液位過程控制課程設(shè)計(jì)

1、中南大學(xué)過程控制儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師 王莉 吳同茂 設(shè)計(jì)者 龔曉輝 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化09級(jí)05班02號(hào) 設(shè)計(jì)日期 2012年5月 目 錄第一章 過程控制儀表設(shè)計(jì)的目的意義11.1 設(shè)計(jì)目的11.2 課程在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用2第二章 液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)控制設(shè)計(jì)與調(diào)試3 2.1 液位控制系統(tǒng)的工藝及控制要求3 2.2 液位系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)5 2.3 系統(tǒng)調(diào)試與控制效果7第三章 火力發(fā)電氣泡水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)83.1 火力發(fā)電廠生產(chǎn)工藝及控制要求 83.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)93.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)113.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)14第四章 收獲、體會(huì)和建議16參考文獻(xiàn) 第一

2、章 過程控制儀表設(shè)計(jì)的目的意義1.1 設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)是為過程控制儀表課程而開設(shè)的綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、過程控制儀表、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等前期課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的綜合應(yīng)用。其目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生通過自己動(dòng)手對(duì)一個(gè)工業(yè)過程控制對(duì)象進(jìn)行儀表設(shè)計(jì)與選型，促進(jìn)學(xué)生對(duì)儀表及其理論與設(shè)計(jì)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。其主要是設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)常遇到的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)，使學(xué)生將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來，有效的鞏固與提高理論教學(xué)效果。1.2課程在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用課程設(shè)計(jì)對(duì)過程控制課程有重要的實(shí)踐意義，可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與運(yùn)用。主要

3、的內(nèi)容是通過對(duì)典型工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的典型工藝參數(shù)的測(cè)量方法、信號(hào)處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、測(cè)控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)課堂理論知識(shí)的理解與綜合應(yīng)用能力，進(jìn)而提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力?；疽笕缦? 1. 掌握變送器功能原理，能選擇合理的變送器類型型號(hào)；2. 掌握?qǐng)?zhí)行器、調(diào)節(jié)閥的功能原理，能選擇合理的器件類型型號(hào)；3. 掌握PID調(diào)節(jié)器的功能原理，完成相應(yīng)的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并畫出控制系統(tǒng)的原理圖和系統(tǒng)主要程序框圖。4 通過對(duì)一個(gè)典型工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析，并對(duì)其中的一

4、個(gè)參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位）設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。以上的課程設(shè)計(jì)要求充分地結(jié)合了教材理論知識(shí)，將理論上的常用工程設(shè)計(jì)過程運(yùn)用到了課程設(shè)計(jì)之中。從整個(gè)系統(tǒng)的角度講，課程將過程控制硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)同書本中的理論知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來了，使學(xué)生要選定一個(gè)具體的工藝過程控制，從底層基本的器件選型到頂層高級(jí)的目標(biāo)控制一步步實(shí)現(xiàn)，使我們體會(huì)到一個(gè)系統(tǒng)的具體構(gòu)建過程，體驗(yàn)了過程控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力?？梢?，課程設(shè)計(jì)對(duì)我們學(xué)習(xí)這門課有著啟發(fā)性與重大的指導(dǎo)性意義。 第二章 液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)控制設(shè)計(jì)與調(diào)試2.1 液位控制系統(tǒng)的工藝及控制要求 1.液位控制系統(tǒng)的工藝 該裝置由三個(gè)大小相同的容器、液

5、位檢測(cè)變送儀表以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，儀表屏上配有帶連接信號(hào)插座孔的整個(gè)工藝過程模擬流程圖，調(diào)節(jié)控制儀等、其具體的工藝模擬流程圖如圖2.1所示 圖2.1圖2.1中具體符號(hào)含義如下C：控制器(t調(diào)節(jié)器)。該裝置配有三個(gè)單回路調(diào)節(jié)器C1，C2，C3，控制輸出信號(hào)為420mAPV為測(cè)量值輸入，SV為外給定輸入或者閥位反饋信號(hào)輸入，O孔為調(diào)節(jié)器輸出。R：記錄儀為無紙記錄儀，輸入420mA，分為R1R3三個(gè)通道HT:液位變送器。液位變送器為LSRY或LSRT，1#3#輸入量程均為0100mH0，變送器輸出為420mA。VL：電子調(diào)節(jié)閥為電子小流量調(diào)節(jié)閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入為420mA電流信號(hào)，對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥輸出開度為

6、0100%。V12與I12:兩路電壓/電流轉(zhuǎn)換器。V1為電壓輸入，I1為電流輸出，V2為第二路電壓輸入，I2為第二路電流輸出。 三級(jí)串聯(lián)水箱由三個(gè)水箱組成，穩(wěn)壓水由兩路經(jīng)過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥VL1和VL2以及手動(dòng)閥V1V6， 分別流入三個(gè)水箱,調(diào)節(jié)閥VL1和VL2可以作為控制回爐的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另一個(gè)用于產(chǎn)生干擾信號(hào)。通過使用不同的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)與手動(dòng)閥，結(jié)合具體的控制水箱的液位，就可以構(gòu)成一階，二階和三階系統(tǒng)。2.液位控制系統(tǒng)控制要求 在具體確定控制參數(shù)時(shí)，可以使用以下方法(1) 掌握PID控制算法及P、I、D參數(shù)的含義及功能；(2) 用工程的方法（看曲線，調(diào)參數(shù)）整定調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及PID參數(shù)，并觀察P

