【正文】 鍋爐控制系統(tǒng)的理論 PID 控制理論 本文用 8031 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，為了便于用戶根據(jù)不同的實(shí)際需要對(duì)工作方式及其他參數(shù)組態(tài)進(jìn)行修改，要求所有的參數(shù)及組態(tài)狀況均可通過(guò)面板的幾個(gè)操作鍵輸入、檢查、修改，并可在斷電情況下，使參數(shù)保存半年。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了其設(shè)計(jì)方法，在每一步的設(shè)計(jì)過(guò)程中都要采用相應(yīng)的輔助工具，例如在系統(tǒng)要求模型設(shè)計(jì)時(shí)，要建立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖 DFD 和過(guò)程規(guī)程PSPEC、控制流圖 CFD 和控制規(guī)程 PSPEC，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)時(shí)，采用結(jié)構(gòu)流圖 AFD 和結(jié)構(gòu)模塊規(guī)程 AMS 以及結(jié)構(gòu)詞典 AD、結(jié)構(gòu)連接圖 AID 和結(jié)構(gòu)連接規(guī)程 AIS等作為輔助工具，通過(guò)需求模型和結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)進(jìn)而提出整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，用以指導(dǎo)下一步的硬軟件設(shè)計(jì)。 三、 設(shè)計(jì)方法 在設(shè)計(jì)小型控制系統(tǒng)時(shí)，一般是在提出系統(tǒng)指標(biāo)要求后就開(kāi)始著手硬件的設(shè)計(jì)制作和軟件的編寫。一旦鍋爐出現(xiàn)故障以至停止供汽，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的其它環(huán)節(jié)，造成極大的損失。利用芯片，設(shè)計(jì)出一個(gè)專用系統(tǒng)。 新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案 用戶以芯片開(kāi)始，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)所需要的專用計(jì)算機(jī)。如 IBM PC／ XT 機(jī)、 IBM386 等配上 A/D、 D/A 卡和開(kāi)關(guān)量輸入輸出卡，可用于工業(yè)控制。 （ 2）選用集散控制系統(tǒng)。采用微機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè) 2T 的燃油鍋爐信號(hào)采集控制系統(tǒng)。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個(gè)設(shè)有自平衡能力的被控對(duì)象，運(yùn)行中存在虛假水位現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中 可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙重量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統(tǒng)。 圖 11 常見(jiàn)的鍋爐系統(tǒng) 這種方式使鍋爐的熱能得到節(jié)約。通常我們是爐膛負(fù)壓保持在微負(fù)壓（ 10～ 80Pa）。繼而煙棋手引風(fēng)機(jī)，煙囪的引力下向爐膛上方流動(dòng)。位于煙溫較低區(qū)段的對(duì)流灌束，因受熱較弱， 汽水工質(zhì)的容量較大，而位于煙溫較高區(qū)段的對(duì)流管束，因受熱強(qiáng)烈，相應(yīng)的汽水 工質(zhì)的容量較小，從而量大的工質(zhì)則向上流入下鍋筒，而容量小的工質(zhì)則向上流入上鍋筒形成了鍋水的自然循環(huán)。 水處理設(shè)備：其作用是為清除水中的雜質(zhì)和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕。 過(guò)熱器：是將氣鍋所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過(guò)熱蒸汽的換熱器。所以鍋爐的中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能有效的轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能。例如當(dāng)鍋爐的負(fù)荷變化時(shí)，所有的被調(diào)量都會(huì)發(fā)生變化。 2．可以按需要隨時(shí)打印或定時(shí)打印，能對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行準(zhǔn)確地記錄，便于事故追查和分析，防止事故的瞞報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象。鍋爐按燃料種類來(lái)分，可分為燃油鍋爐、燃汽鍋爐和燃煤鍋爐。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域和工藝過(guò)程的不同，所采用的控制方式及其側(cè)重點(diǎn)也不相同。