火电厂锅炉给水控制系统课程设计
课程设计报告
( 2016 -- 2017年度第 2 学期)
名称：计算机控制技术与系统
题目：火电厂锅炉给水控制系统设计
院系：动力工程系
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：1周
成绩：
日期：2017 年7 月7 日
一、锅炉给水系统的国内外应用发展概述
锅炉是能量转换的重要设备，能提供热水或蒸汽，广泛应用于工业生产及生活取暖等各个方面。由于我国经济的不断发展和人们生活水平的不断提高，对能源的需求量不断加大，锅炉的台数也不断增加。锅炉运行状况的好坏直接影响到能源利用率的高低，其中锅炉的自动化水平是影响锅炉工作状况的重要因素之一。改善锅炉的自动化控制策略不仅能提高锅炉的自动化水平，还能有效地节约资源，从而节省大量的人力物力。具体来讲，提高锅炉自动化控制水平的意义在于：
(1)提高锅炉运行的经济性；
(2)提高锅炉运行的安全性；
(3)减少运行人员，提高劳动生产率；
(4)改善劳动条件。
锅炉汽包水位的控制在锅炉的自动化控制中是非常重要的，在锅炉的蒸汽产量、品质及降低能耗、安全生产等方面起着重要的作用。汽包水位是锅炉正常运行的重要指标之一。水位过高，汽水分离装置的正常工作就会受到破坏，严重时会导致蒸汽带水增多，增加过热器管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，水循环遭到破坏，引起冷壁管的破裂，严重时易烧干锅，损坏汽包。由此可见，提高锅炉汽包水位自动控制水平是刻不容缓的问题，这对减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行具有重要的意义。
二、课程设计目的与要求
1.目的：汽包水位是锅炉运行中一个非常重要的被控变量，保证水位在给定范围内对整个机组运行的安全性有重要意义，通过分析锅炉给水系统的控制任务和汽包水位的动态特性，以及常用的控制方案，提出基于AT89S51单片机的水位控制系统，并根据控制要求设计软件方案。通过对水位的实时监控和调节，将汽包水位控制在工艺允许的范围之内。
2.要求：本系统要求控制精度高，可操作性强，安全性高。
三、设计正文
1.引言
锅炉是火力发电厂生产过程中的主要动力设备,汽包水位则是锅炉运行中的一个重要监控参数，是锅炉给水系统安全、稳定运行的主要指标。它反映了锅炉蒸发量和给水流量之间的一种动态平衡关系。
而影响锅炉水位的因素很多,但最主要的还是蒸发量和给水量的波动。汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在一定范围内波动,这对机组的安全、稳定、经济运行有着重要的影响，可以保证锅炉的安全运行，进而减轻工作人员的劳动强度。
2.总体方案设计：三冲量串级给水控制系统以及单片机控制水位系统
2.1 汽包锅炉给水控制系统
图 1 汽包锅炉给水控制系统示意图
汽包水位是锅炉运行的主要指标之一，是一个非常重要的被控量。其任务是使锅炉蒸发量适应给水量，且在一定的范围内使汽包中的水位基本不变，其要求包括以下两个方面:
( 1) 在一定范围内维持汽包水位。
( 2) 保持稳定的给水量。
上述两个任务中，第一个任务尤为重要。实践证明，无论是电站锅炉，或是工业锅炉，用人
工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现给水自动调节。
故给水控制系统应该符合以下基本要求:
(1) 必须采用带比例作用的调节器以保证系统的稳定性。
(2) 引入蒸汽流量的补偿信号来克服“虚假水位”现象对控制系统的不利影响。
(3) 消除内扰。
2.2三冲量串级给水控制系统设计
2.2.1汽包水位的动态特性
影响汽包水位变化的因素主要：蒸汽流量D，给水流量W，汽包压力等。
（1）给水流量W 扰动下的水位特性
由响应曲线图2可知，水位的特性是有延迟，惯性，无自平衡能力。
其传递函数为：
其中：ε——水位响应速度τ——延迟时间
图 2 给水流量 W 扰动下的水位特性
H——实际水位的响应曲线；
H1——仅考虑锅炉贮水量变化的水位响应曲线；
H2——仅考虑锅炉内工质容积溶剂变化引起的水位变化曲线。
（2）蒸汽流量 D 作用下的水位特性
由响应曲线图 3 可知，水位的特性有两部分叠加而成：H=H1+H2.。
其传递函数为：
其中：K2——H2的放大倍数 T2——H2的时间常数
图 3 蒸汽流量 D 作用下的水位特性
