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正文內(nèi)容

基于單片機的余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計【畢業(yè)設計】(參考版)

2025-01-21 15:05本頁面
  

【正文】 如果 RST 引腳上持續(xù)保持高電平,單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài);當 RST 從高電平轉(zhuǎn)為低電平后,CP。AT89C51 的 RST 引腳是復位信號的輸入端。除了進入系統(tǒng)的正常初始化外,當程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時,也需重新啟動單片機,使其復位。圖 39 為單片機的最小系統(tǒng)。29位位LEDQ1PNPVCCR22KR12Kwarm+圖 38 聲光報警電路 AT89C51 的最小系統(tǒng)單片機想正常運行必須具備的條件:;;;,31 引腳必須接+5V。如圖 38 所示聲光報警電路:當水位正常時,無報警;當水位高于上限水位、低于下限水位時,單片機 口給 warn 一個低電平信號來導通三極管8550 以驅(qū)動蜂鳴器和 LED 燈,進行系統(tǒng)聲光報警。本設計根據(jù)控制要求,當測出采樣值大于 180mm 或小于180mm 時,報警系統(tǒng)啟動,且系統(tǒng)能自動調(diào)整參數(shù)。實時地讀取給水流量和蒸汽流量的數(shù)值大小。當28RS=0,RW=0 時,寫指令操作;當 RS=0,RW=1 時,寫數(shù)據(jù)操作;當RS=1,RW=0 時,讀指令操作;當 RS=1,RW=1 時,讀數(shù)據(jù)操作。AT89C51 與 LM032L 的接口電路如圖 37 所示。在單片機系統(tǒng)中,LCD 是一種很重要的外設。由于液晶顯示器具有體積小、重量輕、低電壓、微功耗、抗干擾能力強等優(yōu)點,所以其應用特別廣泛,從電子表到計算器,從袖珍式儀表到便攜式微型計算機,以及一些文字處理機,都用到了LCD。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?此線路設計可用于 0~5V 轉(zhuǎn)為 4~20mA 的電流環(huán),然后需要設置參考點電壓為負即可,如果參考點 為 0V,則輸出電流值為 0~20mA; 為1VrefVrefV時,輸出電流值為 4~20mA [13]。本設計采用雙運放、雙電源之電流環(huán)形路將 0~5V 轉(zhuǎn)為 4~20mA。要想得到標準的0~5V 電壓,只需將 選為5V,輸出范圍為 0~ ,完成 0~5V 的標準電refV壓輸出。56refV顯然, 和 B 成正比關(guān)系。此圖為單級性輸出電路圖,在加 為負電壓時,輸出為正極性。 亦如此。約 1S 后1CSIout1 和 Iout2 就有穩(wěn)定電流的輸出。將 ILE 接+5V。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。該工作方式多用于 2 路 D/A 轉(zhuǎn)換接口場合,每一路模擬輸出都接一片 DAC0832,并要求同步進步 D/A 轉(zhuǎn)換輸出 [12]。這時 DAC0832 相當于12?LEILERSLE??1單片機的一個外部 RAM 單元,CPU 用一條 MOVX 指令就可以完成 D/A 轉(zhuǎn)換。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)。當 ILE=1 時, 、 、 和 均為 0。該芯片的各管腳功能如下: 為片選端,低電平有效; 為寫使能控制端, =0 時,CS1WR1WR允許數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器; 為寫使能控制端, =0 時,允許輸入鎖存2R2器的內(nèi)容存入數(shù)據(jù)寄存器;ILE 為輸入鎖存器的使能端,高電平有效;、 為 DAC 的電流輸出端; 為傳輸控制端,低電平有效;1OUTI2 XFE為基準電壓端,范圍為10~+10V ;VCC 為正電源電壓端; 為內(nèi)部電refV fbR阻,為外接運算放大器提供反饋電阻。該電路采用雙緩沖寄存器,使它能方便地應用于多個 DAC 同時工作的場合。本設計采用的是 DAC0832 轉(zhuǎn)換器,其與單片機接口方便,轉(zhuǎn)換控制容易,且價格便宜,在實際中得到了廣泛應用。D/A 轉(zhuǎn)換器的功能是將一組輸入的二進制數(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。但是單片機內(nèi)部運算和輸出的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量,而控制對象的參數(shù)是模擬量。123411LM32412V+12VR1200 C1R2100KR3100KR4 25KR51KIV圖 34 I/V 變換電路通過上面電路的轉(zhuǎn)換,我們就可以把 4~20mA(DC)轉(zhuǎn)換成標準電壓信號1~5V(DC),送到 TLC1543 中進行轉(zhuǎn)換。利用同相放大電路,把電阻 R1 上產(chǎn)生的輸入電壓變成標準的輸出電壓。 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,所以需要設計電流電壓轉(zhuǎn)換電路,將 4~20mA 轉(zhuǎn)換成標準電壓信號 1~5V,然后再將電壓信號輸入到采樣保持器中,讓 TLC1543 接受標準統(tǒng)一的 1~5V 電壓信號。前 4 個時鐘從 端裝載地址寄存器,選擇所需的模擬通道,后 6 個時鐘對模擬輸入的采樣提供控制時序。隨后,CPU 向 端提供 4 位通道地址。當 =1 時,工作狀態(tài)被禁止,當 =0 時,TLC1543 開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。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。TLC1543 采用 20 腳 DIP 封裝,引腳排列如圖 32 所示。實現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的設備為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)簡稱 A/D。這種控制方式簡單,操作方便,可靠性高。單片機A / D 轉(zhuǎn)換電路上位機汽包水位給水流量蒸汽流量電源模塊D / A 轉(zhuǎn)換電路故障報警電路給水調(diào)節(jié)閥鍵盤液晶顯示圖 31 三沖量余熱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 的標準信號,接入 A/D轉(zhuǎn)換電路進行 A/D 轉(zhuǎn)換并送入單片機,這些信號在單片機中進行數(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,所以本設計還配有一個V/I 轉(zhuǎn)換器,把電壓控制信號轉(zhuǎn)換成標準的 4~20mA 電流信號,用于控制閥門的開度。