7、ID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能的影響。(3) 測(cè)取液位串級(jí)過程控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性；體現(xiàn)在不同的控制系統(tǒng)中有如下具體要求：超調(diào)量20%，調(diào)節(jié)時(shí)間Ts100s，穩(wěn)態(tài)誤差，在實(shí)際確定控制系統(tǒng)的性能時(shí)，可以根據(jù)具體情況確定控制性能。2.2液位系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 根據(jù)具體的控制對(duì)象的要求，我們把液位控制系統(tǒng)分為了單回路控制系統(tǒng)與雙回路控制系統(tǒng)。1.單回路控制系統(tǒng) 單回路控制系統(tǒng)由以下四個(gè)部分組成： （1）被控對(duì)象-水箱 (2)電子閥 （3）液位變送器 （4）PID智能調(diào)節(jié)器。其控制系統(tǒng)的方塊圖如圖2.2所示 擾動(dòng) 給定量Hs調(diào)節(jié)器D/A電子閥液位變送器A/D水箱 圖2.2系統(tǒng)被控制量是水箱的液位H

8、s，調(diào)節(jié)參數(shù)是流入水箱的水流量Q，水箱液位由液位變送器檢測(cè)得到液位反饋信號(hào)Hf，它和液位設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)Hi，調(diào)節(jié)器對(duì)輸入偏差Hi進(jìn)行PID運(yùn)算， 輸出變化量u控制信號(hào)， 控制電子調(diào)節(jié)閥的液位，改變調(diào)節(jié)參數(shù)Q，使被調(diào)參數(shù)H保持在設(shè)定值，系統(tǒng)中f為給定信號(hào)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合具體的控制對(duì)象的液位可以構(gòu)成一階與二階系統(tǒng)。2. 雙回路控制系統(tǒng) 串級(jí)PID控制是將兩個(gè)PID控制器串聯(lián)在一起，控制一個(gè)執(zhí)行閥，實(shí)現(xiàn)定值控制。圖2.3是水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。有主副兩個(gè)控制回路，主副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值Hs，它的輸出U1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出u2控

9、制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)H1.圖2-3 H2H12#水箱U1主給定Hs副調(diào)節(jié)器2液位壓力變送其送器21#水箱智能調(diào)節(jié)器 1控制器E111-YH2擾動(dòng)1擾動(dòng)2U2壓力變送器1-YH1電子閥主回路副回路 在大多數(shù)情況下，主回路控制器采用比例，積分，微分控制，而副控制器這采用比例或者比例，積分控制。其中,Hs是主參數(shù)的給定值，H1是被控的主參數(shù)，H2是副參數(shù)，f1是作用在主對(duì)象上的擾動(dòng)，f2是作用在副回路上的擾動(dòng)。液位串級(jí)控制系統(tǒng)具有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，兩個(gè)閉環(huán)，與兩個(gè)執(zhí)行對(duì)象，由于著眼點(diǎn)不同，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律選擇不一樣，設(shè)置副回路的目的是為了提高主變量的控制質(zhì)量，因此，副回路有快速抗干擾能力，起著粗調(diào)的

10、作用，對(duì)副變量沒有嚴(yán)格的要求。正是因?yàn)椴捎昧舜?jí)控制，使得控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能相對(duì)單回路控制系統(tǒng)而言有很大的優(yōu)勢(shì)，不過控制回路較復(fù)雜。2.3 系統(tǒng)調(diào)試與控制效果 2.3.1 單回路控制系統(tǒng)1.一階控制系統(tǒng)對(duì)于一階控制系統(tǒng)，根據(jù)液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)采用PI控制，根據(jù)P與I的控制特點(diǎn)，由于P是比例系數(shù)的倒數(shù)，故先把P與I加大，然后根據(jù)實(shí)際的響應(yīng)曲線再把P與I 逐漸調(diào)小，以此來達(dá)到我們的控制效果。通過不斷地調(diào)試，我們最終確定了控制參數(shù)為 P = 40， I = 40，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為90s，超調(diào)量為0.05得到的響應(yīng)曲線如下 2.二階控制系統(tǒng) 根據(jù)具體的水箱裝置可知二階系統(tǒng)具有一定的時(shí)滯性，故

