过程控制液位控制系统

中南大学

《过程控制仪表》课程设计报告

设计题目锅炉液位控制系统

指导老师王莉吴同茂

设计者

专业班级自动化0710

设计日期 2010年6月

目录

第一章过程控制仪表课程设计的目的意义 (1)

1.1 设计目的 (1)

1.2课程在教学计划中的地位和作用 (1)

第二章液位控制系统（实验部分） (2)

2.1 控制系统工艺流程 (2)

2.2 控制系统的控制要求 (4)

2.3 系统的实验调试 (5)

第三章锅炉液位控制系统工艺流程及控制要求 (7)

3.1 控制系统工艺流程 (7)

3.2 设计内容及要求 (8)

第四章总体设计方案 (9)

4.1 设计思想 (9)

4.2 总体设计流程图 (10)

第五章硬件设计 (11)

5.1 硬件设计概要 (11)

5.2 硬件选型 (12)

5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 (14)

第六章软件设计 (16)

6.1 软件设计流程图及其说明 (16)

6.2 源程序及其说明 (17)

第七章系统调试及使用说明 (23)

第八章收获、体会 (24)

参考文献 (25)

第一章过程控制仪表课程设计的目的意义

1.1 设计目的

本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下:

1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；

2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；

3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。

4．通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。

1.2课程设计的基本要求

本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。

课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下:

1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；

2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；

3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。

4．通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。

第二章液位控制系统

2.1 控制系统工艺流程

在复杂的工业过程控制系统中，简单的单回路过程控制系统不能满足性能指标要求时，就要采用复杂的过程控制系统和智能控制策略。液位串级是复杂的过程控制系统，由主、副两个回路组成，每个回路中有各自的调节器和被控对象，即主回路中的调节器称主调节器，被控象为下水槽，作为系统的主被控对象，下水槽的液位为主控制量。副回路中的调节器称副调节器，被控对象为上水槽，为系统副被控对象，上水槽液位为副被控量。

图2-1带连接信号插孔的液位装置工艺模拟流程图

串级控制系统的目的是使系统具有良好的动态性能和稳态性能，确保主被控量的控制质量，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主被控对象的时间常数大于副被控对象的时间常数，因而当主被控量未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对主被控量的影响。此外，如果扰动作用于主被控对象，由于副回路的存在，使副被控对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。

图2-2 液位串级过控系统方框图

H2

H1

2#水箱

U1

主给定Hs

副调节器2 液位压力变

1#水箱

智能调 节器 1

E 1

-Y H2

扰动1

扰动2 U2

压力变送器1

-Y H1

电子阀

主回路

副回路

2.2 控制系统的控制要求

2.2.1双回路串级控制目的

在试验中有主\副两个控制回路，主，副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值Hs，它的 U1作为副调节器的给定值，副调节器的输出u控制执行器，以改变主参数H1。被控对象是两级串联水箱，被控量是水箱的液位Hs，调节参数是流入水箱量Q，水箱液位由液位变送器检测得到也未反馈信号Hf，它和液位设定信号Hs进行比较，得到偏差信号e1，进行PID计算，输出变化控制信号，控制电子阀门的阀位，改变进水量，是被调参数保持在在设定值。

2.2.2 试验中具体要求

(1) 掌握PID控制算法及P、I、D参数的含义及功能；

(2) 用工程的方法（看曲线，调参数）整定调节器控制规律及PID参数，并观

察PID参数对系统动态、静态性能的影响。

(3) 测取液位串级过程控制系统的动态、静态特性；

具体要求：超调量σ＜20%，调节时间Ts≤100s，余差＜5%

2.3.3主回路PID参数整定

由于主回路是一个恒值系统，我们要求其超调量，调整时间，稳态误差等参数都要求较高，

用临界扩充响应曲线法并结合PID试凑法最终整定的参数是

P=50，I=40，D=5

2.3.4副回路PI参数整定

由于主回路是一个随动系统，我们主要要求其跟随速度快，减小副回路的滞后时间，超调量，稳态误差要求相对要低一些，

用临界扩充响应曲线法并结合PID试凑法最终整定的参数是

P=100，I=45，D=3

2.3.5主副回路联调

在联调是，我们要求根据主回路修改目标值SV,系统都具有很好的响应速度快，超调小等动态特性和稳态误差小静态特性，而且调节时间尽可能小。

2.3 系统的实验调试

2.3.1实验仪表装置简介

C:控制器（调节器）。该调器配有三个单回路调节器C1 C2和C3，控制输出信号为4~20mA，每个调节器设有三对插座孔。其中：PV孔为测量值输入，SV孔为外设定输入或反馈信号输入，O为调解器输出。