而在大量的工業(yè)生產(chǎn)中燃燒都是必要的一環(huán)，從燃燒角度來(lái)說(shuō)，有燃油、燃煤、燃?xì)獾膮^(qū)別。 本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，由于產(chǎn)生各種不同的殘油、殘?jiān)?、煉廠氣等，所以多用燃油和燃汽鍋爐。 3．在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改各種運(yùn)行參數(shù)的控制 值，并修改系統(tǒng)的控制 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 參數(shù)。故而理想控制應(yīng)該采用多變量解耦控制方案。 鍋爐的主要設(shè)備： 氣鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。過(guò)熱器一般都裝在爐膛出口。 燃油鍋爐的三大工作過(guò)程 燃油鍋爐的工作過(guò)程總體包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程：燃料的燃燒過(guò)程 、水的汽化過(guò)程、煙氣向水的傳熱過(guò)程。 蒸汽所產(chǎn)生的過(guò)程是借助于上鍋筒內(nèi)設(shè)的汽水分離裝置。煙氣出煙窗爐膛出口）并 略過(guò)防渣管后，就沖刷蒸汽過(guò)熱 — 一組垂直放置的蛇型管受熱面，使氣鍋中產(chǎn)生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而得到的過(guò)熱。 為了完成上述三項(xiàng)任務(wù)，我們對(duì)三個(gè)量進(jìn)行控制：燃料量，送風(fēng)量，引風(fēng)量。鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、一次儀表、 PLC、上位機(jī)、手自動(dòng)切換操作、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥、電機(jī)等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量 、轉(zhuǎn)速等量轉(zhuǎn)換成電壓、電流等送入微機(jī)。 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)是使進(jìn)出爐膛的空氣量維持平衡的控制系統(tǒng)，一般以爐膛壓力作為空氣量平衡與否的控制指標(biāo)，通過(guò)調(diào)整排向大氣的引風(fēng)量達(dá)到空氣量進(jìn)出平衡，為提高控制品質(zhì)，一般以送風(fēng)量或送風(fēng)檔板開(kāi)度作為前饋量構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng)。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 鍋爐控制系統(tǒng)總體方案 設(shè)計(jì) 鍋爐控制系統(tǒng)框圖 鍋爐控制系統(tǒng)，一般包含爐內(nèi)溫度、進(jìn)水溫度、出水溫度、水位、蒸汽壓力檢測(cè)與控制系統(tǒng)， 鍋爐的燃燒控制實(shí)質(zhì)上是能量平衡系統(tǒng)，它以蒸汽壓力作為能量平衡指標(biāo)，不斷根據(jù)用汽量與壓力的變化調(diào)整供油量與送風(fēng)量，同時(shí)保證燃料的充分燃燒及熱量的充分利用 [4]。這主要針對(duì)大型的控制系統(tǒng)，多套設(shè)備、復(fù)雜過(guò)程，需要采用多級(jí)分布式控制的場(chǎng)合。這類機(jī)器軟件豐富，但他們難以在惡劣的工作環(huán)境中連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。這種方案的好處是針對(duì)性強(qiáng)、靈活方便。它的配置包括 CPU，采用單片機(jī) MC51 系列的 8031 芯片。因此，在設(shè)計(jì)和實(shí)施中都應(yīng)該把可靠性擺在第一位。然而對(duì)于復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，其難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)規(guī)范的建立，系統(tǒng)規(guī)范的設(shè)計(jì)工作量在系統(tǒng)的整個(gè)項(xiàng)目的 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中占很大比重，因此簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法往往難以滿足要求，需采用規(guī)范的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 (如模塊化設(shè)計(jì)方法 )，根據(jù)用戶需求進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的綜合描述，建立詳細(xì)的系統(tǒng)用戶需求模型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及系統(tǒng)規(guī)范文件，然后再去具體的實(shí)現(xiàn)。 