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工业锅炉的单片机控制系统设计.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：4.20M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第一章 工业锅炉自动控制简介
    1.1 工业锅炉系统运行概述
    1.2 工业锅炉自动控制简介
    1.2.1 锅炉燃烧系统的控制目标
    锅炉燃烧系统主要有三大控制目标：
    1.2.2 锅炉燃烧系统的控制手段
    锅炉燃烧系统的三个控制目标是相辅相成的，蒸汽压力变化，需要调节燃料和送风，这势必会引起炉膛含氧量和负
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 引 言 在工业生产的各个领域，生产工艺不断提出新的要求，工业控制技术得到了飞速 的发展。随着新的电器元件的不断出现和计算机技术的发展，工业控制技术综合了计 算机、自动控制、电子技术和精密测量等许多先进科学技术成果，并得到长足的发展。 现在单片机、PLC 等控制设备成了当代工业自动化技术的重要支柱。 单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及 发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技 术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发 展，并正在深深地改变着我们的社会。 作为自动化技术工具的仪器仪表，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、 智能化、网络化的时代，其技术发展的主流趋势表现在：测量信息数字化、检测控制 智能化、管理控制集成化。越来越多的仪表要求能够更高速、更灵敏、更可靠、更简 捷地获取被分析、检测、控制的全方位信息，以便进行及时地检测控制。 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产 厂家相继推出了各种类型的单片机。在单片机家族的众多成员中，MCS-5l 系列单片 机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和 自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前可用于 MCS-51 系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善。 因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。 本设计对工业锅炉单片机控制系统的组成、结构和工作原理作了详细地介绍，并 给出了各个组成部分的原理电路图，并对它们作了具体的介绍。 1
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 第一章 工业锅炉自动控制简介 锅炉是发电厂及其它工业企业中最普遍的动力设备之一，它的功能是把燃料中的 贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各种设备。工业锅炉作为一个 设备总体，有许多检测量与被控量，扰动因素也很多，许多参数之间明显地存在着复 杂的耦合关系。对于工业锅炉这个复杂的系统，由于其内部能量转换机理过于复杂， 采用常规的方式进行控制，难以达到理想的控制效果。以前国内大多数工业锅炉都是 人工控制的，或简单的仪表单回路调节系统，燃料浪费很大。进入二十一世纪，我国 的经济高速发展，竞争更加激烈，原来的粗放型能源经济越来越不能适应目前的能源 状况，油价、煤价、电价一路狂飙，资源供需矛盾日益突出，环境压力越来越大。如 何科学合理使用能源，降低消耗的课题也随之摆在了我们面前，只有应用科学的节能 技术手段，才能真正实现节能降耗，减少能源消耗，有效综合利用资源。 1.1 工业锅炉系统运行概述 系统运行的示意图如图 1-1 所示。 图 1-1 锅炉系统运行图 由图 1-1 可知，煤粉和空气经燃烧器进入炉膛，在空间悬浮燃烧，形成的烟气流 经水平烟道和尾部烟道，成为锅炉排烟。在炉膛内，烟气以辐射传热方式将热能传递 给水冷壁。在水平和尾部烟道内主要以对流传热方式，将热能传递给各受热面。 给水进入省煤器后，与烟气进行热交换，得到预热后再进入汽包由下降管进入炉 膛各面墙水冷壁吸收炉内辐射传热，完成蒸发过程。汽水混合物由水冷壁管向上流动， 2