= (219)hK??????30420mA20第 3 章 硬件電路設計本設計采用 AT89C51 作為核心控制芯片,及其相關(guān)硬件來實現(xiàn)余熱鍋爐汽包水位的控制。根據(jù)設計要求可知,水位的測量范圍為300 ~300mm [9]。= (218)uK????19 液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算由于本設計的目的是控制水位穩(wěn)定,而整個控制系統(tǒng)的基礎是對水位的準確測量,因此水位能否準確測量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。= (217)dK???? 給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算此系統(tǒng)的執(zhí)行器選擇調(diào)節(jié)閥,因為它可以直接改變給水量,反應時間短,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。根據(jù)所給設計的目標,給水流量測量范圍:0~500T/h,選擇輸入量程所對應的給水流量為 500T/h,輸出量程為 4~20mA。水位mADC檢測變送器可采用 1151 差壓式變送器;流量變送器可采用渦街式流量計;給水調(diào)節(jié)閥采用電動的。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。17 執(zhí)行機構(gòu)的傳遞函數(shù)執(zhí)行器接受控制器的命令執(zhí)行控制任務,由于在石油、化工等過程控制中,執(zhí)行器最終是以閥門的形式出現(xiàn),所以,執(zhí)行器往往被稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。T受測量元件安裝位置的限制,被測參數(shù)變化的信號傳遞到檢測點需要花費一定的時間,因而就產(chǎn)生了測量純滯后 。一階滯后環(huán)節(jié)的時間0Ksm常數(shù) 經(jīng)測量為 =。在給水流量單位階躍擾動下,水位反應曲線的飛升速度,即水位的變化速度 = 。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]。15WKH??sGp???sGcDHWDrH+ +圖 29 單級三沖量控制系統(tǒng)方框圖其中:—水位設定值;rHH—水位值;W—給水流量;D—蒸汽流量;—調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù);??sGc—被控對象傳遞函數(shù);p—執(zhí)行機構(gòu)傳遞函數(shù);?K、 、 —給水流量、蒸汽流量和鍋爐水位等測量裝置的傳遞函WDH數(shù)。“虛假水位”現(xiàn)象。 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)。變送器調(diào)節(jié)機構(gòu)變送器變送器汽包調(diào)節(jié)器HD+++rHW 圖 28 單級三沖量控制系統(tǒng)框圖三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:相對單沖量和雙沖量控制系統(tǒng),其控制品質(zhì)最好,能有效地滿足系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性和準確性的要求,能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。必須指出,引入蒸汽流量信號只是削弱了假水位期間調(diào)節(jié)機構(gòu)的誤動作,并不能消除假水位現(xiàn)象,并且由于水位 H 對負荷(蒸汽量)擾動 D 的響應速14度要比對基本擾動 W 的響應速度快的多,因此,在外部擾動下被調(diào)量的變化幅度還是比較大,必須對負荷變化的幅度加以限制。只要參數(shù)整定合適,當系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)以后,給水流量必然等于蒸汽流量,水位 H 也會維持在設定值。實際給水量是增加還是減小,取決于系統(tǒng)參數(shù)的整定。這個系統(tǒng)對上述兩種方案取長補短,極大的提高了水位控制質(zhì)量。所謂三沖量,指的是引入三個測量信號:汽包水位、給水流量、蒸汽流量。但雙沖量水位控制系統(tǒng)仍存在兩個問題,一是調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定為線性特性,要做到完全靜態(tài)補償比較困難;其次是給水壓力擾動對汽包水位的影響不能及時消除。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]。在給水流量比較平穩(wěn)時,采用雙沖量控制是能夠達到控制要求的。圖 2圖 27 是典型的雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖。考慮到蒸汽負荷的擾動可測而不可控,因此可將蒸汽流量信號引入系統(tǒng)作為前饋信號,與汽包水位組成前饋反饋控制系統(tǒng),通常稱為雙沖量控制系統(tǒng)。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)。負荷變化時,需引起汽包水位變化后才起控制作用。因此這種系統(tǒng)克服不了虛假水位帶來的嚴重后果。例如,蒸汽負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。但是,單沖量控制系統(tǒng)存在三個問題。圖 25是單沖量水位控制系統(tǒng)框圖。 單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng),圖 24 所示是典型的單回路控制系統(tǒng)。:即在單沖量系統(tǒng)的基礎上引入了蒸汽流量信號。期間主要經(jīng)歷了上世紀三四十年代單參數(shù)儀表控制,四五十年代單元組合儀表綜合綜合參數(shù)儀表控制,以及六十年代興起的計算機控制等幾個階段。 控制系統(tǒng)的方案汽包水位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn),長久以來一直是控制領(lǐng)域的一個典型的難問題。對于一般100~300t/h 的中高壓鍋爐,當負荷變化 10%時,虛假水位可達 30~40mm。 (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 —響應曲線 H 的放大系數(shù);22T —響應曲線 H 的時間常數(shù)。從圖 23 中可看出,當蒸汽變量加大時,雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量,但在一開始,水位不僅不下降,反而迅速上升,然后再下降;反之,蒸汽流量突然減少時,
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