鍋爐是一個(gè)較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，為保證提供 合格的蒸汽適應(yīng)負(fù)荷的變化，生產(chǎn)過(guò)程主要參數(shù)必須嚴(yán)格控制。為了便于與上級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成兩級(jí)控制系統(tǒng)，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中還加入了通信功能。但它有一個(gè)不可避免的缺點(diǎn)，即存在靜態(tài)誤差。 缺點(diǎn)是它對(duì)靜態(tài)偏差毫無(wú)抑制作用。應(yīng)用直接數(shù)學(xué)控制方法比較困難甚至根本不可能，所以必須用 PID 算法。具體說(shuō)，在算 Ui 時(shí)，特別注意上一時(shí)刻的控制量 yi1是否超出限制。只有在門限范圍內(nèi)，積分才會(huì)起作用，以消除系統(tǒng)誤差。保證 了生產(chǎn)的安全，達(dá)到降低油耗，提高自動(dòng)化水平的目的。 （ 3）電源及時(shí)鐘： VCC、 VSS、 XTAL XTAL2 其應(yīng)用特性如下： I/O 口線不能都用作用戶 I/O 口線，除 805 8751 外，其它可以完全為用戶使用的只有 P1，以及作為多功能使用的 P3 口。當(dāng) EPROM 為 IK 字節(jié)時(shí)，地址線為 11 根（ 2k＝ 211）， 4k 字節(jié)時(shí)需 12 根（ 4k=212）以此類推。 74LS373 用于鎖存 RAM 和 EPROM 的低 8 位地址線。 4K表示有 4 1024（ 22 210=212）個(gè)存儲(chǔ)單元，8 位表示每個(gè)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的寬度是 8 位。鍵盤上閉合鍵的識(shí)別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。 圖 35 行列鍵盤原理電路圖 鍵盤中有無(wú)鍵按下是由列線送入掃描字，行線讀入行線狀態(tài)來(lái)判斷的。 LED 示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出器件。同樣，共陽(yáng)極LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起，通常此公共陽(yáng)極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。用靜態(tài)顯示所需的 I/O 太多，一般采用動(dòng)態(tài)顯示方法。大多數(shù)廣泛使用的 A/D 轉(zhuǎn)換器都是利用把未知的電壓和已知電壓進(jìn)行比較的原理而工作的。 介紹 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖 36所示，圖中多路開(kāi)關(guān)可選通 8個(gè)模擬通道，允許 8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。 START 上升沿時(shí)，復(fù)位 ADC0809； START 下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開(kāi)始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在 A/D 轉(zhuǎn)換期間， START 應(yīng)保持低電 平。通常使用頻率為 500KHz 的時(shí)鐘信號(hào)。其輸出有兩種形式：電流輸出和電壓輸出，電壓又分為單極性輸出和雙極性輸出。 Iout1 與 Iout2 的和是常數(shù)，它們的值隨 DAC 寄存器的內(nèi)容成線性變化。從圖 11中可見(jiàn)，在 DAC0832 中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的 允許鎖存信號(hào)為 ILE，第二級(jí)鎖存器稱為 DAC 寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào) /XFER。 (5)、 VREF ：參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它決定 0至 255 的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來(lái)的模擬量電壓值的幅度， VREF范圍為 (+10～ 10)V。一般的做法是將 2WR 和 XFER都接地，使 DAC 寄存器處于直通方式，另外把 ILE 接高電平， CS 接端口地址譯碼信號(hào)， 1WR接 CPU 的 WR 信號(hào)，這樣就可以通過(guò)一條 MOVX 指令，選中該端口，使 CS 和 1WR 有 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 28 效，啟動(dòng) D/A 轉(zhuǎn)換。 傳感器的選擇 溫度測(cè)量元件主要是指?jìng)鞲衅?，它是信?hào)輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。因?yàn)? 它是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、測(cè)量范圍寬的溫度傳感器， 尤其是在 1000 度左右的高溫范圍內(nèi)更顯其優(yōu)越性，在冶金、鍋爐及熱工儀表領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，目前 仍然是監(jiān)測(cè)溫度的主要傳感器之一。 