液位過程控制課程設計

1、<p><b>　　《過程控制儀表》</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　設計題目 液位控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　指導老師 </p><p>　　設計者

2、 </p><p>　　專業(yè)班級 自動化09級05班02號 </p><p>　　設計日期 2012年5月 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 過程控制儀表設計的目的意義1</p>

3、<p>　　1.1 設計目的1</p><p>　　1.2 課程在教學計劃中的地位和作用2</p><p>　　第二章 液位控制系統(tǒng)實驗控制設計與調(diào)試3</p><p>　　2.1 液位控制系統(tǒng)的工藝及控制要求3</p><p>　　2.2 液位系統(tǒng)控制實驗方案設計5</p><p>　

4、　2.3 系統(tǒng)調(diào)試與控制效果7</p><p>　　第三章 火力發(fā)電氣泡水位控制系統(tǒng)設計8</p><p>　　3.1 火力發(fā)電廠生產(chǎn)工藝及控制要求 8</p><p>　　3.2 系統(tǒng)總體方案設計9</p><p>　　3.3 系統(tǒng)硬件設計11</p><p>　　3.4 系統(tǒng)軟件設計14&

5、lt;/p><p>　　第四章 收獲、體會和建議16</p><p>　　參考文獻 </p><p>　　過程控制儀表設計的目的意義</p><p><b>　　1.1 設計目的</b></p><p>　　本課程設計是為《過程控制儀表》課程而開設的綜合實踐教學環(huán)節(jié)，是對《現(xiàn)代檢測技術》、

6、《自動控制理論》、《過程控制儀表》、《計算機控制技術》等前期課堂學習內(nèi)容的綜合應用。其目的在于培養(yǎng)學生綜合運用理論知識來分析和解決實際問題的能力，使學生通過自己動手對一個工業(yè)過程控制對象進行儀表設計與選型，促進學生對儀表及其理論與設計的進一步認識。其主要是設計工業(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)，使學生將理論與實踐有機地結合起來，有效的鞏固與提高理論教學效果。</p><p>　　1.2課程在教學

7、計劃中的地位和作用</p><p>　　課程設計對過程控制課程有重要的實踐意義，可以加深學生對所學知識的理解與運用。主要的內(nèi)容是通過對典型工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的典型工藝參數(shù)的測量方法、信號處理技術和控制系統(tǒng)的設計，掌握測控對象參數(shù)檢測方法、變送器的功能、測控通道技術、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，進一步加強對課堂理論知識的理解與綜合應用能力，進而提高學生解決實際工程問題的能力?；疽?/p>

8、如下: </p><p>　　1. 掌握變送器功能原理，能選擇合理的變送器類型型號；</p><p>　　2. 掌握執(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；</p><p>　　3. 掌握PID調(diào)節(jié)器的功能原理，完成相應的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)的總體設計，并畫出控制系統(tǒng)的原理圖和系統(tǒng)主要程序框圖。</p><p>　

9、　4． 通過對一個典型工業(yè)生產(chǎn)過程進行分析，并對其中的一個參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位）設計其控制系統(tǒng)。</p><p>　　以上的課程設計要求充分地結合了教材理論知識，將理論上的常用工程設計過程運用到了課程設計之中。從整個系統(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有機地結合起來了，使學生要選定一個具體的工藝過程控制，從底層基本的器件選型到頂層高級的目標控制一步步實現(xiàn)，使我們體會到一個系統(tǒng)

10、的具體構建過程，體驗了過程控制系統(tǒng)的基本設計思路，提高了系統(tǒng)設計能力?？梢?，課程設計對我們學習這門課有著啟發(fā)性與重大的指導性意義。</p><p>　　第二章 液位控制系統(tǒng)實驗控制設計與調(diào)試</p><p>　　2.1 液位控制系統(tǒng)的工藝及控制要求</p><p>　　1.液位控制系統(tǒng)的工藝</p><p>　　該裝置由三個大小相同的容器、

11、液位檢測變送儀表以及執(zhí)行機構組成，儀表屏上配有帶連接信號插座孔的整個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</p><p><b>　　圖2.1</b></p><p>　　圖2.1中具體符號含義如下</p><p>　　C：控制器(t調(diào)節(jié)器)。該裝置配有三個單回路調(diào)節(jié)器C1，C2，C3，控制輸出信號為4~20

12、mA</p><p>　　PV為測量值輸入，SV為外給定輸入或者閥位反饋信號輸入，O孔為調(diào)節(jié)器輸出。</p><p>　　R：記錄儀為無紙記錄儀，輸入4~20mA，分為R1~R3三個通道</p><p>　　HT:液位變送器。液位變送器為LSRY或LSRT，1#~3#輸入量程均為0~100mH0，變送器輸出為4~20mA。</p><p>　

13、　VL：電子調(diào)節(jié)閥為電子小流量調(diào)節(jié)閥，電動調(diào)節(jié)閥輸入為4~20mA電流信號，對應調(diào)節(jié)閥輸出開度為0~100%。</p><p>　　V1~2與I1~2:兩路電壓/電流轉換器。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。</p><p>　　三級串聯(lián)水箱由三個水箱組成，穩(wěn)壓水由兩路經(jīng)過電動調(diào)節(jié)閥VL1和VL2以及手動閥V1~V6， 分別流入三個水箱,調(diào)節(jié)閥VL

