锅炉汽包水位智能控制器设计（附图）.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.06M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘　　要

Abstract

引　　言

1理论基础

1.1工业锅炉设备的基础知识

1.1.1工业锅炉的分类和工艺流程

1.1.2锅炉设备控制系统的分类

1.2锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性

2炉汽包水位的基本特性和常规汽包水位控制系统

2.1锅炉汽包水位控制对象的基本特性

2.1.1汽包水位在给水流量扰动下的动态特性

2.1.2汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性

2.2锅炉汽包水位的常规控制系统及其优缺点

2.2.1单冲量水位控制系统

2.2.2双冲量水位控制系统

2.2.3三冲量水位控制系统

3模糊控制系统的基本思想、特点及其和常规控制系统的比较

3.1模糊控制的基本思想和特点

3.2用模糊水位控制和常规控制系统的比较

3.3汽包锅炉水位模糊控制系统的设计

4系统设计

4.1系统硬件构成及工作过程

4.2硬件器件简介

4.2.1MSC1211的结构和特性

4.2.2MSC1211在本次设计中的使用

4.2.3专用LED数码管显示电路（MAX7219）

5软件设计

5.1程序流程图

5.2编程

5.3硬件图

结　　论

参考文献

附录A硬件图

附录B　程序清单

北华大学毕业设计（论文）摘要锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节。对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少。这样对汽包水位要求就更高了。而在常规的三冲量控制系统中，由于“虚假液位”的原因使得蒸汽负荷上升和下降时的动态特性曲线不对称，且系统参数具有时变性，不能求出准确的数学模型，也就不能设计出准确的前馈控制器，只能实现静态前馈，能实现稳态无误差，但对动态性能控制不好。这样，就不能很好的满足现代工艺的要求。考虑到模糊控制器的设计不需要知道该过程的数学模型以及它的其他特点都适合于这种蒸汽前馈控制，所以我们决定在这里用模糊控制器代替了三冲量控制系统中的蒸汽前馈控制中的常规控制器。而给水流量的扰动造成的汽包水位变化这一过程可以通过实验测试和数据处理得到精确的数学模型，这样就能够设计常规控制器来控制，并能达到很好的效果德州仪器公司最近出 MSC1211 带有 24 位分辨率的Σ—ΔA/D 转换器，16 位 D/A 转换器，8 通道多路开关，模拟输入通道测试电流源，输入缓冲器，可编程增益放大器，温度传感器，内部基准电压源，8 位微控制器，程序数据存储器和数据 SRAM 等功能。系统由传感器、单片机 MSC1211、MAX7219 显示芯片、编程接口、调节阀等几部分构成。系统的工作过程：从传感器来的信号进入到 MSC1211 的内部对信号进行处理，从而将流量值以相应的数字显示在显示器上。本次设计的特点是：元件少、方案新、价格经济、体积小、编程方式简单、功能全、操作简单。关键词：锅炉系统，常规三冲量控制，虚假液位，模糊控制，MSC1211 - 1 -

北华大学毕业设计（论文） Fuzzy Control Of Boiler Steam Drum Fluid Level System And Hardware Design Based On System Level Microcomputer Abstract The water level control system of the boiler is that the boiler produces the most important link in the control system. If unreasonable to the production operation of the boiler, manage improperly, it is improper to deal with, will often cause the accident. The majority in these accidents is improper in control because of the water level of the boiler were caused, can see the importance in the equipment control system of the boiler of control of water level of steam dome of the boiler. The modern industry boilers all develop in the direction of the large capacity high parameter, the general boiler is the larger in capacity, person who holds water of steam dome relative and light, water demand fluctuated to allow less.Have expected much the water level of the steam dome like this. Among routine three impulse control system, because reason of " false liquid location" make steam load rise and drop dynamic characteristic when curve asymmetric, degeneration, can't ask out the accurate mathematics model when and there are the systematic parameters, can't design the accurate feedforward controller either, can only realize the static feedforward , can realize that there is not error in the stable state , but does not control dynamic performance well. In this way, the request for meeting the modern craft that it can't be very good. Consider that the design of the fuzzy controller does not need to know that mathematics model and its other characteristics of this course are suitable for this kind of steam feedforward to control, So we determine replace three impulse steam feedforward of the control system control routine controller of with fuzzy controller in here. And this course of change of water level of steam dome caused to perturbation of water flow can pass experiment test and receive the accurate mathematics model with data processing , can design the routine controller to control like this, and can reach very good result. Dezhou instrument company produce MSC1211 with 24 resolution ratios Σ—Δ A/D converter recently,16D/A converter recently ，8 passway more than No. switch, simulation input channel tests the electric current source, import the buffer , gain the amplifier , the temperature sensor , the inside basic voltage source programmably, such functions as 8 little controllers , procedure data memory and data SRAM 。 - 2 -

