1、参考文献16附录1 主程序17附录2 定时器T0中断服务程序20基于AT89C51单片机的锅炉液位控制系统摘要：本文首先分析了锅炉基本的工艺过程；针对锅炉汽包水位动态过程，设计了锅炉液位的控制方案，该方案采用了三冲量串级控制来实现对汽包液位的控制；针对该方案,文中给出了系统的软硬件设计：硬件方面以AT89C51单片机作为控制系统的中央处理单元，完成对数据采样、运算、Intel 8155H初始化、内部资源初始化、定时器初始化，以及键盘扫描、显示、报警等内容的循环处理；软件程序包括主程序和定时器T0中断服务程序两大模块。该系统能很好地克服“虚假水位”现象，将汽包液位控制在给定的范围内，保证了生产的
2、正常进行。关键词：汽包水位；串级三冲量控制；单片机 The Liquid Level Control System of Boiler Based on AT89C51 Single Chip ComputerStudent majoring in Automation in grade 2003 Wu FenglingTutor Wang HuajianAbstract：The main body of this paper have analysed fundamental procedure of boiler first; For the boiler vapor bag liquid
3、 levels dynamic process,we designed the liquid level control system of boiler.This scheme adopted impulse three and serial control scheme to control vapor bag liquid.This paper gave the hardware design and the software design of the system for this scheme:This system is AT89C51 single chip computer
4、as central treatment element of controlling system at hardware aspect,completing to sample the data,arithmetic,internal Intel 8155H,resource and timer handle as well as contents such as keyboard scaned,displaying,giving an alarm cycles;The software program included the host procedure and the timer T
5、0 interruption servicer two big modules.This system is able to overcome false liquid level phenomenon very well and the boiler vapor bag liquid level has been controlled within the given range.This ensured that the regularity of producing is in progress. Key words:boiler liquid level;impulse three a
6、nd serial control;single chip computer1 引言汽包液位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，液位过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，严重时会发生锅炉爆炸。尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。因此，在锅炉运行中，保证汽包水位在正常范围是非常重要的。本论文首先分析了锅炉基本的工艺过程；然后进行了锅炉汽包水位动态过程分析，包括给水流量作用下的动态特性分析和汽包
7、水位在蒸汽扰动下的动态特性分析；其次就是设计了锅炉液位的控制方案；最后就是系统实现的设计，包括硬件设计和软件设计。2 研究现状及设计目标本系统与PLC控制系统相比将大大降低使用成本，提高控制运行速度。经过两个多月的性能测试与分析，该系统能很好地克服“虚假水位”现象，将汽包液位控制在给定的范围内，保证了生产的正常进行，具有一定的应用和推广价值。3 锅炉基本工艺过程分析 图1 锅炉的汽水系统1-给水管；2-调节阀；3-省煤器；4-汽包；5-下行管；6-上行管；7-过热器；8-蒸汽管 工业锅炉汽水系统如图1所示。汽包及蒸发管道中贮存着蒸汽和水。贮存量的多少，是以被测量水位表征的。给水管道的水经过调节