14、1和VL2可以作為控制回爐的執(zhí)行機構，另一個用于產(chǎn)生干擾信號。通過使用不同的控制執(zhí)行機構與手動閥，結合具體的控制水箱的液位，就可以構成一階，二階和三階系統(tǒng)。</p><p>　　2.液位控制系統(tǒng)控制要求</p><p>　　在具體確定控制參數(shù)時，可以使用以下方法</p><p>　　(1) 掌握PID控制算法及P、I、D參數(shù)的含義及功能；</p>&l

15、t;p>　　(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</p><p>　　察PID參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)性能的影響。</p><p>　　(3) 測取液位串級過程控制系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性；</p><p>　　體現(xiàn)在不同的控制系統(tǒng)中有如下具體要求：</p><p>　　超調(diào)量σ＜20%，調(diào)節(jié)時間Ts≤10

16、0s，穩(wěn)態(tài)誤差，在實際確定控制系統(tǒng)的性能時，可以根據(jù)具體情況確定控制性能。</p><p>　　2.2液位系統(tǒng)控制實驗方案設計</p><p>　　根據(jù)具體的控制對象的要求，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)。</p><p><b>　　1.單回路控制系統(tǒng)</b></p><p>　　單回路控制系統(tǒng)

17、由以下四個部分組成： （1）被控對象-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 </p><p><b>　　擾動 </b></p><p><b>　　圖2

18、.2</b></p><p>　　系統(tǒng)被控制量是水箱的液位Hs，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得到液位反饋信號Hf，它和液位設定信號進行比較，得到偏差信號Hi，調(diào)節(jié)器對輸入偏差Hi進行PID運算， 輸出變化量u控制信號， 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保持在設定值，系統(tǒng)中f為給定信號。根據(jù)實驗裝置，結合具體的控制對象的液位可以構成一階與二階系統(tǒng)。</p

19、><p>　　2. 雙回路控制系統(tǒng)</p><p>　　串級PID控制是將兩個PID控制器串聯(lián)在一起，控制一個執(zhí)行閥，實現(xiàn)定值控制。圖2.3是水箱液位串級控制系統(tǒng)的方框圖。有主副兩個控制回路，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控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)H1.</p><p>　　在大多數(shù)情況下，主回

20、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是作用在主對象上的擾動，f2是作用在副回路上的擾動。液位串級控制系統(tǒng)具有兩個調(diào)節(jié)器，兩個閉環(huán)，與兩個執(zhí)行對象，由于著眼點不同，兩個調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律選擇不一樣，設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)的作用，對副變量沒有嚴格的要求。正是因為采用了串級控制，使得

21、控制系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能相對單回路控制系統(tǒng)而言有很大的優(yōu)勢，不過控制回路較復雜。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)調(diào)試與控制效果</p><p>　　2.3.1 單回路控制系統(tǒng)</p><p><b>　　1.一階控制系統(tǒng)</b></p><p>　　對于一階控制系統(tǒng)，根據(jù)液位控制系統(tǒng)的特點采用PI控制，根據(jù)P與I

22、的控制特點，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)實際的響應曲線再把P與I 逐漸調(diào)小，以此來達到我們的控制效果。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)時間為90s，超調(diào)量為0.05</p><p><b>　　得到的響應曲線如下</b></p><p><b>　　2.二階控制系統(tǒng)</b>&

23、lt;/p><p>　　根據(jù)具體的水箱裝置可知二階系統(tǒng)具有一定的時滯性，故在PI的基礎上加上D控制，結合一階控制系統(tǒng)的控制規(guī)律，觀察實際的水位響應曲線，不斷改進參數(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)時間為85s， 超調(diào)量為4%，響應曲線如下</p><p>　　2.3.2 雙回路控制系統(tǒng)</p><p>　　由于主回路是一個恒值系統(tǒng)，我們要

24、求其超調(diào)量，調(diào)整時間，穩(wěn)態(tài)誤差等參數(shù)都要求較高，而副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，副回路是對系統(tǒng)起著一個粗調(diào)的作用，對副回路變量沒有嚴格的要求，對副回路只需采用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，首先適當給定主回路的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，我們確定了比例度為50， 然后固定該參數(shù)，根據(jù)P,I與D的控制特點，用臨界擴充響應曲線法并結合PID試湊法最終整定主回路的控制參數(shù)，

25、經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，觀察響應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)時間為50S，超調(diào)量為3.6%，響應曲線如下</p><p>　　在調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的參數(shù)，基本的原則如下</p><p>　　參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查</p><p>　　先是比例后積分，最后再把微分加</p><p>　　曲線振蕩很頻繁，比

26、例度盤要放大</p><p>　　曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳</p><p>　　曲線偏離回復慢，積分時間往下降</p><p>　　曲線波動周期長，積分時間再加長</p><p>　　曲線振蕩頻率快，先把微分降下來</p><p>　　動差大來波動慢。微分時間應加長</p><p>　　理

27、想曲線兩個波，前高后低4比1</p><p>　　一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低</p><p>　　通過對參數(shù)的調(diào)節(jié)，加深了對P，I，D的作用的認識，同時也積累了在工程實際中如何具體來調(diào)節(jié)P,I,D參數(shù)的經(jīng)驗。</p><p>　　第三章 火力發(fā)電氣泡水位控制系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1 火力發(fā)電廠生產(chǎn)工藝及控制要求</p