北华大学毕业设计（论文） System by sensor, one-chip computer MSC1211, MAX7219 show, several parts。Working course of the system: Keep from pressure difference that sensor come signal enter into inside of MSC1211 is it punish to go on to the signal, thus flow value so as to the corresponding digital display at the display. The characteristic designed this time is: Component little, scheme new , price economy , small, programming way simple with complete function operating simple. Key Words：Boiler system, Routine control of three impulse, The false liquid location, Control fuzzily, MSC1211 - 3 -

北华大学毕业设计（论文）目录摘要........................................................................................................................ 1 Abstract...........................................................................................................................2 引言........................................................................................................................ 1 1 理论基础.................................................................................................................... 2 1.1 工业锅炉设备的基础知识................................................................................2 1.1.1 工业锅炉的分类和工艺流程.................................................................. 2 1.1.2 锅炉设备控制系统的分类......................................................................4 1.2 锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性......................................5 2 炉汽包水位的基本特性和常规汽包水位控制系统................................................... 6 2.1 锅炉汽包水位控制对象的基本特性................................................................ 6 2.1.1 汽包水位在给水流量扰动下的动态特性...............................................7 2.1.2 汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性...............................................8 2.2 锅炉汽包水位的常规控制系统及其优缺点...................................................10 2.2.1 单冲量水位控制系统............................................................................10 2.2.2 双冲量水位控制系统............................................................................10 2.2.3 三冲量水位控制系统............................................................................10 3 模糊控制系统的基本思想、特点及其和常规控制系统的比较.............................. 12 3.1 模糊控制的基本思想和特点..........................................................................12 3.2 用模糊水位控制和常规控制系统的比较.......................................................14 3.3 汽包锅炉水位模糊控制系统的设计.............................................................. 15 4 系统设计.................................................................................................................. 17 4.1 系统硬件构成及工作过程..............................................................................17 4.2 硬件器件简介.................................................................................................19 4.2.1 MSC1211 的结构和特性.........................................................................19 4.2.2 MSC1211 在本次设计中的使用............................................................. 26 - 1 -

北华大学毕业设计（论文） 4.2.3 专用 LED 数码管显示电路（MAX7219）...............................................35 5 软件设计.................................................................................................................. 36 5.1 程序流程图.....................................................................................................36 5.2 编程................................................................................................................ 41 5.3 硬件图............................................................................................................ 41 结论...................................................................................................................... 42 参考文献.................................................................................................................43 附录 A 硬件图..........................................................................................................45 附录 B 程序清单...................................................................................................... 46 致谢...................................................................................................................... 49 - 2 -