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 再回到汽包。由于下降管中水的密度大于水冷壁中汽水混合物密度，形成自然循环。 蒸汽在汽包内进行汽水分离后再经过辐射过热器，各级对流过热器，成为达到额定压 力、温度和一定流量的过热蒸汽。 送风机将锅炉外部空气吸入，送入空气预热器预热，热风再送入制粉系统干燥煤 粉，或送入炉膛助燃。从炉膛出来的排烟经过除尘器除去烟气中飞灰，由引风机送入 烟囱，排入大气。除尘器是在引风机抽力下克服流动阻力的，故锅炉本体烟气侧处于 负压状态。 1.2 工业锅炉自动控制简介 1.2.1 锅炉燃烧系统的控制目标 锅炉燃烧系统主要有三大控制目标： 第一，控制主蒸汽的压力恒定，以便满足“负荷流量”所需的压力。例如：负荷 流量为 35 吨/小时的供热锅炉，需要把压力控制在 3.3 兆帕左右。 第二，控制炉膛内氧的含量。一要保证有足够的氧供燃料充分燃烧，不使烟气中 有过量的 CO，避免浪费燃料和造成环境污染；二是要满足经济燃烧的要求，保证氧 量不能过多，以避免尾气带走过多热量形成浪费。例如：一般燃气锅炉需要将含氧量 控制在 3%～6%之间比较好。 第三，控制膛负压在一定范围，保证安全生产。例如：炉膛负压一般要求在-20 -40P 之间比较合适，保证炉膛不往外喷火。 1.2.2 锅炉燃烧系统的控制手段 根据上述控制目标，锅炉燃烧系统需要相应的控制手段： 1.主蒸汽压力的控制：主要通过调节输入的燃料量和送风量的多少来实现。当 “负荷流量”增加时，压力会下降，为了保证流量的供应，必须提高压力使其返回到 额定值，因此调节手段主要是增加燃料输入量和送风量；当“负荷流量”下降时，压 力会上升，为了保证流量供应，须降低压力使其返回额定值，这时的调节手段主要是 减少燃料输入量和送风量；当“负荷流量”恒定时，保持压力为额定值不变。 2.炉膛内含氧量的控制：主要通过调节空气（即送风量）和燃料的输入成一定的 比例来实现。一般情况下，燃料增加时，燃料耗氧量要增加，为了保证含氧量不致于 过低，调节手段是必须相应地增加一定比例的空气量（送风量）；燃料减少时，燃料 耗氧量会减少，为了保证含氧量不致于过高，这时的调节手段应该是成比例地减少一 定的空气量（送风量）。 3.炉膛负压的控制：主要通过调节引风机的引风量来实现。当燃料和送风需要增 3
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 加时，炉膛负压势必会向正压的方向减小，为了保证负压，调节手段应该是先增加引 风量；当燃料和送风需要减少时，炉膛负压势必会向负的方向增大，这时的调节手段 应该是先减少引风量。 1.2.3 锅炉燃烧系统的对象复杂性 锅炉燃烧系统的三个控制目标是相辅相成的，蒸汽压力变化，需要调节燃料和送风， 这势必会引起炉膛含氧量和负压的变化；炉膛含氧量变化，需要调节送风和燃料，同 样也要引起蒸汽压力和炉膛负压的变化；炉膛负压变化，需要调节引风，反过来也要 引起含氧量的变化。因此是一个强相关、强耦合的系统。同时，由于实际过程中燃料 的配比极其不稳定、燃料的热值时好时坏，“负荷流量”的需要量有时高有时低，致 使被控对象极其不稳定，所以锅炉燃烧对象存在强烈的外部干扰。另外，燃烧系统需 要经过汽包汽水分离系统才能形成蒸汽，这又使得主蒸汽的压力变化具有一定的滞后 性。总之，锅炉燃烧对象是一个具有多变量、强耦合、强干扰、大滞后的复杂过程系 统。 1.3 工业锅炉控制系统总体设计 工业锅炉单片机控制系统主要通过对锅炉生产过程运行情况的各种物理量，化学 量以及锅炉设备工作状态的参数，比如温度，压力等，进行自动检测和测量，并以此 为基础对锅炉运行各参数进行控制，保证锅炉安全经济的运行。因此，控制系统是保 证热力设备安全、经济运行的必要条件，亦是经济管理、环境保护的重要手段。本设 计可以使我们对工业锅炉单片机控制系统有一个比较基础的认识，同时又是对所学知 识的一个巩固和创新。 设计中单片机采用现在比较常用的 MCS-51 系列中的 8031 单片机。以 8031 单片 机为核心设计其最小系统，同时包括存储器的扩展，小键盘及显示器的设计，A/D 转 换电路、开关量输出及报警电路的设计也是本设计中重要的组成部分。 图 1-2 为工业锅炉单片机控制系统的总体设计方案。 模拟信号接到 8031 之前需要将模拟信号转换为数字信号，所以选用的是 8 个模 拟量输入通道的 A/D0809，8 位数字输出接到 8031 单片机上。由于 8031 单片机本身 数据存储器很小且本身无程序存储器，所以需要扩展这两个存储器。本设计中由于扩 展的芯片和接口电路较多，所以数据存储器采用的是两片 6264，程序存储器采用的 是两片 2764，这样可以节省出较多的地址线。由于 8031I/O 接口有限，所以需要进行 I/O 接口扩展。我用的是 8255 进行扩展，来接入显示器，显示所测量的大小，同时还 有 4×4 小键盘接口电路，用以输入一些参数和进行控制等。本设计还有一个开关量信 4
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 号输出接口，用以对锅炉辅机的起停进行控制。一个越限报警显示电路，对于锅炉运 行时的参数进行监视，当运行参数超限时，该电路发出报警信号。 温度变送器主要是采用热电偶测温电路，该电路输出的是比较微弱的毫伏电压， 所以需要对其进行信号放大，设计中直接选用 DDZ-III 型温度变送器将非标准信号放 大后输出的是 4—20mA 标准电流信号或 1—5V 的标准电压信号。压力/差压变送器采 用的是电容式压力/差压变送器，输出的是 4~20mA 标准电流，而 A/D 转换器接受的 是 0~5V 标准电压，所以应该设计 I/V 电流电压转换电路，这样就可以接入 A/D 转换 器了。本设计采样保持器选用的是 LF398 芯片，因为其转换速度快，易于控制。由 于需要测量多个模拟量，所以设计中选用了多路转换器，并对其转换原理作了介绍。 图 1-2 工业锅炉单片机控制系统 5