28、><p>　　3.1.1 火力發(fā)電廠生產(chǎn)工藝</p><p>　　在火力發(fā)電廠，最基本的工藝過程是用鍋爐生產(chǎn)蒸汽，使汽輪機運轉，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。鍋爐控制是火力發(fā)電生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分。它的主要任務是根據(jù)負荷設備（汽輪機）的需要，供應一定規(guī)格（壓力、溫度、流量和純度）的蒸汽。 </p><p>　　其主要的結構原理圖如下。</p><p&g

29、t;　　1－汽輪機高壓缸；2－汽輪機中、低壓缸；3－汽包；4－爐膛；5－煙道；6－發(fā)電機；7－冷凝器；8－補充水；9－凝結水泵；10－循環(huán)水泵；11－低壓加熱器；12－除氧器；13－給水泵；14－高壓加熱器；15－給水調(diào)節(jié)機構；16－省媒器；17－過熱器；18－減溫器；19－汽機高壓調(diào)汽門；20－再熱器；21－再熱器減溫器；22－汽機中壓調(diào)汽門；23－媒粉倉；24－燃料量控制機構；25－噴燃器；26－送風機；27－空氣預熱器；28－調(diào)風

30、門；29－水冷壁管；30－引風機；31－煙道擋板。</p><p>　　由此可知，在火力發(fā)電廠中，鍋爐是整個系統(tǒng)的核心，對鍋爐的壓力，溫度，液位控制至關重要，它直接影響到發(fā)電廠的經(jīng)濟效益，進而影響到國民經(jīng)濟的發(fā)展與進步，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計控制系統(tǒng)對鍋爐的液位進行控制。</p><p>　　3.1.2 控制要求</p><p&

31、gt;　　1、供給蒸汽量適應負荷變化需要或者保持給定負荷；</p><p>　　2、鍋爐供給用汽設備的蒸汽壓力應當保持在一定的范圍內(nèi)；</p><p>　　3 、過熱蒸汽溫度保持在一定范圍；</p><p>　　4、汽包水位保持在一定范圍；</p><p>　　5、保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全性；</p><p>　　6

32、 、爐膛負壓保持在一定的范圍內(nèi)。</p><p>　　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允許范圍內(nèi)，是控制的主要指標，也是鍋爐能提供符合質(zhì)量要求的蒸汽負荷的必要條件。</p><p>　　3.2系統(tǒng)總體方案設計</p><p>　　根據(jù)具體的控制的鍋爐控制對象，由于與鍋爐有關的控制量涉及蒸汽，給水量，鍋爐水位，通過查閱資料，我得到以下三種

33、控制方案。</p><p>　　方案一: 單回路控制系統(tǒng)</p><p>　　以鍋爐汽包水位為被控參數(shù)、給水流量為控制參數(shù)構成的單回路控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結構簡單、設計方便，缺點是克服給水自發(fā)性干擾和負荷干擾的能力差最典型的問題就是虛假水位問題。</p><p>　　方案二 前饋加反饋控制系統(tǒng)</p><p>　　在單回路控制系統(tǒng)的基礎之上

34、，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出來，作為前饋控制量，就可以使調(diào)節(jié)閥動作準確及時，減小水位的波動，改善控制質(zhì)量，提高鍋爐液位穩(wěn)定性能?？刂葡到y(tǒng)的方框圖如圖3.1</p><p><b>　　圖3.1</b></p><p>　　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)是被控對象擾動通道的

35、傳遞函數(shù)。是被控對象主回路通道的傳遞函數(shù)</p><p>　　方案三 前饋+串級控制系統(tǒng)</p><p>　　由于該方案對負荷干擾有很強的抑制作用，但是對水位的干擾很弱，因此可以在前饋+反饋控制系統(tǒng)的基礎之上再對給水閥加一個回路實現(xiàn)對給水閥中水的流量進行控制，這樣的話整個系統(tǒng)抗干擾能力大大增強，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)場廣泛采

36、用的汽包水位控制方案。在這個控制系統(tǒng)中，由主、副兩個調(diào)節(jié)器和三個控制量（汽包水位、蒸汽流量、給水流量）構成。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。這樣，整個控制系統(tǒng)的性能大大提高，但是系統(tǒng)的復雜性加大，系統(tǒng)的方框圖如圖3.2</p><p><b>　　Hr(s)</b></p><p>　　根據(jù)以上三種設計方案，綜合實際情況，我們

37、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觀整個控制系統(tǒng)，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換成標準的1~5V電壓信號給控制器，控制器采樣后按照方案二的框圖運算后得到控制閥門的控制量，并由D/A轉換后送給執(zhí)行機構，驅動執(zhí)行機構來控制送水閥門的相應開度，從而實現(xiàn)使液位保持在一定的范圍內(nèi)。達到控制目的。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　

38、3.3.1 硬件總體概要</p><p>　　近年來，隨著微電子技術與計算機技術的迅速的發(fā)展， 在鍋爐的控制系統(tǒng)上也引入了數(shù)字控制，采用了鍋爐的微機控制，它是計算機軟件、硬件、自動控制理論、節(jié)能技術等技術結合的產(chǎn)物。采用微機控制與原有的儀表結合對工業(yè)中的鍋爐控制有著姣好的效果。因此，在選擇控制器時，對比市場上常見的PLC，各種模擬調(diào)節(jié)器，我采用了適合用控制的單片機，單片機是在一塊芯片上集成了一片微型計算機所需的C