北华大学毕业设计（论文）引言控制理论科学经历了从经典控制理论到现代控制理论，再到目前的智能控制理论的发展过程。其主要研究对象也从单输入单输出的常系数线形系统，发展为多输入多输出的复杂控制系统。对现代复杂系统的研究，长期以来虽取得了一些进展，但其研究成果十分有限，有的问题还难以解决，特别是那些难以用数学模型描述的问题。显然，对于这些复杂控制系统的研究必须另辟蹊径。人们在长期的生产实践中发现，对于许多复杂的生产过程，难以用自动控制来实现，但在熟练的操作工、技术人员或专家的操作下却控制自如，可以获得满意的控制效果。操作人员在操作时并不需要知道系统的数学模型是什么，甚至对被控对象的特性也不甚了解，而是用一组自然语言表达的、定性的、不精确的判断规则，这种规则就称为模糊算法或模糊规则。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。本文介绍了利用美国德州仪器公司（Texas Instrument）新近推出的一种功能很强的系统级单片机 MSC1211 构成的智能水位控制器，本文主要侧重的是硬件电路的设计。 - 1 -

北华大学毕业设计（论文） 1 理论基础 1.1 工业锅炉设备的基础知识 1.1.1 工业锅炉的分类和工艺流程锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反映器、蒸馏塔、换热器以及其他设备、管道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动透平提供动力来源。因此，锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分。因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。锅炉设备的种类很多，有多种分类方法，主要的有下面几种：按容量分有大、中、小容量锅炉。目前在我国额定蒸发量大于 300t/h 的称大容量锅炉；100~300t/h 的称中容量锅炉；小于 100t/h 的称小容量锅炉。按蒸汽参数分有低压、中压、高压、超高压，亚临界压力和超临界压力锅炉。目前，气压低于 3000kpa，气温低于 400℃的为低压锅炉；气压 3000～5000kpa，气温 400～500℃的为中压锅炉；气压 6000～13000kpa，气温 460～540℃的为高压锅炉；气压 14000～16000kpa，气温 540～600℃的为超高压锅炉；气压 17000～18000kpa，气温 540～570℃的为亚临界压力锅炉；气压为 22500kpa，气温 560～600℃的为超临界压力锅炉。按使用燃料分有：燃煤炉、燃油炉、燃气炉等。按水循环方式分有自然循环锅炉、强制循环锅炉、符合循环锅炉、低倍率循环锅炉等。目前，在各类生产部门中，应用最多的是燃煤锅炉。对于燃煤锅炉按制粉系统分，有的设有中间储粉仓，粉煤从中间储粉仓由给粉机把煤送入炉膛燃烧，这叫储仓式锅炉；有的不设中间储粉仓，原煤通过磨煤机，将块煤变成粉，然后由一次风将煤粉直接吹入炉膛燃烧，这叫直吹式锅炉。另外也有按燃烧形式来分：有链箅炉、粉煤炉、沸腾炉等。有一些工业部门也使用燃油锅炉和燃气锅炉。在石油化工、油品炼制过程中，往往产生各种不同的残油、驰放气、炼厂气，为了提高技术经济指标，降低生产成本，减少 - 2 -

北华大学毕业设计（论文）对环境的污染，往往把他们作为燃料烧掉，因而出现了油、气混合燃烧锅炉和油、气、煤混合燃烧锅炉。在化工生产、石油炼制等工业部门，为了合理的利用热能，用化学反应中生成的热量产生各个部门所需的蒸汽，因而又出现了废热锅炉。另外在化工、造纸、制糖的工艺生产中，还会产生各种毫无规律的聚合物，各种浓度的酸泥、浆液、残液、废水，为了充分利用这些“燃料”，化费为宝，作到综合利用，因此又出现了无规锅炉和废液锅炉。所有各种锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图 1.1 所示。 3 2 热空气燃料 1 6 7 过热蒸汽送负 4 荷设备 5 热空气送往炉壁 8 给水(由给水泵来) 冷空气(由送风机来) 烟气(经引风机送往烟囱) 1 燃烧嘴；2 炉膛；3 汽包；4 减温器； 5 炉墙；6 过热器； 7 省煤器； 8 空气预热器图 1.1 锅炉设备主要工艺流程由图可知，燃料和空气按一定的比例送入燃烧室燃烧，生产的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。压力为 pm 的过热蒸汽，经负荷设备控制给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤气预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后，经过引风机送往烟囱，排入大气。 - 3 -

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