R:记录仪为无纸3通道记录仪，输出信号4~20mA，其中R1孔为1号通道，R2孔2号通道，R3孔为3通道。

HT：液位变送器。变送输出为4~20mA。

VL：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入4~20mA电流信号，对应阀门输出开度0~100%

V1~2和A1~2：两路电压/电流转换器。

2.3.2具体调试过程

(1)按设计好的线路图接线，确定无误后方可合上电源。

(2)按照课本要求设置PID智能控制调节器控制参数（包括二级参数）。

(3)先设定主、副调节器的控制规律、PID参数。智能调节器1主给定量SV 设为100，智能调节器2设定为外给定。打开手动阀1，回水阀1打开50%，启动水泵1并运行系统。在上位监控系统观察液位串级过程控制系统的输出特性。该系统为复杂系统，用工程的方法反复调整PID参数，直到系统动态、静态特性满足要求为止。

其中PID参数调节按照以下原则

对于液位系统：P（%）20--80，I（分）1--5

参数整定找最佳，从小到大顺序查

先是比例后积分，最后再把微分加

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳

曲线偏离回复慢，积分时间往下降

曲线波动周期长，积分时间再加长

曲线振荡频率快，先把微分降下来

动差大来波动慢。微分时间应加长

理想曲线两个波，前高后低4比1

一看二调多分析，调节质量不会低

(4)记录各个参数

2.3.3各个记录参数

To P I D Kp Ki Kd

主回路3s 50 40 5 2 0.3 5/3

副回路3s 100 45 3 1 2/15 1/2

表2-1pid参数记录

最终调节达到的效果：调节时间90s；超调量0.16；余差0.02

如下图所示给定量Hs为50，观察PID调节过程是否满足要求

第三章锅炉液位控制系统工艺流程及控制要求

3.1 控制系统工艺流程

目前我国的燃烧锅炉的数量众多,我国现有中、小型锅炉30多万台,每年耗媒量占我国原煤产量的四分之一,目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有着明显优势。

单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。一般,工业控制系统的工作环境差,干扰强,利用单片机控制就能克服这些缺点,因此单片机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制锅炉是很好的选择。

使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制,测量温度时采取光电耦合器,实现光电隔离,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位

系统的控制,控制方便且系统稳定性能好；采用压力传感器对压力进行测控，采取压电陶瓷传感器,可大大简化设计方案，系统性能也更稳定；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现蒸汽与给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供气供暖，维持稳定系统，保证安全经济运行。本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种锅炉控制系统，具有较高的实用价值和优越性。

3.2 设计内容及要求

本设计是采用8051单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的锅炉液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时,又用光电式隔离器和压力传感器对锅炉的温度和压力进行检测，CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示示液位高度,检测液位、温度和压力等数据,实施报警安全提示,当锅炉液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵。

水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对锅炉里的水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。

第四章总体设计方案

4.1 设计思想

4.1.1硬件设计思想

系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在锅炉内四个不同的位置，由上至下测量锅炉液

位值,。并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中,在通过3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵,需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。本设计运用了多种传感器,在使用液位传感器测液位的同时,我还选用了光电式传感器和压电式传感器来对锅炉的温度和压力进行测量,因为我们所提到的锅炉常用于供暖,所以温度的检测很重要,至于选用压力传感器主要是出于安全考虑的,压力过大有可能对锅炉造成损害甚至造成爆炸,压力过低会导致锅炉控制系统无法正常运行。

4.1.2软件设计思想

水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对锅炉里的水位进行检测。

本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在充分的情况下进行，可以提高燃烧效率。

4.2 总体设计流程图

总体设计

硬件模块软件模块

图4-1总体设计流程图

第五章硬件设计

5.1 硬件设计概要

锅炉自动控制包括对锅炉的液位，压力，温度等的控制，本系统只侧重于介绍锅炉的液位控制。液位控制是利用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器把液位的状态转换成模拟信号,再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED

进行显示,实现液位报警和键盘显示与控制；其压力控制是通过压电传感器将接受的信号转变成电信号，通过模数转换ADC0809进行转换后与8051单片机接口相连，使其与设定值相比较从而实现压力报警和控制;其温度检测选用的是光电隔离器,实行光电隔离,有利于人员对温度的检测,再通过模数转换器ADC0809进行转换后与8051单片机接口相连，使其与设定值相比较从而实现温度报警；