H——实际水位的响应曲线；
H1——仅考虑锅炉贮水量变化的水位响应曲线；
H2——仅考虑锅炉内工质容积溶剂变化引起的水位变化曲线。
2.2.2 给水控制方案
由于“虚假水位”现象存在，所以我们选择采用的是三冲量串级给水控制系统设计。
图 4 锅炉汽包给水控制图原理图
由图4 所示，该系统由两个闭合回路构成：
(1)由给水量W、给水流量变送器αW、调节阀和控制器构成了内回路；
(2)内回路与汽包对象G1(S)构成了主回路。在不影响闭合回路工作稳定性的前提
下，为了改善调节质量，在闭合回路外引入了对象G2(S)、分流器αD与蒸汽流量D
图 5 串级三冲量给水控制系统原理方框图
如图 5 所示，控制系统由两个闭合回路及前馈调节部分组成。WD1( s) 表示主回路中的调节对象、γH是水位测量变送器、WT1( s) 是主调节器; G 是副回路的给水流量、γG是给水流量变送器、nG是给水流量信号分压系数、WT2( s) 是副调节器、KZ是执行器、Kf是调节阀; D 是前馈部分蒸汽流量信号、γD蒸汽流量变送器、nD蒸汽流量信号的分压系数。
克服虚假水位：
为克服虚假水位现象,在单冲量原有的控制方式添加主蒸汽流量 D 作为前馈信号,使得该系统可根据扰动优先控制适当调整蒸汽流量, 从而减小“虚假水位”的作用, 提高控制效率, 改善蒸汽负荷扰动下的水位控制品质。串级三冲量通过两个调节器来完成对汽包水位的控制,主调节器采用比例积分控制系统,直接控制汽包水位使其保持在规定值;副调节器采用比例控制系统,保证副调节回路的快速性。主调节器的输出信号和给水流量信号、蒸汽流量反馈信号都作用到副调节器，副调节器的输出则作用至给水调节阀, 改变给水量, 从而使得汽包水位等于给定值。
2.3 单片机控制水位系统设计
采用 89S51 单片机作为控制器， ADC0809 接收传感器送来的三冲量，传换成数字量，通过I/O接口芯片 8255A 发送到 89S51，控制器经过 PID 控制算法得到控制信号，DAC0832 将来自 8255A 的控制信号转化为电压信号，来驱动执行机构，即调节阀，改变水位的大小。
图 6 单片机控制系统设计所需主要原件图
3.给水控制系统PID参数的选择与整定
3.1 主、副回路参数的选择
根据串级三冲量系统的特性, 副调节器采用比例积分快速跟随系统, 用试探的方法选择副调节器的比例带, 以保证内回路不振荡为原则使其具有快速跟踪蒸汽流量及消除内扰的能力。在试探过程中,可将给水流量的传递函数可以设置为任意值, 直到得到满意的比例带值为止。若传递函数需要改变时, 须使该比例带值保持不变, 从而保证内回路快速控制作用的不变。
主回路以给水流量 W 为输入信号,水位变送器的输出为输出信号,且主调节器采用比例积分控制系统。同单调节回路, 采用试探方式选择出比例带, 保证所控制水位的偏差。主回路被控对象阶跃响应曲线由实验求得,并根据试验曲线求得参数。
3.2 蒸汽流量前馈装置传递函数的选择
串级三冲量控制系统中为避免“虚假水位”现象设置前馈装置,提高控制系统质量。且该系统中水位由主控制器控制, 因此蒸汽流量并非要完全等于给水流量,则该前馈装置传递函数
应根据系统中虚假水位现象严重程度确定。通常,使得蒸汽流量信号大于给水流量信号, 从
而改善负荷扰动时控制质量。
蒸汽流量前馈装置传递函数可以下公式计算：
4.基于89S51 单片机水位控制系统的硬件实现
本次设计我们采用AT89S51单片机来控制调节阀开度，所以在设计中，我们对汽包水位，蒸汽流量，给水流量进行采样，将采样数据转化为数字量，然后再将控制信号转化为电压信号，来控制给水调节阀，从而进行给水量的控制。
硬件部分包括控制器 89S51，输入模块，输出模块，键盘显示模块。
4.1 A T89S51单片机输入通道
输入通道采用 ADC080对汽包水位，蒸汽流量，给水流量进行采样，将采样数据转化为数字量，在 89S51通过译码器 74LS138选通扩展 I/O 芯片 8255A 后，其 P0 口作为输入口接收由 8255A输入的数字量。
图 7 AT89S51单片机输入电路原理图
图8 AT89S51单片机输入电路图
4.2 AT89S51单片机输出通道
输出通道为89S51 通过译码器选通 DAC0832后，P0 口作为输出口输出控制信号，DAC0832 将控制信号转化为电压信号，来控制给水调节阀，从而调节给水流量，进而将汽包水位控制
在设定值。
图9 A T89S51单片机输出电路原理图