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 第二章 MCS-51（8031）单片机介绍及其设计 2.1 单片机的应用领域 单片机有着体积小、功耗低、功能强、性价比高、易于推广应用等显著特点。具 体应用在以下几个方面：智能化仪器仪表、自动化装置、家用电器、医用设备、计算 机网络和通信等领域，大致应用情况如下： 1. 在智能仪器仪表上的应用 可实现如电压、功率、频率、温度、流量、重量、压力等物理量的测量。采用单 片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能更强。例如精密的测量设备 中的电子称、功率计、数字示波器等。 2. 在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。如智能传感器、数控机 床、工业机器人、电梯智能化控制、自动生产线控制系统等。 3. 在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，如电饭煲、微波炉、 洗衣机、电冰箱、空调机、电视机、DVD 机、游戏机、录像机、音响设备等。 4. 在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计 算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现 了单片机智能控制，从调制解调器、集群移动通信、小型程控交换机、楼宇自动通信 呼叫系统、列车无线通信，再到日常工作中随处可见的电话机、移动电话和无线电对 讲机等。 5. 单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、 超声诊断设备及病床呼叫系统等。 2.2 MCS-51 单片机主要性能和特点 MCS-51 系列单片机的典型产品为 8051，8751，8031。它们的基本组成和基本性 能都是相同的。常用的 MCS-51 这个术语，泛指以 8051 为核心的单片机。 8051 是 ROM 型单片机，内部有 4K 的掩膜 ROM，即单片机出厂时，程序已由生 产厂家固化在程序存储器中；8751 片内有 4KB 的 EPROM，用户可以把编写好的程序 用开发器或编辑器写入其中，需要修改时，可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入 6
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 新的程序；8031 片内没有 ROM，使用时需在片外接 EPROM。除此之外，8051、8751 和 8031 的内部结构是完全相同的，都具有如下特性： 1. 面向控制的 8 位 CPU。 2. 128B 的片内数据存储器。 3. 可以寻址 64KB 的片外程序存储器。 4. 可以寻址 64KB 的片外数据存储器。 5. 32 根双向和可单独寻址的 I/O。 6. 一个全双工的异步串行口。 7. 两个 16 位定时/计数器。 8. 5 个中断源，两个中断优先级。 9. 有片内时钟振荡器。 10. 采用高性能的 HMOS 生产工艺生产。 2.3 单片机总体结构 图 2-1 所示为 MCS-51 单片机的基本结构，它有 8 个部件组成，即中央处理器 （CPU）、片内数据处理器（RAM）、片内程序存储器（ROM/EPROM）、输入/输出接 口（I/O 口，分为 P0 口、P1 口、P2 口、P3 口）、可编程串行口、定时/计数器、中断 系统及特殊功能寄存器（SFR）。各部分通过内部总线相连。 图 2-1 MCS-51 单片机的基本结构 7
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 2.4 8031 单片机的引脚功能 图 2-2 是 MCS-51 系列单片机的引脚图（40 脚 DIP 封装）及总线结构图。其中 有 2 条主电源引脚，2 条外接晶体引脚，4 条控制或其它电源复用的引脚，32 条 I/O 引脚，下面分别叙述这 40 条引脚的功能。 图 2-2 8031 引脚图 1. 电源引脚 VSS 和 VCC VSS （20 脚）：接地。 VCC（40 脚）：正常操作及对 EPROM 编程和验证时接+5V 电源。 2. 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1（19 脚）：接外部晶体的一端。在单片机内部，它是一个反向放大器的输 入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对于 HMOS 单片机， 此引脚接地；对于 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18 脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部接至反向放大器的输出端。 当采用外部振荡器时，对 HMOS 单片机，此引脚接受振荡器的信号，即把此信号直 接接到内部时钟发生器的输入端；对 CHMOS 单片机，此引脚应悬浮。 3. 控制或与其它电源复用引脚 RESET/VPD，ALE/ PROG ，PSEN 和 EA /VPP RESET/VPD（9 脚）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高 8
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