根據(jù)理論可得推倒結(jié)果： ? ? ? ? ? ?00,A B A B A BE T T e T e T?? （式 31） 式中： ? ?ABeT和 ? ?0ABeT— 導(dǎo)體 A、 B的接觸點(diǎn)在溫度 T 和 T0 時(shí)形成的電勢(shì)差； 當(dāng)熱電極 A、 B 選定后，熱電勢(shì) ? ?0,ABE TT 是兩接點(diǎn)溫度 T 和 T0 的函數(shù)差，即 ? ? ? ? ? ?00,ABE T T f T f T?? （式 32） 如果冷端溫度 T0 保持不變，則 ? ?0fT =C（常數(shù)），此時(shí)， ? ?0ABET就成為 T的 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 30 單值函數(shù)，即 ? ? ? ? ? ?0,ABE T T f T C T?? ? ? （式 33） 這個(gè)公式在實(shí)際測(cè)溫中得到廣泛的應(yīng)用。 熱電偶冷端溫度誤差及補(bǔ)償 通常用熱電偶測(cè)量的是一個(gè)熱源溫度，或者兩個(gè)熱源溫度差。 熱電偶傳感器的工作原理 當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體兩端相連，組成一個(gè)閉合回路，如兩個(gè)接頭出有不同的溫度T 和 T0，則回路中便有電流，這種電流稱為溫差電流，這個(gè)環(huán)路便構(gòu)成所謂的溫差電偶或熱電偶，產(chǎn)生電流的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，其數(shù)值一般只與兩個(gè)接頭的溫度有關(guān)。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要什么樣的傳感器，系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可以選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高的傳感器。需在程序的控制下，先把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入輸入緩存器，然后在某個(gè)時(shí)刻再啟動(dòng) D/A 轉(zhuǎn)換。 (6)、 Vcc ：芯片供電電壓，范圍為 (+5～ 15)V。此后，當(dāng) /WR1 由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)成為低電平，此時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這樣輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù) DB 的變化而變化。如圖 37所示。本次設(shè)計(jì)我所采用的 D/A 通道為最常用的 R2RT 型網(wǎng)絡(luò)。 EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換； EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片 機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。 圖 36 ADC0809 引腳圖 ADC 0809IN 1IN 3IN 4IN 5IN 6IN 7STARTE 0 CD 30 ECLOCKVccVref (+)GNDD 1IN 2IN 0ADDAADDBADDCALED 7D 6D 5D 4D 0Vref ( )D 2長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 25 ADC0809 芯片為 28 引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見(jiàn)圖。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇。利用人的視覺(jué)暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必須保證掃描速 度足夠快，字符才不閃爍。 LED 的顯示方式有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。 鍵盤中哪一個(gè)鍵按下是由列線送入低電平后，檢查行輸入狀態(tài)，其方法是：依次給列線送低電平，然后檢查所有行線，如果全為 1，則所按下之鍵不在此列。 4 4 的鍵盤結(jié)構(gòu)如圖 35所示，圖中行線通過(guò)電阻接 +5V，當(dāng)鍵盤上沒(méi)有健閉合時(shí)，所有的行線和列線斷開(kāi)，行線 XO～ X3 呈高電平。 2732 單一 +5V 供電，最大靜態(tài)工作電流為 100mA，維持電流為 35mA，讀出時(shí)間最大為 250ns。 74LS373 的 1 管腳功能如圖 33 所示。任何擴(kuò)展的 I/O 口以及設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 18 P8 口具有雙重功能。利用芯片，設(shè)計(jì)出一個(gè)專用系統(tǒng)。當(dāng)計(jì)算出的控制量超出限制范圍時(shí)，如果實(shí)際實(shí)現(xiàn)的控制量為 u =u （上限值或下限值），則有效誤