39、PU、存儲器、輸入、輸出等部件。單片機自問世以來,性能不斷提高和完善,體積小、速度快、功耗低的特點使它的應用領域日益廣泛。因此，使用單片機高效實時的控制特點可以完全實現(xiàn)控制目的。</p><p>　　由于鍋爐控制是一個安全性很高的系統(tǒng)，因此，我們在控制的時候必須要嚴格監(jiān)控系統(tǒng)運行時的各項性能指標，故在硬件設計的時候，除了要有相應的控制還要有其他的輔助設備。在硬件設計中，我加上了液位報警，數(shù)碼管顯示，串口，SD卡數(shù)

40、據(jù)存取，上位機調(diào)試，手動操作。由此得到系統(tǒng)硬件簡圖如圖3.1</p><p><b>　　圖3.1 </b></p><p>　　3.3.2 具體器件選擇與電路設計</p><p><b>　　1..控制器選擇</b></p><p>　　考慮到8位單片機的功能上的限制，我沒有選擇MCS-51系列的

41、單片機，并且根據(jù)我平時經(jīng)常使用過的單片機，對鍋爐液位控制系統(tǒng)，從微控制器的價格，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MC9S12XS128，這塊芯片的功能很強大，其芯片引腳如圖3.2</p><p><b>　　圖3.2</b></p><p>　　飛思卡爾這塊芯片價格便宜，資源豐富。有豐富的I/O口，其主要有以下幾個特點</p>&

42、lt;p>　　端口A, B 和K 作為一般的I/O口使用</p><p>　　端口E作為, 中斷輸入</p><p>　　端口T作為1路定時器模塊</p><p>　　端口 S 作為2路SCI與1路SPI模塊使用</p><p>　　端口M作為一路MSCAN使用</p><p>　　端口P作為PWM輸出</

43、p><p>　　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</p><p>　　端口AD是16路的AD采樣模塊，可以通過軟件設置采樣精度</p><p>　　內(nèi)部帶有鎖相環(huán)，可以實現(xiàn)對外部晶振的幾倍頻率。</p><p>　　正是由于XS128這塊芯片的豐富資源，可以方便我來設計控制系統(tǒng)，且通過設置鎖相環(huán)可以設置總線頻率為80MH

44、Z，因此，可以使用C語言來進行編程，一樣可以實現(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計者的編程負擔。</p><p>　　MC9S12XS128芯片的外圍設備也很簡單，除了為芯片提供電源外，只需設置復位電路，晶振電路以及下載程序口即可，下面圖3.3是單片機的最小系統(tǒng)圖</p><p><b>　　圖3.3</b></p>

45、<p>　　在最小系統(tǒng)配置后，單片機就可以工作了，下面就是其他的電路設計。</p><p>　　2.蒸汽流量變送器器選擇</p><p>　　在鍋爐控制系統(tǒng)中，要實現(xiàn)前饋控制，抑制負荷變化導致的水位的變化，必須要檢測鍋爐產(chǎn)生的蒸汽的流量。由于鍋爐在工作時，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

46、渦街流量計。</p><p>　　LUGB型渦流街流量計根據(jù)卡門渦街原理測量氣體，蒸汽或者液體的體積流量、標況的體積流量或者質(zhì)量流量的體積流量計。廣泛用于各種行業(yè)氣體、液體、蒸汽流量的測量。它也可以測量含有微小顆粒，雜質(zhì)的渾濁液體，并可以作為流量變送器用于自動化控制系統(tǒng)中的測量中</p><p>　　LUGB型渦流街變送器為放保型，符合GB3836-2000<爆炸性環(huán)境用防爆電氣設備

47、>中的有關規(guī)定，防爆標志為”ExiaIICT6”, 該儀表適用于工廠C級T6組及其以下的防爆場所。根據(jù)鍋爐實際的工作環(huán)境，選擇LUGB型渦流街計量計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)。</p><p>　　●公稱口徑： DN10～DN500</p><p>　　●測量介質(zhì)： 氣體、液體、蒸氣</p><p>　　●可測介質(zhì)溫度： -40℃～1

48、50℃；-40℃～280℃；-40℃～350℃；-40℃～450℃</p><p>　　●公稱壓力： 2.5MPa（>2.5 MPa協(xié)商供貨）</p><p>　　●精度等級： 1級，0.5級（注：0.5級量程范圍≥1：7）</p><p>　　●輸出信號： ① 電壓脈沖：低電平≤1V，高電平≥6V，脈沖寬0.4ms，負載電阻>150Ω</p>

49、;<p>　?、?4—20mA轉換精度±0.5%滿度值，負載電阻19V—350Ω，24V—500Ω，30V—750Ω</p><p>　?、?現(xiàn)場液晶顯示：瞬時流量6位顯示，（m3/h或kg/h，t/h），轉換精度±0.1%；累計流量8位顯示，（m3，kg，t），轉換精度±0.1%</p><p>　　●供電電源： ① 電壓脈沖輸出：+12VDC