8、阀，进入省煤器,靠锅炉的烟气加温，然后进入汽包，汽包和上、下行管道内的水被锅炉燃烧系统产生的热量加热成饱和蒸汽，经过热器加热成过热蒸汽，然后进入主蒸汽管道。当给水流量等于蒸汽流量时，汽包水位就恒定不变。4 锅炉汽包水位动态特性分析 汽包水位的扰动主要有4个来源：一是给水方面的扰动，包括给水压力的变化和减温器调节阀开度的变化，这个扰动来自给水管道和给水泵；二是蒸汽负荷的扰动，包括蒸汽管道阻力的变化和蒸汽调节阀开度的变化；三是燃料量的变化，包括引起燃料发热量变化的燃料热值、燃料压力、含水量等种种因素；四是汽包压力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”过程和压
9、力降低时的“自蒸发”过程起作用的。由于燃料量对汽包水位的影响有传递滞后和容积滞后，影响十分缓慢，可以略去不计。对于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此，压力的变化可归到蒸汽负荷中去，所以压力变化对汽包水位的影响可略去不计。这样在锅炉汽包水位的控制系统中，引起汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水量的变化。下面我们将着重分析在给水流量（称为内干扰）和蒸汽流量（称为外干扰）扰动下，汽包水位调节对象的动态特性。4.1 给水流量W作用下的汽包水位H的动态特性如果蒸汽负荷量D不变，给水流量W产生阶跃变化时，汽包水位调节对象的动态方程式可近似表示为：G（s）=H（s）/Uw（s）=k0/
10、s*es（1）图2 给水扰动下的水位响应曲线其中：s复参数；H（s）液位h（t）的拉氏变换；Uw（s）给水流量uw（t）的拉氏变换；G（s）锅炉在给水流量变化时的数学模型；k0反应速度，即给水流量改变单位流量时，水位的变化速度，（mm/s）/（t/h）；延迟时间，s出现时滞的原因是：给水温度低于汽包内饱和水温度，当给水流量增加时，需从饱和水中吸收部分热量，因此，水位下气泡容积减少，只有当水位下气泡容积变化达到平衡后，给水量增加才与水位变化成比例增加。表现在响应曲线的初始段，水位的增加比较缓慢，可用时滞特性近似描述。根据上述，如果给水温度低，则从饱和水中吸收的热量要多些，时滞也要大些。例如，非沸
11、腾式省煤器锅炉时滞约为30100s，沸腾式省煤器锅炉的时滞约为100200s。反应速度也可用响应时间T0表示。响应时间是给水流量变化100%时，水位变化所需的时间。这里，100%表示给水量允许变化的最大范围。因此，有T0=1/ k0。从（1）式中可看出，汽包水位在给水流量作用下的动态特性是由一个积分环节和一个延迟环节所组成。在给水流量扰动下，汽包水位响应曲线如图2所示。如把汽包及水循环系统当作单水槽对象，水位的响应曲线应该如图2的直线h1所示。考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的汽包总体积Vs也就相应减少，导致水
12、位下降。Vs对水位的影响可以用图中的曲线h2表示。水位的实际响应曲线是h1和h2的总和。从图2可知，响应过程有一段延迟时间。给水的过冷度越大，纯延迟时间也越大。4.2 汽包水位H在蒸汽流量D扰动下的动态特性 图3 蒸汽流量扰动下的水位响应曲线在给水量不变的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃变化后，汽包水位调节对象的动态特性可近似表示为：Gd（s）=H（s）/Ud（s）=-kf/s+k2/（T2s+1）（2）式中： Ud（s）蒸汽负荷ud（t）的拉氏变换；Gd（s）蒸汽负荷ud（t）作用下锅炉的数学模型； kf响应速度，即蒸汽变化单位流量时，水位的变化速度（mm/s）/（t/h）；k2响应曲线h2的放
13、大系数；T2响应曲线h2的时间常数。在蒸汽流量扰动下，汽包水位响应曲线如图3所示。汽包水位的特性曲线可分为h1和h2两部分，当仅考虑蒸汽负荷作阶跃增加，即用汽量增加时，根据物料平衡关系，蒸汽流量大于给水流量，水位应下降，所以h1是由于蒸汽流量和给水流量不平衡引起的水位变化； 由于蒸汽用量增加，使汽包压力下降，汽包内的水沸腾加剧，水中气泡迅速增加，由于气泡容积的增加造成水位的变化如图3中的响应曲线h2所示。因此，实际汽包水位的响应曲线是h1和h2的合成，即图中的响应曲线h。当蒸汽用量增加时，由于汽包中气泡容积的增加，使水位出现先增加的现象称为“虚假水位”。 “虚假水位”产生的原因主要是蒸汽流量增
14、加，汽包内的气压下降，炉水沸点降低,使炉管和汽包混合物中的汽容积增加，体积膨大，引起汽包水位上升。这给控制带来很大困难，在设计控制方案时，必须有效地克服“虚假水位”的影响。因为蒸汽用量增加，大于给水流量，因此，最终水位应下降。这种因虚假水位造成的过程特性称为反向特性。虚假水位的变化幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，100200t/h的中高压锅炉在蒸汽负荷变化10%时，能够引起虚假水位的变化达3040mm。5 锅炉液位的控制方案针对以上对汽包动态特性的分析，为了有效地克服“虚假水位”的影响，我们采用三冲量（即用液位H、给水量W、蒸汽负荷D三个变量作为被控量）串级控制方案来控制汽包液位，其控
