【正文】 〇年 九 月 二十 日 畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明 本人完全了解 濱州學(xué)院 關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、生產(chǎn)設(shè)備的不斷更新，作為全廠動力源和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高效率發(fā)展。而在其它工業(yè)中，常用的還是燃煤鍋爐。能快速計(jì)算出機(jī)組在正常運(yùn)行和啟停過程中的有用數(shù)據(jù)，能在顯示器上同時顯示鍋爐運(yùn)行的水位、壓力、爐膛負(fù)壓、煙氣含量、測點(diǎn)溫度、燃煤量等數(shù)十個運(yùn)行參量的瞬時值、累計(jì)值及給定值，并能按需要在鍋爐的結(jié)構(gòu)示意畫面的相應(yīng)位置上顯示出參數(shù)值。 4．減少了顯示儀表，還可利用軟件來代替許多復(fù)雜的儀表單元，（例如加法器、微分器、濾波器、限幅報(bào)警器等），從而減少了投資也減少了故障率。通過對風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行變頻控制可以平均節(jié)電達(dá)到 30%40%。而建立解耦模型和算法通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)比較方便。 燃油鍋爐的主要設(shè)備 鍋爐是一種產(chǎn)生蒸汽或者熱水的熱交換設(shè)備。水在管內(nèi)受管外煙氣加熱，因而管簇內(nèi)發(fā)生自然的循環(huán)流動，并逐漸氣化，產(chǎn)生的飽和蒸汽積聚在上鍋筒里面。（須指出，直流鍋爐內(nèi)無鍋筒。 燃燒設(shè)備：將燃料和燃燒所需的空氣送入爐膛并使燃料著火穩(wěn)定，充分燃燒。用它來供應(yīng)燃料所需的空氣。 燃料的燃燒過程 首先將燃料（這里用石油）加到油箱中，利用油泵將燃料油送入爐內(nèi)。經(jīng)處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入氣鍋。以及在鍋筒本身空間的重力分離力作用，是汽水混 合物得到分離。 煙氣向水的傳熱過程 由于燃料的燃燒放熱，爐內(nèi)溫度很高在爐膛的四周墻面上，都布置一排水管，俗稱水冷壁。煙氣流經(jīng)過過熱氣后掠過脹接在上、下鍋筒間的對流管束，在管束間設(shè)置了折煙墻使煙氣呈“ S”型形成曲折地橫向沖刷，再次以對流換熱的方式將熱量傳遞給管束的工質(zhì)。 （ 2）保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。從而使鍋爐能正常運(yùn)行。在燃燒過程中發(fā)出熱量加熱汽包中的水，把預(yù)熱傳導(dǎo)給進(jìn)入鍋爐的水和空氣。控制系統(tǒng)包括手動和自動操作部分，手動控制時由操作人員手動控制，用操作器控制變頻器、滑差電機(jī)及閥等，自動控制時對微機(jī)發(fā)出控制信號經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動操作。 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)。 微機(jī)鍋爐控制技術(shù)具有良好實(shí)用前景，既可節(jié)能又可提高鍋爐的運(yùn)行管理水平，減輕環(huán)境污染，目前國內(nèi)只有幾百臺鍋爐采用微機(jī)控制，占總數(shù)的很小一部分，所以推廣應(yīng)用該技術(shù)就顯得十分繁重 [3]。本文就一臺燃油鍋爐燃燒、加熱的自動控制的工作過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示： 圖 21 鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)的控制方案 微機(jī)控制方案 現(xiàn)成的微型計(jì)算機(jī)包括工業(yè)控制機(jī)、集散系統(tǒng)、可編程控制器和普通微型計(jì)算機(jī)。所以用 溫度傳感器壓力傳感器水位傳感器8031單片機(jī)計(jì)算機(jī)LED 顯示小鍵盤 顯示器打印機(jī)鍋爐油量調(diào)節(jié)閥水泵長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 戶的研制、開發(fā)工期小，設(shè)計(jì)周期短。這種方案投資大，但收效也大，通常用于大型化工廠、煉油廠、化肥廠、鋼鐵廠等。近年來，發(fā)展迅速，但目前性能價(jià)格比還是很高。 功能模塊板控制方案 標(biāo)準(zhǔn)功能模板具有一定功能和尺寸。然而，缺點(diǎn)是提供的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件少。所用元器件最少，硬件、軟件資源都能得到充分利用。目前，各種 單片機(jī)控制系統(tǒng)是這種方案的主流。外部擴(kuò)展 ROM 為 2732，外部 RAM 采用芯片 6116， D/A 轉(zhuǎn)換采用 DACO832， A/D 轉(zhuǎn)換采用 ADC0809。因此，實(shí)時控制 系統(tǒng)就是對實(shí)時性有苛刻要求的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [13]。 多數(shù)工業(yè)鍋爐用戶維護(hù)計(jì)算機(jī)的技術(shù)力量都比較薄弱，設(shè)計(jì)硬件時應(yīng)盡可能簡化硬件系統(tǒng)。例如，采用簡單的操作方法， CRT 顯示采用漢字方式等。 實(shí) 時 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 的 主 要 特 點(diǎn) 體 現(xiàn) 為 層 次 性 (Hierarchical) 和 重 復(fù) 性( Iterative)，前者表示系統(tǒng)開發(fā)過程依據(jù)一定的層次規(guī)程，后者表示系統(tǒng)開發(fā)中不斷反復(fù)考慮用戶需求。