50、或+24VDC</p><p>　?、?4—20mA輸出：+19VDC—+30VDC</p><p>　　③ 現(xiàn)場液晶顯示：電池供電3.6V，1節(jié)1號鋰電池，使用壽命大于3年；外部供電+12VDC或+24VDC可實現(xiàn)帶背光的液晶顯示（訂貨注明）</p><p>　　●環(huán)境溫度： ① 電壓脈沖輸出：-30℃—+65℃</p><p>　　② 4

51、—20mA輸出：-10℃—+55℃</p><p>　?、?現(xiàn)場液晶顯示  -25℃—+55℃</p><p>　　●防爆標志： ExiaIIBT6</p><p>　　●表體材料： 1Cr18Ni9Ti(其它材料協(xié)議供貨)；45號鋼（法蘭連接型）</p><p>　　●全智能型儀表：① 輸出信號：標態(tài)的體積流量或質(zhì)量流量</

52、p><p>　?、?現(xiàn)場液晶顯示：循環(huán)顯示6位瞬時流量、壓力、溫度；8位顯示累積量</p><p><b>　　3.液位變送器選擇</b></p><p>　　為了測量鍋爐氣泡的液位，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，

53、綜合產(chǎn)品性能與價格，我選擇了CR-6031智能鍋爐氣泡液位計。CR-6031/2系列智能電容式鍋爐汽包液位計，是基于電容測量原理的液位計。它采用斷層掃描技術，通過測量分析桶內(nèi)的液態(tài)，氣態(tài)介質(zhì)的介電常數(shù)，補償溫度、壓力等變化帶來的影響。經(jīng)過微處理器運算處理后輸出符合工業(yè)標準的4-20mA電流信號，下面是該變送器的主要技術特點。</p><p>　　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

54、）下液位準確連續(xù)測控功能；3、采取斷層掃描技術，能夠對液態(tài)、汽態(tài)介質(zhì)的介電常數(shù)變化連續(xù)測量補償；4、長期穩(wěn)定性好；5、經(jīng)C E 認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；</p><p>　　技術指標●工作電壓： 最大：28V     最?。?0V●電 流 環(huán)：兩線制4.00mA ～ 20.00mA（±

55、;0.5%）●防爆等級：ExiaIICT6 （-40℃～70℃）  ExiaIICT1-5 （-40℃～85℃）●防爆參數(shù)：Ui=30V,Ii=100mA ,Pi=0.75W  Ci=100pF,Li=10uH   ●工作壓力：22MPa  max●測量范圍：1500mm        &#

56、160;                        ●測量周期：0.5秒           

57、      ●環(huán)境溫度：-40℃～65℃ （ExiaIICT1-T5）           ●介質(zhì)溫度：500℃ max.            ●防護等級: IP65。&#

58、160;</p><p>　　由變送器的性能指標可知，變送器完全可以測量火電廠鍋爐的液位，滿足控制系統(tǒng)的測量要求</p><p><b>　　4.控制閥的選擇</b></p><p>　　根據(jù)過程控制儀表中的理論知識知控制閥有氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥和液動調(diào)節(jié)閥。氣動調(diào)節(jié)閥已壓縮空氣為能源的執(zhí)行器。其特點是結構簡單，輸出推力大，價格便宜，性能穩(wěn)定

59、，價格便宜和本質(zhì)安全防爆等。電動調(diào)節(jié)閥是以電位能源的，它的主要特點是能源取用方便，信號傳輸速度快，距離遠，便于集中控制，停電時能夠保持原位不動，靈敏度與精度要求高等。而液動調(diào)節(jié)閥一般很小使用。在選擇的時候可以從以下三個反面考慮:閥孔徑的選擇，氣開氣關形式的選擇和流量特性的選擇。對于流量特性有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，這個是根據(jù)實際鍋爐的大小。

60、閥門氣開氣關的選擇原則是當控制信號中斷時，閥門的復位位置能使工藝設備處于安全狀態(tài)，因此對于鍋爐控制閥門時為保證失控狀態(tài)時鍋爐的安全，給水閥應選氣關式，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，綜合使用的價格，可靠性和性能，我選擇了武漢欣裕瑞控制閥有限公司DKV系列型的電動調(diào)節(jié)閥。它是一種角行程調(diào)節(jié)式閥門,它與電子式電動執(zhí)行機構配套使用,可實現(xiàn)對鍋爐水量的精確控制。多種閥芯結</p><p&g

61、t;　　-公稱通徑：DN25～DN400</p><p>　　-公稱壓力：1.6、4.0、6.4MPa、ANSI150、300(Lb)、JIS10、20K</p><p>　　-電    源：220ACV</p><p>　　-控制信號：4～20mA      0～5V</p>

62、;<p>　　-輸出信號：4～20mA      0～5V</p><p>　　-基本誤差：≤0.5%</p><p>　　-死    區(qū)：≤0.3%</p><p>　　-結構形式：V型缺口鑄造球體</p><p>　　-連接形式：法蘭連接：JB7

63、9-59</p><p>　　-填    料：PTFE、石墨</p><p>　　-環(huán)境溫度：-20℃～60℃</p><p>　　-閥體材質(zhì)： (1)WCB  (2)304  (3)316  (4)316L</p><p>　　-閥芯材質(zhì)： (1)304  &#

