【正文】 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于遠(yuǎn)距離傳輸，并且多數(shù)電動閥門的控制信號為電流信號，所以本設(shè)計(jì)還配有一個V/I 轉(zhuǎn)換器，把電壓控制信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 4～20mA 電流信號，用于控制閥門的開度。 RST9 XTAL219 VSS20 23 25 27 28PSEN 29ALE 30EA 31 33 35 37 39VCC 40AT89C51A89 GND10A01 A12A23 A34A45 A56A67 A78VCC 20EOC 19I/O CLOCK 18ADDRESS 17DATA OUT 16CS 15REF+ 14REF 13A10 12A9 11TLC1543+5V+5V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(jì)電流電壓轉(zhuǎn)換電路，將 4～20mA 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號 1～5V,然后再將電壓信號輸入到采樣保持器中，讓 TLC1543 接受標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的 1～5V 電壓信號。當(dāng) ILE=1 時， 、 、 和 均為 0。此圖為單級性輸出電路圖，在加 為負(fù)電壓時，輸出為正極性。當(dāng)28RS=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。如果 RST 引腳上持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)；當(dāng) RST 從高電平轉(zhuǎn)為低電平后，CP。實(shí)時地讀取給水流量和蒸汽流量的數(shù)值大小。56refV顯然， 和 B 成正比關(guān)系。07~DI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)。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。這種控制方式簡單，操作方便，可靠性高。vK 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。 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)。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]。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。 （210）????1221 ?????sTKsDHsf式（210 ）中：K —飛升速度，即在蒸汽流量變化單位流量時水位的變化速度， ；f htsmK —響應(yīng)曲線 H 的放大系數(shù)；22T —響應(yīng)曲線 H 的時間常數(shù)。 在給水流量擾動下的動態(tài)特性當(dāng)給水量發(fā)生變化，蒸汽流量不變時，根據(jù)式（21） ，汽包水位調(diào)節(jié)對象的運(yùn)動方程可表示為： WWuKdtTthdtT???121 （22 ）7對式（22 ）進(jìn)行拉氏變換，可得： （23）????sUKsTsHsTWW???121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： （24）????121?sTsUsGW在實(shí)際工程中，對于蒸汽壓力小于 的中壓以下的鍋爐，給水量項(xiàng)的時間常數(shù)一般較小，可忽略不計(jì)，因此式（24）可簡化為： （25）???nsTsH12???式中 為飛升速度，即給水流量變化單位流量時水位的變化速度， 。尤其是現(xiàn)代大型鍋爐，與蒸發(fā)量相比汽包中的存水量是不多的，允許變動的水量更少。因此，隨著汽包鍋爐朝著大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它可以保證水位控制的準(zhǔn)確性，保證鍋爐運(yùn)行的安全可靠，而且大大減輕工作人員的工作強(qiáng)度，減少人為因素的影響。它與傳統(tǒng)意義上的鍋爐相比僅有“鍋”而沒有“爐” ，即沒有燃燒器，如果需要高壓高溫的蒸汽，可以在余熱鍋爐內(nèi)裝一個附加燃燒器，通過燃料的燃燒使整個煙氣溫度升高，能夠產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽。因此對汽包水位必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。隨著能源供應(yīng)的緊張，為了更好更充分地利用資源和減少能源浪費(fèi)，一些企業(yè)不斷提高“節(jié)能增效、降耗增產(chǎn)”的意識。所以，必須對汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格的控制。本章主要介紹余熱鍋爐汽包水位的總體設(shè)計(jì)。水面下氣泡的體積還與鍋爐負(fù)荷即蒸汽壓力有關(guān)。但實(shí)際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間必導(dǎo)致汽包壓力的下降。這里的沖量一詞指的是變量，單沖量即汽包水位。其中一個沖量是汽包水位，另一個沖量是蒸汽流量。從另一個角度來看，這也是一個前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。因此給水流量 W 與水位 H 的傳遞函數(shù)為：2T2= （211）??sGp????s在蒸汽流量單位階躍擾動下，水位變化的響應(yīng)速度 ，smKf074.?增益系數(shù) ,滯后環(huán)節(jié)的時間常數(shù) ，n=2，故蒸汽流量 D ?水位 H 的傳遞函數(shù)為： （212）??????? 測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)測量變送環(huán)節(jié)由于存在一定的容量滯后，所以它的特性可以用一階慣性環(huán)節(jié)（非周期環(huán)節(jié)）來描述，其傳遞函數(shù)為 （213）??1??sTKGm式（213 ）中—為測量變送環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，與其量程有關(guān)；mK—為測量變送環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，與其容量有關(guān)。根據(jù)題目所給的余熱鍋爐汽包水位測量范圍：300～300mm，輸出為4～20mA。同時 , 口從 CPU 接受 10 個時鐘長度的時鐘序列。使用時應(yīng)外接運(yùn)算放大器。 （ 、 是寄存命令，當(dāng) =1 時，121LE輸入寄存器的輸出隨輸入變化； =0 時，數(shù)據(jù)鎖存在寄存器中，不再隨數(shù)E據(jù)總線上的數(shù)據(jù)變化而變化。LCD 用來顯示控制過程和運(yùn)算結(jié)果 [14]。單片機(jī)剛接上電源時，其內(nèi)部各寄存器處于隨即狀態(tài)，復(fù)位可使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并以此初始狀態(tài)開始工作。該報警系統(tǒng)共有 1 個報警參數(shù)，即水位 H，2 個報警點(diǎn)，即水位上限和水位下限 [15]。