15、制方框图如图4所示，它实际是把一个蒸汽流量作为前馈信号的串级控制系统。系统中的锅炉水位H是被控变量，是主控制变量，蒸汽流量D和给水流量W是两个辅助控制变量，由蒸汽前馈及补偿系统通过相应的计算和输出来保证水位稳定。 图4 三冲量串级控制系统在三冲量控制中，水位调节器作为主调节器，用于稳定水位，它可抑制闭环内一切引起水位波动的扰动，给水流量调节器作为副调节器，用于消除给水流量、给水压力等各种引起水位波动的二次扰动，使水位更加稳定，蒸汽流量作为前馈信号，用于抑制蒸汽负荷波动对水位的影响。当蒸汽负荷突然增大，蒸汽流量信号使给水调节阀阀门开度增大，大大削弱了由于“虚假水位”引起的误动作，因而减少了水位和
16、给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以三冲量控制系统调节器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失控。这样，汽包水位就很少受到影响。主调节器采用PID控制算法，副调节器采用P控制算法。由于水位调节器测量值是汽包水位信号，因此，当水位调节器具有积分控制作用时，该控制方案可实现汽包水位无余差控制。6 系统实现6.1 硬件设计 AT89C51单片机是ATMEL公司生产出的一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM-Flash Pro
17、grammable and Erasable Read Only Memory），采用高密度、非易失存储技术制造，它与80C51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。它支持通用EPROM等各种存储器、PAL、GAL、以及Intel、ATMEL、PHILIPS等公司的全系列对80C51单片机的编程。AT89C51产品与87C51相比，除了其片内有快闪存储器，编程/擦除速度快之外（4KB的编程只需3s，其擦除时间为10ms），AT89C51还可实现在线编程和远距离编程，而且其产品价格比片内带EPROM的87C51低，这就充分显示出
18、AT89C51的优越性。图5 系统硬件结构图因此本系统以AT89C51单片机作为控制系统的中央处理单元，完成对数据采样、运算、Intel 8155H初始化、内部资源初始化、定时器初始化，以及键盘扫描、显示、报警等内容的循环处理。硬件组成可分为输入模块、键盘/显示模块、报警模块及输出模块。整个控制系统的硬件结构如图5所示。6.1.1 输入模块Intel 8155H芯片内包含有256个字节的RAM存储器（静态），RAM的存取时间为400ns。两个可编程的8位并行口PA和PB，一个可编程的6位并行口PC，以及一个14位减法定时器/计数器。PA口和PB口可工作于基本输入输出方式（同8255A的方式0）
19、或选通输入输出方式（同8255A的方式1）。 Intel 8155H可直接和MCS-51单片机相连，不需要增加任何硬件逻辑。ADC0809是一种逐次逼近式的、与微处理器兼容的8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。它主要由逐次逼近式A/D转换器和8路模拟开关组成。ADC0809的特点是：可直接与微处理器相连，不需要另加接口逻辑；具有锁存控制的8路模拟开关，可以输入8个模拟信号；分辨率为8位，总的不可调误差为（1/2）LSD和1LSB；输入、输出引脚电平与TTL电路兼容；当模拟电压范围为05V时，可使用单一的+5V电源；基准电压可以有多种接法，且一般不需要调零和增益校准。STARTALECB
20、A IN7IN6IN5D7 IN4D6 IN3D5 IN2D4 IN1D3 IN0D2D1D0 ADC08098155PC口5008155PB口500 图6 输入模块图本系统以一片ADC0809作为数据采样的接口单元，可通过编程来选通相应的采样模拟量输入通道。系统需要对蒸汽流量、给水量、汽包压力、水位（差压）等参数进行采集，用差压式流量计DPP 50测量蒸汽流量、给水量，用膜片式压力传感器YP-150测量汽包压力，用应变式容器内液位传感器4000PC测量水位（差压），得到的每路参数的0-10mA直流电流经500电阻转换成0-5V的直流电压信号。由于单片机的I/O口有限，所以系统扩展一片Inte
21、l 8155H并行I/O口，C口用来控制选通相应的模拟量输入通道和A/D转换的启动，B口与其8位数字量输出端口相连，A口留作与D/A转换器的8位数字量输入引脚相连。输入电路如图6所示。6.1.2 键盘/显示模块扩展一片Intel 8155H并行I/O口，A口作为LED显示器的位选输出，B口作为它的段码输出，C口作为键盘行线输入口，A口作为它的列线输出口。设3个LED七段显示器，采用动态扫描方式，显示实时液位与设定液位的差值；有15个按键，除10个数字键外，还设立Kp、Ki、H0（液位设定值）的输入选择及确认键和取消键等5个功能键。通过显示子程序将各自显示缓冲区的内容调入LED显示器进行显示；通