64、160; (2)316  (3)316L</p><p>　　-溫度范圍：-40℃～120℃   (高溫可定制)</p><p>　　-介質(zhì)溫度：-40～120℃   -40～400℃</p><p>　　-密封材料：聚四氟乙烯(常溫)、特制PPL(高溫)</p><p>　　-泄 漏 量：0

65、 符合ANSIB16.104 5級標準</p><p>　　-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)等需要對流量精確控制的應用場合。</p><p>　　由電動調(diào)節(jié)閥的性能指標知該調(diào)節(jié)閥對于火電廠的鍋爐液位控制是完全可以達到要求。</p><p>　　5. D/A轉換與電流與電壓的轉換</p><p>　　為

66、了達到相應的精度與轉換的快速性，采用12位逐次逼近型D/A轉換芯片DAC1210，由于只有一塊芯片，并且單片機具有豐富的I/O資源，故可以把芯片直接接成直通的方式。4~20mA電流到電壓1~5V的轉換可以采用250歐的精密電阻實現(xiàn)1~5V的轉換，至于D/A轉換輸出后將電壓轉換成電流可以使用集成芯片AD694下面是電路原理圖</p><p><b>　　圖3.8</b></p>

67、<p><b>　　圖3.9</b></p><p><b>　　圖3.10</b></p><p><b>　　7. 報警顯示</b></p><p>　　當鍋爐達到上下限極限水位時報警，可以使用單片機的一個I/0口實現(xiàn)對電鈴的控制.使電鈴在水位達到上下限時發(fā)出不同頻率的報警聲音來區(qū)分是水

68、位上限還是下限。電路原理圖如圖3.7</p><p><b>　　圖3.7</b></p><p><b>　　8.數(shù)碼管顯示</b></p><p>　　可以實時將鍋爐內(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</p><p><b>　　圖3.4&l

69、t;/b></p><p><b>　　串口調(diào)試與SD卡</b></p><p>　　在調(diào)節(jié)PID參數(shù)的時候，需要實時了解系統(tǒng)的響應，為了方便調(diào)試，可以通過一個串口將控制器與上位機PC機聯(lián)系起來，實時監(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通信方式來實現(xiàn)通信。其電路原理圖如圖3.5</p><p><b&g

70、t;　　圖3.5</b></p><p>　　在數(shù)據(jù)存取方面為了得到系統(tǒng)的實時數(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)運行的動態(tài)數(shù)據(jù)。其電路原理圖如下</p><p><b>　　電源模塊</b></p><p>　　電源是整個控制系統(tǒng)的核心，由于在工業(yè)鍋爐現(xiàn)場存在各種干擾，因此在制作控制板時，必須對電源要有一個很好

71、的設計，這樣才能保證整個控制系統(tǒng)的正常運行。對PCB板上的各種芯片我沒有使用開關電源，而是使用了線性穩(wěn)壓芯片。目的是進一步減小諧波的干擾。此外，根據(jù)各種儀表的電源供應情況知，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， 對于10V直流，使用了LM2941

72、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到10V，上面的穩(wěn)壓芯片的最大輸出電流可達1A，驅動能力強，輸入輸出的壓差比較小，只有1V左右.對于24V直流，我沒有自己制作，而是選擇了買一個輸入220V AC輸出24V DC 的電源。圖3.12是24V穩(wěn)壓到3.3V的原理圖</p><p><b>　　圖3.12</b></p><p>　　圖3.13是24V穩(wěn)壓到5V

73、的原理圖，用于為單片機提供電源</p><p><b>　　圖3.13</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　圖3.14</b></p><p>　　為了充分抑制干擾，在PCB制作后，

74、可以用金屬外殼將板子封裝起來隔離干擾，同時在輸入輸出通道加入光耦實現(xiàn)隔離，在電源的處理上加入掉電處理在發(fā)生意外時啟動備用電源等抗干擾措施。</p><p>　　3.4 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　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。該軟件功能強大，下面是編程

75、界面。</p><p>　　3.4.2 軟件系統(tǒng)程序框圖</p><p>　　3.4.3 數(shù)據(jù)采集與濾波</p><p>　　取采樣周期為5ms， 每次采集液位與蒸汽流量信號，考慮到液位的波動，因此采取使用中位值與平均值結合的濾波方式對采樣變送器的數(shù)據(jù)濾波</p><p>　　3.4.4 前饋+反饋控制算法</p><p&

76、gt;<b>　　系統(tǒng)的簡化圖</b></p><p>　　系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下 </p><p>　　由此得到前饋調(diào)節(jié)器的微分方程</p><p>　　當采樣頻率足夠高時，使用查分代替微分有</p><p>　　代入方程 得到差分方程</p><p>　　然后將前饋調(diào)節(jié)器與反饋調(diào)節(jié)器結合起來，

77、得到整個控制器的輸出</p><p><b>　　計算反饋控制的偏差</b></p><p>　　e(k) = r(k) – y(k)</p><p>　　(2) 計算反饋控制器PID的輸出</p><p>　　(3) 計算前饋控制的輸出</p><p>　?。?） 得到整個控制器的輸出<

78、/p><p>　　由上面的推導可以得到數(shù)字控制器的輸出函數(shù)</p><p>　　3.4.5 各部分程序</p><p>　　限于篇幅，這里只給出關鍵的算法源文件，沒有給出數(shù)碼管顯示和數(shù)據(jù)存取代碼和相應的頭文件</p><p>　　1. MC9S12XS128初始化程序 Init.c</p><p>　　#include &