26 RST9XTAL219 VS20 26 28PSEN29ALE 30EA 31 36 39VC 40AT89C51+5VA1 B2 C3G2A4 G2B5 G16 Y7 7Y6 9Y5 10Y41Y3 12Y2 13Y1 14Y0 1574LS138+5V123411U16ALM324+12V12V5VCS1 WR12 AGND3D34 D25 D16D07 Vref8 Rf9DGND10VC 20ILE 19WR2 18XFER 17D4 16D5 15D6 14D7 13IOUT1 12IOUT2 1DAC0832+5V圖 35 AT89C51 與 DAC0832 的接口電路 V/I 變換電路電流信號易于遠(yuǎn)距離傳送，且不易受到干擾，因而在輸入、輸出通道中常以電流信號來傳送信息；在測控系統(tǒng)中，有些儀表只提供電流輸入端口，這就需要采用 V/I 變換將電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號。這種方式是兩個鎖存器都處于受控方式，CPU 通過 5 條引腳分別控制和 ，關(guān)系為：1LE2； （32）11WRCSILE??XFERL??2CPU 要輸出轉(zhuǎn)換 8 位數(shù)據(jù)必須通過兩步操作才能完成。 D/A 轉(zhuǎn)換電路對于控制系統(tǒng)來說，檢測和運(yùn)算的最終目的是要對控制對象進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)采用的是串行 A/D 轉(zhuǎn)換器TLC1543。 流量變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算根據(jù)控制方案可知流量變送器用于測量給水流量和蒸汽流量，這兩個信號可以有效的改善控制質(zhì)量，因此合理選擇流量傳感器是很重要的。 建立數(shù)學(xué)模型現(xiàn)在把圖 28 所示的控制系統(tǒng)以傳遞函數(shù)方框圖的形式重畫成圖 29。為此，可在雙沖量水位控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把給水流量信號引入，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。虛10假水位現(xiàn)象屬于反相特性，給控制帶來一定的困難，在控制方案設(shè)計(jì)時，必須引起注意 [3]。如果把汽包和給水看作單容量無自衡對象，水位階躍響應(yīng)曲線將如圖 22 中的 H1 線。一般汽包正常波動范圍為土 50mm。其特點(diǎn)是：控制功能通過內(nèi)部的控制程序來實(shí)現(xiàn)，人們只需改變這些程序，就可以改變鍋爐設(shè)備的控制功能，以適應(yīng)新的控制要求而不需要改動硬件系統(tǒng)。其中高溫?zé)煔庥酂徨仩t是最常見的一種余熱鍋爐。按照工程整定的方法，進(jìn)行了 PID 參數(shù)整定，并以 MATLAB為仿真平臺進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明此控制系統(tǒng)具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定。 本設(shè)計(jì)研究的目的和意義節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境是我國的基本國策。首先，水位過高會影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸氣將會帶水過多，導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢并損壞，使過熱蒸汽的溫度嚴(yán)重下降。本設(shè)計(jì)采用的是煙道式余熱鍋爐，其型號為 ,表70/?Q示利用潔凈煙氣所攜帶的顯熱，進(jìn)入鍋爐的煙氣流量為 40000 ，煙氣溫hm3度為 500℃，鍋爐額定熱功率為 、熱水設(shè)計(jì)工作壓力為 、額定出口水溫度為 95℃，進(jìn)口水溫度為 70℃的熱水余熱額鍋爐。調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與設(shè)定值的偏差去控制給水閥的開度，就能對水位起到調(diào)節(jié)作用。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。：即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號。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)。實(shí)際給水量是增加還是減小，取決于系統(tǒng)參數(shù)的整定。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 = 。= （218）uK????19 液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算由于本設(shè)計(jì)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。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。本設(shè)計(jì)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(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。將 ILE 接+5V。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(diǎn)，所以其應(yīng)用特別廣泛，從電子表到計(jì)算器，從袖珍式儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)，以及一些文字處理機(jī)，都用到了LCD。圖 39 為單片機(jī)的最小系統(tǒng)。29位位LEDQ1PNPVCCR22KR12Kwarm+圖 38 聲光報警電路 AT89C51 的最小系統(tǒng)單片機(jī)想正常運(yùn)行必須具備的條件：；；；，31 引腳必須接+5V。1 23411LM324123411LM324R210KR310KRs25R11K R11KD1R5250+12V12V+12V1V420mAIoutVin12VVa VbnPnpA1A2圖 36 V/I 轉(zhuǎn)換電路根據(jù)虛短虛斷的概念可得到：（虛短） （34）npinVA1?27 （35）outnVA21? （36）??baoutR? （37）in?1 （38）outsbaIV? （39）12Rtsin? （310）Isinout?此線路設(shè)計(jì)可用于 0～5V 轉(zhuǎn)為 4～20mA 的電流環(huán)，然后需要設(shè)置參考點(diǎn)電壓為負(fù)即可，如果參考點(diǎn) 為 0V,則輸出電流值為 0～20mA； 為1VrefVrefV時，輸出電流值為 4～20mA [13]。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。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。A89GND10A01A12A23A34A45A56A67A78VCC 20EOC 19I/O CLOCK 18ADDRESS 17DATA OUT 16CS 15REF+ 14REF 13A10 12A9 11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。= （217）dK???? 給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算此系統(tǒng)的執(zhí)行器選擇調(diào)節(jié)閥，因?yàn)樗梢灾苯痈淖兘o水量，反應(yīng)時間短，有利于系統(tǒng)控制品質(zhì)的改善，它是控制系統(tǒng)的一個很重要的環(huán)節(jié)，它接收控制器的輸出信號，執(zhí)行最終任務(wù)。蒸汽流量 D 及其蒸汽流量變送器未包含在這兩個閉合回路之內(nèi)，但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性 [7]。這個