22、过键盘子程序将在键按下时求出键值，并转到相应的数字键或功能键处理程序。键盘/显示电路如图7所示PA2PA1PA0PC0PC48155H PB0 PB75.1k*50 1 2+5V+5 +5V100*875452*3 共阴极共阴极 7407*2 a b c d e f g h 图7 键盘/显示模块图6.1.3 报警模块 图8 报警电路图在对采样的数据进行处理及运算后，要进行查询报警，查看锅炉的液位是否超出锅炉正常运行的允许范围。555定时器是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。双极型的电源电压Vcc=+5V+15V，输出的最大电流
23、达200mA，CMOS型的电源电压为+3+18V。555定时器只要在外部配上少量的元件如适当的阻容元件，就可以方便地获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力，在工业控制定时、仿声、电子乐器及防盗报警等方面应用很广。因此，本系统中选用一片555定时器芯片来构成多谐振荡电路，它是一种自激振荡电路，通过控制它的起振使喇叭发出声响。报警电路如图8所示。6.1.4 输出模块美国国家半导体公司的DAC0832芯片是具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS-51单片机相连接,适用于系统中多个模拟量同时输出的系统，它可以与各种微处理器直接接口。其主要特性如下：A、分辨率8位；B、输入电平与T
24、TL兼容，基准电压VREF工作范围为+10-10V，电流输出，稳定时间为1s,功耗为20mW；C、可双缓冲、单缓冲或直接数字输入；D、只需在满量程下调整其线性度；E、单一电源供电（+5+15V）；F、低功耗，20mW。 图10 输出电路原理图因此输出模块由一片8位的D/A转换器DAC0832与Intel 8155H芯片的A口相连，通过接收单片机输出给Intel 8155H A口的数字量控制信号，并进行D/A转换，输出给执行机构。运用集成运算放大器与其输出引脚进行合理的连接及进行相应的软件设计，可实现手动控制方式与自动控制方式的平衡无扰动的相互切换（图10）。6.2 软件设计6.2.1 干扰来源
25、及其预防单片机系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要因素。一般把影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪声，又称干扰。在单片机系统中，出现了干扰，就会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵，在测量通道中产生了干扰，就会使测量产生误差，计数器收到干扰有可能乱记数，造成记数不准，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。6.2.1.1 硬件防干扰环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的，干扰窜入单片机系统的渠道主要有三条：（1）空间干扰 空间干扰来源于太阳及其它天体辐射的电磁波；广播电台或通讯发射台发出的电磁波；周围的电气设备如发射机、中频炉
26、、可控硅逆变电源等发出的电干扰和磁干扰；空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰可能会使单片机系统不能正常工作。一般这种干扰可以通过接地技术和屏蔽技术进行抑制。（2）供电系统干扰 由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大感性负载设备的起停会造成电网的严重污染，使得电网电压大幅度涨落（浪涌），工业电网电压的欠压或过压常常达到额定电压的15%以上。这种状况有时长达几分钟、几小时，甚至几天。由于大功率开关的通断，电机的启停，电焊等原因，电网上常常出现几百伏，甚至几千伏的尖峰脉冲干扰。实际上，几乎所有的单片机系统都是由交流电源供电，因此，必须采用措施克服来自供电电源的干扰。（3）过程
27、通道干扰 为了达到数据采集或实时控制的目的，开关量输入输出，模拟量输入、输出是必不可少的。在工业现场，这些输入输出的信号线和控制线多至几百条甚至几千条，其长度往往达几百米或几千米，因此不可避免地将干扰引入单片机系统。当有大的电气设备漏电，接地系统不完善，或者测量部件绝缘不好，都会使通道中直接串入干扰信号；各通道的线路如果同处一根电缆中或绑扎在一起，各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰，尤其是若将015V的信号与交流220V的电源线同套在一根长达几百米的管中其干扰更为严重。这种彼此感应产生的干扰其表现形式仍然是通道中形成干扰电压。这样，轻者会使测量的信号发生误差，重者会使有用信号完全淹没。有时这种通过感应