79、quot;Include.h"</p><p>　　extern float PIDError[3];</p><p>　　extern float zhenQiSample[3];</p><p>　　extern float qianKuiOut = 0;</p><p>　　extern float lastQianKuiOu

80、t = 0;</p><p>　　extern float lastPIDOutError = 0;</p><p>　　void SetBusClock(void) //總線頻率 = 40MHZ</p><p><b>　　{</b></p><p>　　CLKSEL = 0X00;</p><p&

81、gt;　　PLLCTL_PLLON = 1;</p><p>　　SYNR = 0XC0 | 0X04;</p><p>　　REFDV = 0x80 | 0x01;</p><p>　　POSTDIV = 0x00;</p><p>　　_asm(nop);</p><p>　　_asm(nop);</p>

82、;<p>　　while(!(CRGFLG_LOCK == 1));</p><p>　　CLKSEL_PLLSEL = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//AD sample init</p><p>　　void AD_Init(void) </p>&l

83、t;p><b>　　{</b></p><p>　　//single channel</p><p>　　ATD0CTL1 = 0x4f;</p><p>　　ATD0CTL2 = 0x40;</p><p>　　ATD0CTL3 = 0x88;//每次轉換的次數(shù)為1</p><p>　　A

84、TD0CTL4 = 0x0b;//ATD裝換頻率 1.67MHZ </p><p><b>　　}</b></p><p>　　//Timer is used to time</p><p>　　void PIT_Init(void) </p><p><b>　　{</b></p>

85、<p>　　PITCE = 0x00;</p><p>　　PITMUX = 0x00;</p><p>　　PITMTLD0 = 0xc7;//199,計數(shù)器的初始值</p><p>　　PITLD0 = 0x3e7;//999,timeout = (PITMTLD0 + 1) * (PITLD0 + 1) / 總線頻率//定時時間為5ms 用于通道0&

86、lt;/p><p>　　PITINTE =0x0f; //通道0使能中斷</p><p>　　PITCFLMT = 0xe1;//Enable PIT Module</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//Set the IO state </p><p>　　void IO_

87、Init(void) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　DDRJ = 0xff;</p><p>　　DDRA = 0xff;</p><p>　　DDRB = 0x00;</p><p>　　PUCR_PUPKE = 1;</p><p>　　

88、DDRK = 0xff;</p><p>　　PORTK_PK5 = 0;/</p><p>　　PORTK_PK4 = 0;</p><p>　　PTJ_PTJ1 = 0;</p><p>　　DDRT_DDRT7 = 0;</p><p><b>　　}</b></p><

89、p>　　//串口初始化 波特率 = 9600bit/s 無奇偶校驗位， 8位數(shù)據(jù)</p><p>　　void SCI_Init(void) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　SCI0BD = 260;</p><p>　　SCI0CR1 = 0x00;</p><

90、p>　　SCI0CR2 = 0x0c;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void sysIni(void) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　int i = 0;</p><p>　　qianKuiOut = 0;

91、</p><p>　　lastQianKuiOut = 0;</p><p>　　lastPIDOutError = 0;</p><p>　　for (i = 0; i < 3; i++) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　PIDError[i] = 0;<

92、;/p><p>　　zhenQiSample[i] = 0;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void ALL_Init(void) </p><p><b>　　{</b></p&g

93、t;<p>　　SetBusClock();</p><p>　　AD_Init();</p><p>　　PIT_Init();</p><p>　　IO_Init();</p><p>　　sysInit();</p><p><b>　　}</b></p><

94、;p>　　(2) 程序參數(shù)的宏定義 Include.h</p><p>　　#ifndef _INCLUDE_H</p><p>　　#define _INCLUDE_H</p><p>　　#include "Sensor.h"</p><p>　　#include "init.h"</p

95、><p>　　#include <hidef.h> /* common defines and macros */</p><p>　　#include "derivative.h" /* derivative-specific definitions */</p><p>　　#include "uart.

96、h"</p><p>　　#include "stdtypes.h"</p><p>　　#include "math.h"</p><p>　　#define SENSOR_NUM 2</p><p>　　#define LEVEL_MAX MAX1 //定義液位的最大高度</

97、p><p>　　#define LEVEL_MIN MIN1 //定義液位的最小高度</p><p><b>　　//定義PID參數(shù)</b></p><p>　　#define KP 50</p><p>　　#define KI 30</p><p>　　#define KD

98、 5</p><p><b>　　//定義系統(tǒng)的參數(shù)</b></p><p>　　#define T1 5</p><p>　　#define T 5</p><p>　　#define T2 1</p><p>　　#define Kf 6</p><p

99、>　　//定義前饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　#define A1 T1 / (T + T1)</p><p>　　#define Bm Kf * T1 * (T + T2) / T2 * (T + T1)</p><p>　　#define Bm1 -Kf * T1 / (T + T1)</p><p>

100、　　#define SET_LEVEL MaX</p><p><b>　　//PID運算限幅</b></p><p>　　#define PIDMAX 5000 </p><p>　　#define PIDMIN 0</p><p>　　#define QIANKUIMAX 255</p>