11、在PI的基礎(chǔ)上加上D控制，結(jié)合一階控制系統(tǒng)的控制規(guī)律，觀察實(shí)際的水位響應(yīng)曲線，不斷改進(jìn)參數(shù)，可以得到最后的參數(shù) P= 40 I=30，D=5，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為85s， 超調(diào)量為4%，響應(yīng)曲線如下 2.3.2 雙回路控制系統(tǒng)由于主回路是一個(gè)恒值系統(tǒng)，我們要求其超調(diào)量，調(diào)整時(shí)間，穩(wěn)態(tài)誤差等參數(shù)都要求較高，而副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，副回路是對(duì)系統(tǒng)起著一個(gè)粗調(diào)的作用，對(duì)副回路變量沒有嚴(yán)格的要求，對(duì)副回路只需采用P控制即可。主回路的控制要求高，我們采用了PID控制。在調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，首先適當(dāng)給定主回路的PID參數(shù)，然后調(diào)節(jié)副回路，初步確定副回路的P參數(shù)，根據(jù)多次試驗(yàn)，我們確定了比例度為50， 然后固定該參

12、數(shù)，根據(jù)P,I與D的控制特點(diǎn)，用臨界擴(kuò)充響應(yīng)曲線法并結(jié)合PID試湊法最終整定主回路的控制參數(shù)，經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，觀察響應(yīng)曲線得到主回路的比例度P = 40， I = 55， D = 5;系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為50S，超調(diào)量為3.6%，響應(yīng)曲線如下 在調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)，基本的原則如下參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 先是比例后積分，最后再把微分加 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降 曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來 動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長 理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低通過對(duì)參

13、數(shù)的調(diào)節(jié)，加深了對(duì)P，I，D的作用的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也積累了在工程實(shí)際中如何具體來調(diào)節(jié)P,I,D參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)。 第三章 火力發(fā)電氣泡水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 火力發(fā)電廠生產(chǎn)工藝及控制要求3.1.1 火力發(fā)電廠生產(chǎn)工藝在火力發(fā)電廠，最基本的工藝過程是用鍋爐生產(chǎn)蒸汽，使汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。鍋爐控制是火力發(fā)電生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要組成部分。它的主要任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷設(shè)備（汽輪機(jī)）的需要，供應(yīng)一定規(guī)格（壓力、溫度、流量和純度）的蒸汽。 其主要的結(jié)構(gòu)原理圖如下。1汽輪機(jī)高壓缸；2汽輪機(jī)中、低壓缸；3汽包；4爐膛；5煙道；6發(fā)電機(jī)；7冷凝器；8補(bǔ)充水；9凝結(jié)水泵；10循環(huán)水泵；11低壓加熱器；12除氧器；13

14、給水泵；14高壓加熱器；15給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；16省媒器；17過熱器；18減溫器；19汽機(jī)高壓調(diào)汽門；20再熱器；21再熱器減溫器；22汽機(jī)中壓調(diào)汽門；23媒粉倉；24燃料量控制機(jī)構(gòu)；25噴燃器；26送風(fēng)機(jī)；27空氣預(yù)熱器；28調(diào)風(fēng)門；29水冷壁管；30引風(fēng)機(jī)；31煙道擋板。由此可知，在火力發(fā)電廠中，鍋爐是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)鍋爐的壓力，溫度，液位控制至關(guān)重要，它直接影響到發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而影響到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步，是我們必須不斷研究，加以重視的地方。在這里，我們主要研究的是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)對(duì)鍋爐的液位進(jìn)行控制。3.1.2 控制要求 1、供給蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化需要或者保持給定負(fù)荷；2、鍋爐供給用汽

15、設(shè)備的蒸汽壓力應(yīng)當(dāng)保持在一定的范圍內(nèi)；3 、過熱蒸汽溫度保持在一定范圍；4、汽包水位保持在一定范圍；5、保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和安全性；6 、爐膛負(fù)壓保持在一定的范圍內(nèi)。由于研究的主要是鍋爐的氣泡液位，因此將鍋爐的汽包水位控制在一個(gè)允許范圍內(nèi)，是控制的主要指標(biāo)，也是鍋爐能提供符合質(zhì)量要求的蒸汽負(fù)荷的必要條件。3.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)具體的控制的鍋爐控制對(duì)象，由于與鍋爐有關(guān)的控制量涉及蒸汽，給水量，鍋爐水位，通過查閱資料，我得到以下三種控制方案。方案一: 單回路控制系統(tǒng)以鍋爐汽包水位為被控參數(shù)、給水流量為控制參數(shù)構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便，缺點(diǎn)是克服給水自發(fā)性干擾和負(fù)荷干擾

16、的能力差最典型的問題就是虛假水位問題。方案二 前饋加反饋控制系統(tǒng)在單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，為了解決系統(tǒng)抗干擾能力差的問題，將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽看作干擾的話，我們可以把蒸汽流量檢測(cè)出來，作為前饋控制量，就可以使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作準(zhǔn)確及時(shí)，減小水位的波動(dòng)，改善控制質(zhì)量，提高鍋爐液位穩(wěn)定性能。控制系統(tǒng)的方框圖如圖3.1 圖3.1圖3.1(b)中, 是前饋控制器的傳遞函數(shù)， 是主回路控制器傳遞函數(shù)是被控對(duì)象擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)。是被控對(duì)象主回路通道的傳遞函數(shù) 方案三 前饋+串級(jí)控制系統(tǒng)由于該方案對(duì)負(fù)荷干擾有很強(qiáng)的抑制作用，但是對(duì)水位的干擾很弱，因此可以在前饋+反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上再對(duì)給水閥加一個(gè)回路實(shí)現(xiàn)對(duì)給水閥

