則將因蒸汽帶液損壞汽輪機的葉片，造成運行的安全事故。 隨著電子產品的降價及自動化生產線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢的凸現，越來越多的企業(yè)準備將自己的核心生產線改成全自動化生產線或者對個別關鍵工藝參數采用自動控制。從經濟性和實用性兩個方面考慮，本設計將通過單片機對鍋爐汽包水位進行控制。因此，掌握微型計算機應用系統(tǒng)的設計和研制技術，是開發(fā)微型計算機應用到的一個很重要的課題。 5 第 2 章 余熱鍋爐汽包水位的設計 余熱鍋爐是一個復雜的控制對象，它 是一個多輸入多輸出且相互關聯的控制對象。 汽包水位過高，汽包空間縮小，會引起蒸汽中的水分增加，蒸汽品質惡化；容易造成過熱器管內積鹽垢，管子過熱損壞；汽包嚴重滿水時，會造成蒸汽大量帶水，引起蒸汽管道和汽輪機產生嚴重的水沖擊，甚至打壞汽輪機葉片。如果給水中斷而繼續(xù)運行，則在 10～30s 內，汽包 水位計中的水位就會消失或降到危險水位。 余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)以汽包水位 h 作為被控量，以給水調節(jié)閥作為調節(jié)機構來改變給水量，以達到保持汽包水位在允許范圍內的目的。 鍋爐汽包水位不僅受到給水量和蒸汽流量之間的平衡關系的影響，還受到水循環(huán)管路內汽水混合物中汽水體積的變化的影響。燃料量對水位的影響有較大的容量滯后性和傳輸滯后性，變化相當緩慢，可忽略不計；蒸汽負荷變化往往引起汽包壓力的變化，所以壓力變化可歸類到蒸汽負荷中去，因此壓力變化對汽包水位的影響可忽略不計。 從 式（ 25） 可看出，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性，是由慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)組成。當水位下汽包容積的變化過稱逐漸平衡時，水位則因汽包中儲水量的增加而上升。 在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性 如果給 水流 量保持 不變 ，蒸 汽流量 發(fā)生 階躍 變化 時，根 據 式（ 21），此時汽包水位的動態(tài)特性微分方程可表示為： ?????? ???? DDDD uKdtduTdtdhTdt hdTT 12221 （ 26） 對式（ 26）進行拉氏變換，可得： ? ? ? ? ? ? ? ?? ?sUKssUTssHTsHsTT DDDD ???? 1221 （ 27） 蒸汽擾動下汽包水位調節(jié)對象的傳遞函數可由式（ 27）變化得到： ? ? ? ?? ? ? ?121 ????? sTsT KsTsU sHsG DDDD （ 28） 式（ 28）可等效為兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的和 : ? ? ? ?? ? ? ?nfDD sTKsKsU sHsG 122????? （ 29） 式（ 29）中： ? ? 122 TTTKK DD ?? 10 1TKK Df ? 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，即干擾通道的動態(tài)特性。而實際顯示的水位響應曲線 H 為 H1 和 H2 的疊加，即 H=H1+H2 。 虛假水位的變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關。隨著控制理論、控制技術和現代控制方法的發(fā)展，鍋爐自動化控制的水平也在逐漸提高。 12 ：是在雙沖量系統(tǒng)的基礎上再引入給水流量信號而構成。 蒸 汽 流 量 D給 水 W省 煤 器 L CL T汽 包 圖 24 單沖量水位控制系統(tǒng)工藝流程圖 調 節(jié) 器變 送 器汽 包 水 位水 位 設 定 值調 節(jié) 閥汽 包 水 位+ 圖 25 單沖量水位 控制系統(tǒng)框圖 這種控制系統(tǒng)結構簡單，對于汽包內水的停留時間長、負荷變 13 化小的小型鍋爐，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證鍋爐的安全運行。等到虛假水位消失時，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴重下降，波動厲害，嚴重時甚至會使汽包水位降到危險程度而發(fā)生事故。由于控制緩慢，導致控制質量下降。 雙沖量 控制系統(tǒng) 針對單沖量控制系統(tǒng)不能刻服的虛假水位的影響，如果引入蒸汽流量來起校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且也能使控制閥及時 動作，從而減小水位的波動，大大改善了控制品質。 