101、<p>　　#define QIANKUIMIN 0</p><p>　　void delay(unsigned int delaytime); //1ms timer</p><p><b>　　#endif</b></p><p>　?。?）數(shù)據(jù)采集程序 Sensor.c</p><p>　　#incl

102、ude "Include.h"</p><p>　　//第0路表示液位的采樣， 第一路表示蒸汽的流量</p><p>　　float AD_result0[SENSOR_NUM][20] = {0.0};</p><p>　　float AD_result1[SENSOR_NUM] = {0, 0}; </p><p>　

103、　/************AD 采樣**********/</p><p>　　float Get_AD(unsigned char num) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　ATD0CTL5 = num;//start to convert</p><p>　　while (!(ATD0

104、STAT0 & 0x80));</p><p>　　return ATD0DR0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********采樣數(shù)據(jù)************/</p><p>　　void getOrigSignal() </p><p><b

105、>　　{</b></p><p>　　unsigned char i,j,m,n,p;</p><p>　　float mid = 0;</p><p>　　float AD_result[SENSOR_NUM]={0.0};</p><p>　　for(i=0;i<20;i++) </p><p&

106、gt;　　for(j=0;j<SENSOR_NUM;j++) </p><p>　　AD_result0[j][i]=Get_AD(j);</p><p>　　for (m = 0; m < SENSOR_NUM; m++)</p><p>　　for (i = 0; i < 20; i++) </p><p><b&

107、gt;　　{</b></p><p>　　for (j = 0; j < 20 - i; j++) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　if (AD_result[m][j] > AD_result[m][j + 1]) </p><p><b>　　{<

108、/b></p><p>　　mid = AD_result[m][j];</p><p>　　AD_result[m][j] = AD_result[m][j + 1];</p><p>　　AD_result[m][j + 1] = mid; </p><p><b>　　}</b></p>

109、<p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　for(m=0;m<SENSOR_NUM;m++) </p><p>　　for(n=5;n<15;n++) </p><p>　　AD_result[m]=AD_result[m]+A

110、D_result0[m][n];</p><p>　　for(p=0;p<SENSOR_NUM;p++) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　AD_result1[p]= (AD_result[p]/10);</p><p>　　AD_result1[p] = (AD_result[p]

111、- 819)// 采樣電壓在1~5V，故在采樣數(shù)據(jù)應該減去1V對應的數(shù)字量</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　5.運算控制輸出函數(shù) Control.c</p><p>　　#include "Include.h"&

112、lt;/p><p>　　extern float AD_result1[SENSOR_NUM];</p><p>　　float PIDError[3];</p><p>　　float zhenQiSample[3];</p><p>　　float qianKuiOut = 0;</p><p>　　float las

113、tQianKuiOut = 0;</p><p>　　float lastPIDOutError = 0;</p><p>　　/**********D/A輸出函數(shù)**************/</p><p>　　void DAOut(float Out)</p><p><b>　　{</b></p>

114、<p>　　PORTA = Out % 256; //取低 8位</p><p>　　PORTB = Out - PORTA; // 取高4位</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void contorOut(void) </p><p><b>　　{</b>&l

115、t;/p><p>　　int i = 0;</p><p>　　float kpResult = 0;</p><p>　　float kiResult = 0;</p><p>　　float kdResult = 0;</p><p>　　float PID = 0;</p><p>　　flo

116、at zhenQiError1 = 0;</p><p>　　float zhenQiError2 = 0;</p><p>　　for (i = 2; i > 0; i--) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　zhenQiSample[i] = zhenQiSample[i - 1];

117、</p><p><b>　　}</b></p><p>　　zhenQiSample[0] = AD_result[1];</p><p>　　zhenQiError1 = zhenQiSample[2] - zhenQiSample[1];</p><p>　　zhenQiError2 = zhenQiSample[

118、1] - zhenQiSample[0];</p><p>　　QianKuiOut = lastQianKuiOut + A1 * qianKuiOutError + Bm * zhenQiError1 + Bm1 * zhenQiError2;</p><p>　　qianKuiOutError = QianKuiOut - lastQianKuiOut;</p><

119、;p>　　lastQianKuiOut = QianKuiOut;</p><p>　　for (i = 2; i > 0; i--) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　PIDError[i] = PIDError[i - 1];</p><p><b>　　}</

120、b></p><p>　　PIDError[0] = SET_LEVEL - AD_result[0];</p><p>　　kpResult = KP * (PIDError[2] - PIDError[1]);</p><p>　　kiResult = KI * PIDError[2];</p><p>　　kdResult = K

121、D * (PIDError[2] - 2 * PIDError[1] + PIDError[0]);</p><p>　　PID = lastPIDOut + kpResult + kiResult + kdResult;</p><p>　　lastPIDOut = PID;</p><p>　　if (PID > PIDMAX) </p>&

122、lt;p><b>　　{</b></p><p>　　PID = PIDMAX; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　if (PID < PIDMIN) </p><p><b>　　{</b></p><p>　

123、　PID = PIDMIN; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　if (QianKuiOut > QIANKUIMAX) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　QianKuiOut = QIANkUIMAX; </p>&l

124、t;p><b>　　}</b></p><p>　　if (QianKuiOut < QIANKUIMIN) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　QianKuiOut = QIANKUIMIN; </p><p><b>　　}</b>&

125、lt;/p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delay(unsigned int delaytime) //1ms timer</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int d;</p><p>　　uchar