17、中水的流量進(jìn)行控制，這樣的話整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力大大增強(qiáng)，在克服虛假水位的影響、維持水位穩(wěn)定、提高給水控制質(zhì)量等多方面都優(yōu)于前述兩種控制系統(tǒng)，是現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用的汽包水位控制方案。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，由主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器和三個(gè)控制量（汽包水位、蒸汽流量、給水流量）構(gòu)成。其中，主調(diào)節(jié)器為水位調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器為給水流量調(diào)節(jié)器，蒸汽流量為前饋信號(hào)。這樣，整個(gè)控制系統(tǒng)的性能大大提高，但是系統(tǒng)的復(fù)雜性加大，系統(tǒng)的方框圖如圖3.2Gs（s）Gf（s）Go(s)Gc(s)Gf1(s)Gv(s)Hr(s)Gm(s) 根據(jù)以上三種設(shè)計(jì)方案，綜合實(shí)際情況，我們選擇了方案二作為控制系統(tǒng)來控制系統(tǒng)鍋爐的液位?？v觀整個(gè)控制系統(tǒng)，

18、其工作原理就是傳感器采集液位與蒸汽流量信息并由變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的15V電壓信號(hào)給控制器，控制器采樣后按照方案二的框圖運(yùn)算后得到控制閥門的控制量，并由D/A轉(zhuǎn)換后送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制送水閥門的相應(yīng)開度，從而實(shí)現(xiàn)使液位保持在一定的范圍內(nèi)。達(dá)到控制目的。3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.3.1 硬件總體概要 近年來，隨著微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速的發(fā)展， 在鍋爐的控制系統(tǒng)上也引入了數(shù)字控制，采用了鍋爐的微機(jī)控制，它是計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制理論、節(jié)能技術(shù)等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。采用微機(jī)控制與原有的儀表結(jié)合對(duì)工業(yè)中的鍋爐控制有著姣好的效果。因此，在選擇控制器時(shí)，對(duì)比市場(chǎng)上常見的PLC，各種模擬調(diào)節(jié)器，

19、我采用了適合用控制的單片機(jī)，單片機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部件。單片機(jī)自問世以來,性能不斷提高和完善,體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。因此，使用單片機(jī)高效實(shí)時(shí)的控制特點(diǎn)可以完全實(shí)現(xiàn)控制目的。 由于鍋爐控制是一個(gè)安全性很高的系統(tǒng)，因此，我們?cè)诳刂频臅r(shí)候必須要嚴(yán)格監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，故在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，除了要有相應(yīng)的控制還要有其他的輔助設(shè)備。在硬件設(shè)計(jì)中，我加上了液位報(bào)警，數(shù)碼管顯示，串口，SD卡數(shù)據(jù)存取，上位機(jī)調(diào)試，手動(dòng)操作。由此得到系統(tǒng)硬件簡圖如圖3.1傳感器I/V變換MCU數(shù)碼管顯示 報(bào)警顯示數(shù)據(jù)存取執(zhí)行機(jī)構(gòu)V/I變換

20、A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換串 口 圖3.1 3.3.2 具體器件選擇與電路設(shè)計(jì)1.控制器選擇考慮到8位單片機(jī)的功能上的限制，我沒有選擇MCS-51系列的單片機(jī)，并且根據(jù)我平時(shí)經(jīng)常使用過的單片機(jī)，對(duì)鍋爐液位控制系統(tǒng)，從微控制器的價(jià)格，性能以及可靠性的角度，我選擇了飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128，這塊芯片的功能很強(qiáng)大，其芯片引腳如圖3.2 圖3.2 飛思卡爾這塊芯片價(jià)格便宜，資源豐富。有豐富的I/O口，其主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)1. 端口A, B 和K 作為一般的I/O口使用2. 端口E作為, 中斷輸入3. 端口T作為1路定時(shí)器模塊4. 端口 S 作為2路SCI與1路SPI模塊使用5. 端口M作為

21、一路MSCAN使用6. 端口P作為PWM輸出7. 端口H和J既可以作為一般的I/O口使用也可以作為外部中斷源8. 端口AD是16路的AD采樣模塊，可以通過軟件設(shè)置采樣精度9. 內(nèi)部帶有鎖相環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部晶振的幾倍頻率。正是由于XS128這塊芯片的豐富資源，可以方便我來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，且通過設(shè)置鎖相環(huán)可以設(shè)置總線頻率為80MHZ，因此，可以使用C語言來進(jìn)行編程，一樣可以實(shí)現(xiàn)控制的快速性要求，而不必要采用匯編語言來編寫軟件，這樣可以大大減輕設(shè)計(jì)者的編程負(fù)擔(dān)。MC9S12XS128芯片的外圍設(shè)備也很簡單，除了為芯片提供電源外，只需設(shè)置復(fù)位電路，晶振電路以及下載程序口即可，下面圖3.3是單片機(jī)的最小