14 圖 26 雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖 調 節(jié) 閥液 位 變 送 器汽 包 水 位蒸 汽 流 量 變 送 器調 節(jié) 器++水 位 設 定 值汽 包 水 位蒸 汽 流 量 DI cI f 圖 27 雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖 雙沖量控制由于有以上特點，所以能在負荷頻繁變化的工程下較好的完成水位控制任務。 15 三沖量 控制系統(tǒng) 雙沖量水位控制相對于單沖量控制，控制品質有很大改善。它是以汽包水位 H 為主控信號，其中蒸汽流量 D 為前饋控制信號，給水流量 W 為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。當假水位現象消失后，水位和蒸汽信號都能正確地指揮調節(jié)機構動作。系統(tǒng)框圖為圖 28 所 示。其具有如下優(yōu)點： ，其控制品質最好，能有效地滿足系統(tǒng)對快速性、穩(wěn)定性、準確 性的要求。 從系統(tǒng)框圖可以看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：一個由給水流量 W、給水變送器、調節(jié)器和執(zhí)行機構組成的內回路；另一個是由汽包水位對象和內回路構成的主回路。為了提高仿真的速度，取n=1。此時描述測量變送環(huán)節(jié)特性的傳遞函數可寫成 : ? ? sm mm mesT KsG ???? 1 （ 214） 在控制系統(tǒng)分析時，考慮到 mT 、 m? 值相對于被控過程特性有時是較小的，甚至可忽略不計，此時測量變送環(huán)節(jié)就被近視作為一個 19 放大環(huán)節(jié)（ mK ）來處理。 選 用 的 流 量 變 送 器 的 量 程 為 500T/h， 液 位 變 送 器 的 量 程 為600mm 水柱，所有變送器均采用的 DD ZIII 型組合儀表，其標準信號為 4～ 20mADC 。 wK =? ? ? ? ??? （ 216） 根據所給設計的目標，蒸汽流量測量范圍： 0～ 500T/h，選擇輸入量程所對應的蒸汽流量為 500T/h，輸出量程為 4～ 20mA。合理地選擇水位變送器在水位控制系統(tǒng)中有關鍵作用。 圖 31 為三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖。 22 A/D 轉換電路 通過傳感 器檢測到的信號，經過放大濾波后，必須將連續(xù)變化的模 擬量轉換成離散的數字量，才能輸入到單片機中進行處理。其中A0～ A10 為 11 個模擬輸入端； REF+（通常為 VCC）和 REF（通常為地）為基準電壓正負端； CS 為片選端，在 CS 端的一個下降沿變化將復位內部計數器并控制和使能 ADDRESS、 I/O CLOCK 和 DATA OUT； ADDRESS 為串 行數據輸入端，是一個 4 位的串行地址用來選擇下一個即將被轉換的模擬輸入或測試電壓； DATA O UT 為 A/D 轉換結束三態(tài)串行輸出端； I/O CLOCK 為數據輸入 /輸出提供同步時鐘。 I/O CLOCK 和 ADDRESS 使能， DATA OUT 脫離高阻狀態(tài)。最后， CPU 從 端接收前一次 A/D 轉換結果。 根據虛短虛斷的概念有： np vv ? ， 0?? np ii 24 圖 34 可知，該同相放大電路的放大倍數為： 3413 43 RRR RRvvA iov ????? （ 31） 若取 R3=100 ?K ,R4=25 ?K ,R1=200 ? ,則 4～ 20mA 輸入對應于1～ 5V 的電壓輸出。因此，就需要把數字量轉換成模擬量的裝置，這種裝置稱為數 /模轉換器，簡稱 D/A 轉換器。 25 DAC0832 的 簡介 DAC0832 是帶有與微機連接接口的 DAC 的典型產品之一，它能與微機 CP U 總線直接連接，不須附加邏輯。 DAC0832 的 3 種工作方式： 這時兩級 8 位數據寄存器都處于輸出跟隨輸入的狀況、條件是1LE 和 2LE 同時為 1。條件是 12?LE (直通 )， CPU 控制 ILEWRCSLE ???1 。 AT89C51 與 DAC0832 的接口電路設計 芯片工作過程如下： 應用系統(tǒng)中，在只有一路模擬量輸出或幾路模擬量不需要同時輸出的場合，應采用單緩沖方式。由于11 WRCSILELE ??? ，用單片機的 、 分別控制 1WR 、 CS ，使 1WR 、CS 端接負脈沖信號即可完成一次轉換。） 此電路 為 4～ 20 mA 輸出型，在這種情況下， D/A 芯片的輸出還需要將電流轉換為電壓的電路，圖 35 為電流轉換為 0～ 5V 電壓的電路。輸入數字量 B 為 0 時， outV 也為 0，輸入數字量為 255 時， outV 為負的最大值，輸出電壓為負的單極性。圖 36 為 V/I 轉換電路。隨著 LCD器件價格的下降，人們會越來越多地使用 LCD 取代 LED。由 RS 位控制往LM032L 發(fā)送指令，還是數據；由 RW 位控制是讀，