图10 A T89S51单片机输出电路图
5.基于89S51 单片机水位控制系统的软件设计
5.1数字PID控制算法
数字PID的推导由于数字控制器采用单片机80C51，因此系统中数字控制的设计，实际上是计算机数字PID控制算法的设计。
PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差：
(1.1) 将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID 调节器。
模拟PID调节器的控制规律为：
(1.2) 式中，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。
由于计算机只能识别数字量，不能对连续的PID控制算式直接进行运算，故在计算机控制系
统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。为将模拟PID控制规律按式（1.2）离
散化，我们把（1.1）式中 r(t)、e(t)、u(t)、c(t)在第n次采样的数据分别用 r(k)、e(k)、
u(k)、c(k)表示，于是式（1.1）变为：
(1.3)
当采样周期T很小时dt可以用T近似代替，de(t)可用e(n)-e(n-1)近似代替，
即可作如下近似：
（1.4）
（1.5）
式（1.2）便可离散化以下差分方程：
（1.6）
由于（1.6）的输出量u(n)为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此,式（1.6）又称为位置型PID算式。
由（1.6）可看出，位置型PID控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e(i),不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（1.6）进行改进。
根据式（1.6）不难看出u(n-1)的表达式，即
（1.7）
将式（1.6）和式（1.7）相减，即得数字PID增量型控制算式为
（1.8）
式中： K(p)称为比例增益； KI=KP T/TI 称为积分系数； KD=KP TD/T称为微分系数。5.2 软件部分的程序编写
软件部分主要包括主程序和中断服务程序。
5.2.1 主程序
主程序包括 89S51 的初始化，8255A 的初始化，ADC0809 和DAC0832 的启动，以及 PID 控制算法。
主程序流程图如下：
图11 主程序流程图
5.2.2 中断处理程序
中断处理程序主要是 ADC0809 的转换程序，采取3个通道的分时转换。8255A 的 C 口的PC0，PC1，PC2 连接 ADC0809 的地址线 A，B，C，选通要转换的通道。PC7 连接转换结束信号EOC，通过检测 PC7 是否为 1 来判断是否转换结束。
中断处理程序流程图如图：
图 12 中断处理程序流程图
四、课程设计总结
在此次课程设计的过程中，我翻阅了许多与课题相关的书本和论文，学习了微机原理，计算机控制系统，单片机，过程控制，自动控制等课程方面的知识，扩充了自己的知识库，也进一步学习熟悉了各种例如MATLAB，PROTEUS,VISIO等工程软件的运用，提高了动手能力。下面是我对此次课程设计的总结：
目前,我国大型火力发电机组普遍采用大型汽包锅炉,其给水控制迟延和惯性较大。而锅炉汽包水位控制系统的控制效果的好坏直接决定了锅炉给水质量的高低，关系到安全生产，也反映出锅炉自动化控制水平的高低。
我们认为控制系统的性能标准是：控制精度高，可操作性强，安全性高。所以锅炉汽包水位控制一般采用串级三冲量给水控制系统,以获得好的汽包水位质量。
本次课程设计通过对系统的动态特性和稳定特性进行了分析研究，设计了 PID 控制器，并对其进行了仿真分析；然后通过对给水系统控制任务和控制对象动态特性的分析，采用89S51 单片机作为控制器， ADC0809 接收传感器送来的三冲量，传换成数字量，通过 I/O 接口芯片 8255A 发送到 89S51，控制器经过 PID 控制算法得到控制信号，DAC0832 将来自8255A 的控制信号转化为电压信号，来驱动执行机构，改变水位的大小。采用 89S51 单片机使该水位控制系统可以保证系统的安全运行，减轻了运行人员的工作强度。
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