22、系統(tǒng)圖 圖3.3在最小系統(tǒng)配置后，單片機(jī)就可以工作了，下面就是其他的電路設(shè)計(jì)。2.蒸汽流量變送器器選擇在鍋爐控制系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)前饋控制，抑制負(fù)荷變化導(dǎo)致的水位的變化，必須要檢測(cè)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽的流量。由于鍋爐在工作時(shí)，溫度比較高，且蒸汽是熱空氣，因此選擇的變送器必須是能夠在高溫下工作，且具有一定的防爆性能，通過查閱大量資料，最終選擇LUGB型渦街流量計(jì)。 LUGB型渦流街流量計(jì)根據(jù)卡門渦街原理測(cè)量氣體，蒸汽或者液體的體積流量、標(biāo)況的體積流量或者質(zhì)量流量的體積流量計(jì)。廣泛用于各種行業(yè)氣體、液體、蒸汽流量的測(cè)量。它也可以測(cè)量含有微小顆粒，雜質(zhì)的渾濁液體，并可以作為流量變送器用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的測(cè)量

23、中 LUGB型渦流街變送器為放保型，符合GB3836-2000中的有關(guān)規(guī)定，防爆標(biāo)志為”ExiaIICT6”, 該儀表適用于工廠C級(jí)T6組及其以下的防爆場(chǎng)所。根據(jù)鍋爐實(shí)際的工作環(huán)境，選擇LUGB型渦流街計(jì)量計(jì)完全可以滿足鍋爐控制系統(tǒng)的精度要求。下面是其主要參數(shù)。公稱口徑： DN10DN500測(cè)量介質(zhì)： 氣體、液體、蒸氣可測(cè)介質(zhì)溫度： -40150；-40280；-40350；-40450公稱壓力： 2.5MPa（2.5 MPa協(xié)商供貨）精度等級(jí)： 1級(jí)，0.5級(jí)（注：0.5級(jí)量程范圍1：7）輸出信號(hào)： 電壓脈沖：低電平1V，高電平6V，脈沖寬0.4ms，負(fù)載電阻150 420mA轉(zhuǎn)換精度0.5

24、%滿度值，負(fù)載電阻19V350，24V500，30V750 現(xiàn)場(chǎng)液晶顯示：瞬時(shí)流量6位顯示，（m3/h或kg/h，t/h），轉(zhuǎn)換精度0.1%；累計(jì)流量8位顯示，（m3，kg，t），轉(zhuǎn)換精度0.1%供電電源： 電壓脈沖輸出：+12VDC或+24VDC 420mA輸出：+19VDC+30VDC 現(xiàn)場(chǎng)液晶顯示：電池供電3.6V，1節(jié)1號(hào)鋰電池，使用壽命大于3年；外部供電+12VDC或+24VDC可實(shí)現(xiàn)帶背光的液晶顯示（訂貨注明）環(huán)境溫度： 電壓脈沖輸出：-30+65 420mA輸出：-10+55 現(xiàn)場(chǎng)液晶顯示 -25+55防爆標(biāo)志： ExiaIIBT6表體材料： 1Cr18Ni9Ti(其它材料協(xié)議供

25、貨)；45號(hào)鋼（法蘭連接型）全智能型儀表： 輸出信號(hào)：標(biāo)態(tài)的體積流量或質(zhì)量流量 現(xiàn)場(chǎng)液晶顯示：循環(huán)顯示6位瞬時(shí)流量、壓力、溫度；8位顯示累積量3.液位變送器選擇 為了測(cè)量鍋爐氣泡的液位，必須選擇合乎鍋爐工作環(huán)境的產(chǎn)品，并且液位變送器要承受較高的溫度，而且變送器受到外部的干擾必須小，可靠性高，且具有防爆性能，這樣才能保證變送器的正常工作，經(jīng)過查閱資料，綜合產(chǎn)品性能與價(jià)格，我選擇了CR-6031智能鍋爐氣泡液位計(jì)。CR-6031/2系列智能電容式鍋爐汽包液位計(jì)，是基于電容測(cè)量原理的液位計(jì)。它采用斷層掃描技術(shù)，通過測(cè)量分析桶內(nèi)的液態(tài)，氣態(tài)介質(zhì)的介電常數(shù)，補(bǔ)償溫度、壓力等變化帶來的影響。經(jīng)過微處理器運(yùn)