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 。主要調(diào)節(jié)量有：負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減水量、送風(fēng)等。對于這樣復(fù)雜的對象，工程處理上作了一些簡化，將鍋爐控制劃分為若干個調(diào)節(jié)系統(tǒng)。采用 RS232 接口，通信速率為 1200b/S、 2400b/S、 4800b/s 和 9600b/s 等四種波特率，由用戶通過鍵盤自行按需要選擇。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。一旦被調(diào)量偏差不存在，調(diào)節(jié)器輸出也就為零。因而能保持靜差為零。 以上三種調(diào)節(jié)器組合起來，組成比例 +積分 +微 分作用的調(diào)節(jié)器，稱 PID 調(diào)節(jié)器。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的 PID 還可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種 PID 的變種，如 PI、 PD 等。 （ 4）控制效果好 計(jì)算機(jī)控制是高效的，對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，是近似于連續(xù)變化的。一旦超出上述范圍（如超出蒸汽閥門的最大開度），則實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值，由此將引起不期望的效應(yīng)，稱為飽和效應(yīng)。如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否應(yīng)將相應(yīng)偏差計(jì)入積分區(qū)，如圖 23 所示： 圖 23 遇限制消弱積分法克服積分飽和 e 0e 00Umaxttyw0長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 14 圖 24 采用遇限制積分削弱法 PID 算法框圖 二、積分分離法 減小積分飽合的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)過大，上面的修正方法是一開始就積分，在進(jìn)入限制范圍內(nèi)即停止積累。 計(jì)算誤差根據(jù)增量式 PID 算式計(jì)算比例及積分量Ui Umin ?Ui Umax ?Ei o ?Ti 0 ?計(jì)算積分輸出控制入口Y出口NNNYYYN長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 15 圖 25 積分分離法克服積分飽和 這樣一方面防止了一開始就有過大的控制量，另一方面即進(jìn)入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調(diào)。 圖 26 采用積分分離法框圖 輸出控制計(jì)算微分項(xiàng)根據(jù)增量 PID 算法計(jì)算比例及積分項(xiàng)計(jì)算誤差Ei eYN入口出口abw0ty長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 16 三、有效偏差法 當(dāng) 控制量 u 超出范圍時，控制量實(shí)際上只能取邊界值，即 uu max? 或 uu min? (式 33) 有效偏差法是將相應(yīng)于實(shí)際輸出的控制變量的誤差值計(jì)入積分項(xiàng)，而不是將實(shí)際測得的誤差值計(jì)入積分項(xiàng)。本次設(shè)計(jì)中為了克服積分飽和，我們采用了積分分離法。 鍋爐控制系統(tǒng)的過程控制機(jī) 本系統(tǒng)采用專用設(shè)計(jì)方式。 芯片介紹與連接 簡介 MCS51 單片機(jī)為 40 腳芯片。 I/O 口中， P0 口可驅(qū)動 8 個 TTL 門電路， P P P3 口只能驅(qū)動 4 個 TTL 門電路。 MCS51 單片機(jī)訪問外部程序存儲器時，所使用的控制信號有： ALE 低 8 位地址鎖存控制， PSEN 外部程序存儲器“讀取”控制。 外部存儲器使用與程序存儲器不同的信號，故而它們的地址可重疊。累加器 A 和外部數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)傳遞操作，可通過以下兩句指令來實(shí)現(xiàn)： movx＠ Ri A:累加器中數(shù)據(jù)送片外； movxA，＠ Ri ：片外數(shù)據(jù)送累加器中。而 74LS273 用于開關(guān)量輸出，即報(bào)警鎖存。然而對于大多數(shù)使用 8031 以及 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 21 使用 8051 和 8751 需外部擴(kuò)展時， MCS51 提供給用戶使用的 I/O 口只有 P1 口和部分 P3 口線，因此大部分 MCS51 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地要進(jìn)行 I/O 擴(kuò)展。前者確定了地址線的位數(shù)是 12位（ A0～A11），后者確定了數(shù)據(jù)線的位數(shù)是 8 位（ O0～ O7） ，目前除了串行存儲器之外，一般情況下我們使用的都是 8 位數(shù)據(jù)存儲器）。 OE /VPP為雙功能管腳，當(dāng) 2732 用作程序存儲器時，其功能是允許讀數(shù)據(jù)出來；當(dāng)對 EPROM 編程（也稱為固化程序）時，該管腳用于高電壓輸入，不同生產(chǎn)廠家的芯片編程電壓也有不同。本系統(tǒng)中，采用 4 4 鍵盤。然后微機(jī)通過輸人口讀行線的狀態(tài)，如果 X0、 X X X3 都為高電平，則 Y0 這一列上沒有鍵閉合，如果讀出的列線狀態(tài)不全為高電平，則為低電子的行線和 Y0 相交的鍵處于閉合狀態(tài)；如果 Y0 這一列上沒有鍵閉合，接著使列線Y1 為低電平，其余列線為高電平。