而本设计主要是对液位进行控制,下图是锅炉液位控制系统。

由上图可观察到传感器通过对液面、温度和压力进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算控制，在通过LED 进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对锅炉的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。

5.2 硬件选型

5.2.1核心芯片8051单片机

计算机芯片MCS-51是一个电脑晶片,英特尔公司生产系列。它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。所出的系列产品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。CPU 是它的核心设备,从功能上看,CPU 包括两个部分:运算器和

控制执行装置

M C U

LED 显示

报警装置

传感器

图5-1锅炉液位控制系统

控制器,它执行对输入信号的分析和处理。

整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4KEPROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够；而8051却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。

图5-1单片机管脚图

5.2.2液位传感器

在锅炉液位控制系统中,传感器的选择是非常重要的,传感器是能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。

传感器的种类很多,有温度传感器,加速度传感器,光学传感器,压力传感器的,本设计主要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器来对液位

3

2IN-026m sb2-1

212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb 2-817IN-42E OC 7IN-53ADD-A 25ADC0809

进行控制，又用光电式传感器和压电式传感器来对温度和压力进行检测,在把检测的电信号输入到单片机进行分析,这个设计的重点是液位的控制,所以下面我要对液位传感器进行设计。

采用的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传感器如下图

1

C

B

A

L E D

1K

1K

GND

5.2.3 ADC0809A/D 转换器

ADC0809是带有8位A/D 转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS 组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D 转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL 输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。

图5-2液位传感器

A

B

C

D

T itle Nu mb er

Re

visio n Size Q L S

SPE AKE R

R

1K

+12

2

3

1

UA 74L S3312

3

UA

2

1D

A 1

B 2

C L K 8C L R

9

74L S164

5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明

硬件电路由报警电路.键盘/显示模块电路.复位电路等电路构成 5.3.1报警电路；下列四种情况发生系统报警：

1)当锅炉达到上限极限水位时报警，炉内的水位到达上限极限水位时系统发出报警；

2)锅炉内压力过高报警，压力传感器检测到锅炉内压力过高与设定值时发出报警;

3)锅炉内压力过低报警，压力传感器检测到锅炉内压力过低与设定值时发出报警;

4)循环泵故障报警，当循环泵开启后，出水与回水温度的差值很大，认为循环泵故障，报警系统报警。

5.3.2键盘/显示模块电路

显示部分我采用三位7段LED 显示器，LED 显示器是单片机应用中最常用的输出部件，它是由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。用LED 是为具有

显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点。

图5-3ADC0809管脚图

图5-4自动报警电路

5.3.3复位电路

8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图2-3。此外，RESET/V pd 还是一复用脚，V cc 掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM 的数据不丢失, 此设计采用自动复位电路。

第六章 软件设计

6.1 软件设计流程图及其说明

图5-5LED 显示电路

图5-6复位电路

补水泵1有故障吗？

水位下限水位吗？

开启补水泵1进行补水

水位检测

Y

N

N

补水泵2工作

Y

开始

返回

检测水位为上限水位吗？

补水泵1停止补水 Y

N

检测水位为上限水位吗？

补水泵2停止补水

Y

N

故障报警

图6-1软件流程图

该系统硬件系统完全，但系统的运算与控制必须靠软件支持，本控制系统采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此软件程序较简单，整个软件部分分为以下几个部分。

6.2 源程序及其说明

6.2.1源程序

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0003h

AJMP MAIN

ORG 000bh

AJMP MAIN

ORG 0013h

AJMP MAIN

ORG 001bh

AJMP MAIN

ORG 0023H

AJMP MAIN

ORG 0030H

MAIN: CLR p3.6

MOV p0,#0ffh

ACALL QL;

MOV 3BH ,#95

MAIN1: MOV 3bh,#95

ACALL SHUICPM ;水位检测子程序] ACALL BAOJING ;报警子程序

ACALL DELAY2

AJMP MAIN1;;;;

BBB1: MOV A,37H

ADD A,#10

CLR C

SUBB A,3BH

JNC OK2;

CLR P2.1;

MOV A,37H

ADD A,#20

CLR C

SUBB A,3BH

JNC OK2

CLR P2.1;

SETB 20H.0

RET

ok2: CLR 20H.0

RET