26、算處理后輸出符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號(hào)，下面是該變送器的主要技術(shù)特點(diǎn)。1、兩線制電流環(huán)； 2、具有全工況條件（ 鍋爐啟、停、排污、工況等）下液位準(zhǔn)確連續(xù)測(cè)控功能；3、采取斷層掃描技術(shù)，能夠?qū)σ簯B(tài)、汽態(tài)介質(zhì)的介電常數(shù)變化連續(xù)測(cè)量補(bǔ)償；4、長期穩(wěn)定性好；5、經(jīng)C E 認(rèn)證的良好的電磁兼容特性；6、耐高溫、高壓、長壽命；7、操作軟件為中文操作環(huán)境， 輕松整定；技術(shù)指標(biāo)工作電壓： 最大：28V 最?。?0V電 流 環(huán)：兩線制4.00mA 20.00mA（0.5%）防爆等級(jí)：ExiaIICT6 （-4070） ExiaIICT1-5 （-4085）防爆參數(shù)：Ui=30V,Ii=100mA ,Pi

27、=0.75W Ci=100pF,Li=10uH工作壓力：22MPa max測(cè)量范圍：1500mm 測(cè)量周期：0.5秒 環(huán)境溫度：-4065 （ExiaIICT1-T5） 介質(zhì)溫度：500 max. 防護(hù)等級(jí): IP65。由變送器的性能指標(biāo)可知，變送器完全可以測(cè)量火電廠鍋爐的液位，滿足控制系統(tǒng)的測(cè)量要求4.控制閥的選擇根據(jù)過程控制儀表中的理論知識(shí)知控制閥有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液動(dòng)調(diào)節(jié)閥。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥已壓縮空氣為能源的執(zhí)行器。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力大，價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜和本質(zhì)安全防爆等。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是以電位能源的，它的主要特點(diǎn)是能源取用方便，信號(hào)傳輸速度快，距離遠(yuǎn)，便于集中控制，停電

28、時(shí)能夠保持原位不動(dòng)，靈敏度與精度要求高等。而液動(dòng)調(diào)節(jié)閥一般很小使用。在選擇的時(shí)候可以從以下三個(gè)反面考慮:閥孔徑的選擇，氣開氣關(guān)形式的選擇和流量特性的選擇。對(duì)于流量特性有4種形式即:1.直線特性 2.等百分比特性 3. 快開特性 4.拋物線特性。根據(jù)鍋爐的特性在閥門口徑上我們選擇較大口徑的，這個(gè)是根據(jù)實(shí)際鍋爐的大小。閥門氣開氣關(guān)的選擇原則是當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，閥門的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài)，因此對(duì)于鍋爐控制閥門時(shí)為保證失控狀態(tài)時(shí)鍋爐的安全，給水閥應(yīng)選氣關(guān)式，至于流量特性可以根據(jù)具體的鍋爐工作特性來決定。根據(jù)上述控制閥的特點(diǎn)，綜合使用的價(jià)格，可靠性和性能，我選擇了武漢欣裕瑞控制閥有限公司DK

29、V系列型的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。它是一種角行程調(diào)節(jié)式閥門,它與電子式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套使用,可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐水量的精確控制。多種閥芯結(jié)構(gòu)滿足不同流量特性的調(diào)節(jié)需求。流通能力大、直流通式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很小的壓力降。調(diào)節(jié)精度高，可調(diào)比例大，最大可達(dá)（300：1）密封性好（雙面球形密封）。許用壓差大（010Mpa)卓越的調(diào)節(jié)性能，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)給排水領(lǐng)域的高精度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。其技術(shù)特點(diǎn)是-公稱通徑：DN25DN400-公稱壓力：1.6、4.0、6.4MPa、ANSI150、300(Lb)、JIS10、20K-電 源：220ACV-控制信號(hào)：420mA 05V-輸出信號(hào)：420mA 05V-基本誤差：0.5%-死 區(qū)：0.

30、3%-結(jié)構(gòu)形式：V型缺口鑄造球體-連接形式：法蘭連接：JB79-59-填 料：PTFE、石墨-環(huán)境溫度：-2060-閥體材質(zhì)： (1)WCB (2)304 (3)316 (4)316L-閥芯材質(zhì)： (1)304 (2)316 (3)316L-溫度范圍：-40120 (高溫可定制)-介質(zhì)溫度：-40120 -40400-密封材料：聚四氟乙烯(常溫)、特制PPL(高溫)-泄 漏 量：0 符合ANSIB16.104 5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)-適用范圍：鍋爐水量調(diào)節(jié)、石化、脫硫水處理、燃燒爐水、油量調(diào)節(jié)、煤氣量調(diào)節(jié)等需要對(duì)流量精確控制的應(yīng)用場(chǎng)合。由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的性能指標(biāo)知該調(diào)節(jié)閥對(duì)于火電廠的鍋爐液位控制是完全可以達(dá)到要