其方法 8279D 0D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 15 . 1 K * 4+ 5 V長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 23 是：給所有 I/O 口線內(nèi)置低電平，然后將行線電平狀態(tài)讀入累加器 A 中，如有鍵 按下，總會有一根行線電平被拉至低電平，從而使行輸入不全為 1。鍵盤上每一個鍵都有一個鍵值，鍵值賦值最直接的辦法是將行、列線按二進(jìn)制順序排列。它是由若干個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)亮。 如圖 23所示。 使用 LED 顯示器時，為了顯示數(shù)字或符號，要為 LED 顯示器提供代碼，因?yàn)檫@些代碼是通過個段的亮與滅來為顯示不同字型的，因此稱之為段碼。三位顯示器的接口邏輯。 所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個位 (掃描 )，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。若顯示器的位數(shù)不大于 8位，則控制顯示器公共極電位只需一個 I/O 口 (稱為 掃描口 )，控制顯示器的各位所顯示的字型也需一個 8 位口 (稱為段數(shù)據(jù)口 )。它可以通過 D/A 轉(zhuǎn)換器通過軟件控制完成，也可以由硬件完成。產(chǎn)品中選用 0809A/D 轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格等方面都屬中等，這對一般實(shí)時控制、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品來講是合適的。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、 B、 C 3 個地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。 ALE—— 地址鎖存允許信號。本信號有時簡寫為 ST. D7～ D0—— 數(shù)據(jù)輸出線。 OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻； OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 EOC—— 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 Vref—— 參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。 D/A 轉(zhuǎn)換器根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為權(quán)電阻譯碼 D/A 轉(zhuǎn)換器、 T 型網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器以及 T 型 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 26 權(quán)電阻 譯碼 D/A 轉(zhuǎn)換器等。與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)一樣，開關(guān)是用二進(jìn)制位進(jìn)行控制的。但是，在單片機(jī)的產(chǎn)品中，往往需要電壓信號輸出，為此，將 電流輸出再通過運(yùn)算放大器μ A741，即可得到轉(zhuǎn)換電壓輸出了。圖 11 為 DAC0832 的引腳圖。 當(dāng) ILE 為高電平，片選信號 /CS 和寫信號 /WR1 為低電平時，輸入寄存器控制信號為 1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。 (2)、 IOUT1 ：模擬電流輸出端 1，當(dāng) DAC 寄存器中數(shù)據(jù) 全為 1時，輸出電流最大，當(dāng) DAC 寄存器中數(shù)據(jù) 全為 0 時，輸出電流為 0。 VREF端與 D/A 內(nèi)部 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 4. DAC0832 的工作方式 DAC0832 可處于三種 不同的工作方式： 直通方式 ：當(dāng) ILE 接高電平， CS 、 1WR 、 2WR 和 XFER都接數(shù)字地時， DAC處于直通方式， 8 位數(shù)字量一旦到達(dá) DI7～ DI0 輸入端，就立即加到 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。 雙緩沖方式 ：主要在以下兩種情況下需要用雙緩沖方式的 D/A 轉(zhuǎn)換。先用 3 條輸出指令選擇 3 個端口，分別將數(shù)據(jù)寫入各 DAC 的輸入寄存器，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，再執(zhí)行一次寫操作，使 XFER變低同時選通 3 個 D/A 的 DAC 寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。由于傳感器技術(shù)的發(fā)展非常迅速，各種各樣傳感器應(yīng)運(yùn)而生，所以大多數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只需要從先有傳感器器產(chǎn)品中正確地選用而不必自己另行研制傳感器。由于同一被測量的不同類型的傳感器具有不同的特點(diǎn)和不同的價(jià)格，不同類型溫度傳感器的測量范圍、精度、使用條件也不同。 本次設(shè)計(jì)采 用的是常用的是熱電偶傳感器，下面將對傳感器熱電偶作簡要說明。我們知道不同的導(dǎo)體的自由電子的密度是不同的，當(dāng)兩個不同的導(dǎo)體接觸連接在一起時，就會產(chǎn)生電子的擴(kuò)散。當(dāng)保持熱電偶自由端溫度 T0 不變時， 只要用儀表測出總熱電勢，就可以求得工作端溫度 T。 C 但在實(shí)際中做到這一