31、求。5. D/A轉(zhuǎn)換與電流與電壓的轉(zhuǎn)換為了達(dá)到相應(yīng)的精度與轉(zhuǎn)換的快速性，采用12位逐次逼近型D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC1210，由于只有一塊芯片，并且單片機(jī)具有豐富的I/O資源，故可以把芯片直接接成直通的方式。420mA電流到電壓15V的轉(zhuǎn)換可以采用250歐的精密電阻實(shí)現(xiàn)15V的轉(zhuǎn)換，至于D/A轉(zhuǎn)換輸出后將電壓轉(zhuǎn)換成電流可以使用集成芯片AD694下面是電路原理圖 圖3.8圖3.9 圖3.107. 報(bào)警顯示當(dāng)鍋爐達(dá)到上下限極限水位時(shí)報(bào)警，可以使用單片機(jī)的一個(gè)I/0口實(shí)現(xiàn)對(duì)電鈴的控制.使電鈴在水位達(dá)到上下限時(shí)發(fā)出不同頻率的報(bào)警聲音來區(qū)分是水位上限還是下限。電路原理圖如圖3.7圖3.78.數(shù)碼管顯示可以實(shí)

32、時(shí)將鍋爐內(nèi)的水位通過8位數(shù)碼顯示出來供操作人員了解鍋爐內(nèi)部的液位情況，電路圖如圖3.4 圖3.410. 串口調(diào)試與SD卡在調(diào)節(jié)PID參數(shù)的時(shí)候，需要實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的響應(yīng)，為了方便調(diào)試，可以通過一個(gè)串口將控制器與上位機(jī)PC機(jī)聯(lián)系起來，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的情況，這里考慮到控制室與鍋爐之間的距離，采用了RS485通信方式來實(shí)現(xiàn)通信。其電路原理圖如圖3.5 圖3.5在數(shù)據(jù)存取方面為了得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過使用SPI模式將數(shù)據(jù)寫到SD卡中以便能夠得到系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。其電路原理圖如下11. 電源模塊 電源是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，由于在工業(yè)鍋爐現(xiàn)場(chǎng)存在各種干擾，因此在制作控制板時(shí)，必須對(duì)電源要有一個(gè)很好的設(shè)計(jì)，這

33、樣才能保證整個(gè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)PCB板上的各種芯片我沒有使用開關(guān)電源，而是使用了線性穩(wěn)壓芯片。目的是進(jìn)一步減小諧波的干擾。此外，根據(jù)各種儀表的電源供應(yīng)情況知，板子上需要3.3V直流，5V直流， 10V直流， 24V直流與220交流， 對(duì)于3.3V直流，在220交流(220 AC)引入后,經(jīng)過變壓器后，采用LM2937-3.3V穩(wěn)壓芯片， 而5V直流，我使用了LM2940-5V穩(wěn)壓芯片， 對(duì)于10V直流，使用了LM2941可調(diào)穩(wěn)壓芯片，通過調(diào)節(jié)電阻的大小使輸出電壓達(dá)到10V，上面的穩(wěn)壓芯片的最大輸出電流可達(dá)1A，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，輸入輸出的壓差比較小，只有1V左右.對(duì)于24V直流，我沒有自己制作

34、，而是選擇了買一個(gè)輸入220V AC輸出24V DC 的電源。圖3.12是24V穩(wěn)壓到3.3V的原理圖 圖3.12圖3.13是24V穩(wěn)壓到5V的原理圖，用于為單片機(jī)提供電源 圖3.13下面圖3.14是使用LM2941穩(wěn)壓得到10V的電壓，為DAC1210與AD694提供參考電壓。 圖3.14 為了充分抑制干擾，在PCB制作后，可以用金屬外殼將板子封裝起來隔離干擾，同時(shí)在輸入輸出通道加入光耦實(shí)現(xiàn)隔離，在電源的處理上加入掉電處理在發(fā)生意外時(shí)啟動(dòng)備用電源等抗干擾措施。 3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.4.1 編程環(huán)境 飛思卡爾的16位控制器芯片采用稱之為代碼勇士的CodeWarrior軟件作為編程環(huán)境。因

35、此在軟件編寫部分，主要的編程過程在該環(huán)境下完成。該軟件功能強(qiáng)大，下面是編程界面。 3.4.2 軟件系統(tǒng)程序框圖開始是否到下限水位PID控制運(yùn)算上限報(bào)警否是是否到上限水位檢測(cè)液位初始化 下限報(bào)警手動(dòng)操作是3.4.3 數(shù)據(jù)采集與濾波 取采樣周期為5ms， 每次采集液位與蒸汽流量信號(hào)，考慮到液位的波動(dòng)，因此采取使用中位值與平均值結(jié)合的濾波方式對(duì)采樣變送器的數(shù)據(jù)濾波3.4.4 前饋+反饋控制算法系統(tǒng)的簡化圖系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下 由此得到前饋調(diào)節(jié)器的微分方程當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，使用查分代替微分有代入方程 得到差分方程 然后將前饋調(diào)節(jié)器與反饋調(diào)節(jié)器結(jié)合起來，得到整個(gè)控制器的輸出（1） 計(jì)算反饋控制的偏差 e

36、(k) = r(k) y(k) (2) 計(jì)算反饋控制器PID的輸出 (3) 計(jì)算前饋控制的輸出 （4） 得到整個(gè)控制器的輸出 由上面的推導(dǎo)可以得到數(shù)字控制器的輸出函數(shù)3.4.5 各部分程序 限于篇幅，這里只給出關(guān)鍵的算法源文件，沒有給出數(shù)碼管顯示和數(shù)據(jù)存取代碼和相應(yīng)的頭文件 1. MC9S12XS128初始化程序 Init.c #include Include.hextern float PIDError3;extern float zhenQiSample3;extern float qianKuiOut = 0;extern float lastQianKuiOut = 0;extern

37、float lastPIDOutError = 0;void SetBusClock(void) /總線頻率 = 40MHZ CLKSEL = 0X00; PLLCTL_PLLON = 1; SYNR = 0XC0 | 0X04; REFDV = 0x80 | 0x01; POSTDIV = 0x00; _asm(nop); _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK = 1); CLKSEL_PLLSEL = 1;/AD sample initvoid AD_Init(void) /single channel ATD0CTL1 = 0x4f; ATD0CTL2 = 0x4

38、0; ATD0CTL3 = 0x88;/每次轉(zhuǎn)換的次數(shù)為1 ATD0CTL4 = 0x0b;/ATD裝換頻率 1.67MHZ /Timer is used to timevoid PIT_Init(void) PITCE = 0x00; PITMUX = 0x00; PITMTLD0 = 0xc7;/199,計(jì)數(shù)器的初始值 PITLD0 = 0x3e7;/999,timeout = (PITMTLD0 + 1) * (PITLD0 + 1) / 總線頻率/定時(shí)時(shí)間為5ms 用于通道0 PITINTE =0x0f; /通道0使能中斷 PITCFLMT = 0xe1;/Enable PIT Mod

39、ule /Set the IO state void IO_Init(void) DDRJ = 0xff; DDRA = 0xff; DDRB = 0x00; PUCR_PUPKE = 1; DDRK = 0xff; PORTK_PK5 = 0;/ PORTK_PK4 = 0; PTJ_PTJ1 = 0; DDRT_DDRT7 = 0;/串口初始化 波特率 = 9600bit/s 無奇偶校驗(yàn)位， 8位數(shù)據(jù)void SCI_Init(void) SCI0BD = 260; SCI0CR1 = 0x00; SCI0CR2 = 0x0c;void sysIni(void) int i = 0; qi

40、anKuiOut = 0; lastQianKuiOut = 0; lastPIDOutError = 0; for (i = 0; i 3; i+) PIDErrori = 0; zhenQiSamplei = 0; void ALL_Init(void) SetBusClock(); AD_Init(); PIT_Init(); IO_Init(); sysInit();(2) 程序參數(shù)的宏定義 Include.h#ifndef _INCLUDE_H#define _INCLUDE_H#include Sensor.h#include init.h#include /* common de

41、fines and macros */#include derivative.h /* derivative-specific definitions */#include uart.h#include stdtypes.h#include math.h#define SENSOR_NUM 2#define LEVEL_MAX MAX1 /定義液位的最大高度#define LEVEL_MIN MIN1 /定義液位的最小高度/定義PID參數(shù)#define KP 50#define KI 30#define KD 5/定義系統(tǒng)的參數(shù)#define T1 5#define T 5#define T2

42、 1#define Kf 6/定義前饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)#define A1 T1 / (T + T1)#define Bm Kf * T1 * (T + T2) / T2 * (T + T1)#define Bm1 -Kf * T1 / (T + T1)#define SET_LEVEL MaX/PID運(yùn)算限幅#define PIDMAX 5000 #define PIDMIN 0#define QIANKUIMAX 255#define QIANKUIMIN 0void delay(unsigned int delaytime); /1ms timer#endif （4）數(shù)據(jù)采集程序 Senso

43、r.c #include Include.h/第0路表示液位的采樣， 第一路表示蒸汽的流量float AD_result0SENSOR_NUM20 = 0.0;float AD_result1SENSOR_NUM = 0, 0; /*AD 采樣*/float Get_AD(unsigned char num) ATD0CTL5 = num;/start to convert while (!(ATD0STAT0 & 0x80); return ATD0DR0;/*采樣數(shù)據(jù)*/void getOrigSignal() unsigned char i,j,m,n,p; float mid = 0;

44、 float AD_resultSENSOR_NUM=0.0; for(i=0;i20;i+) for(j=0;jSENSOR_NUM;j+) AD_result0ji=Get_AD(j); for (m = 0; m SENSOR_NUM; m+) for (i = 0; i 20; i+) for (j = 0; j AD_resultmj + 1) mid = AD_resultmj; AD_resultmj = AD_resultmj + 1; AD_resultmj + 1 = mid; for(m=0;mSENSOR_NUM;m+) for(n=5;n15;n+) AD_resultm=AD_resultm+AD_result0mn; for(p=0;p 0; i-) zhenQiSamplei = zhenQiSamplei - 1; zhenQiSample0 = AD_result1; zhenQiError1 = zhenQiSample2 - zhenQiSample1; zhenQiError2 = zhenQiSample1 - zhenQiSample0; QianKuiOut = lastQianKuiOut + A1 * qianKuiOutError + Bm * zhenQiError1 + Bm1 * zhe