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锅炉汽包水位自动控制系统

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第一章 绪论 

汽包水位是锅炉安全运行的指标之一,锅炉汽包水位的测量、控制和保护系统的

合理配置是保证锅炉安全运行的重要措施。过高的水位会影响汽水分离装置的汽水分

离效果,使锅炉出口的饱和蒸汽的湿度增大,含盐量增多,造成过热器和汽轮机通流部分结垢,从而引起过热器管壁超温甚至爆管。当水位严重过高时,还将使汽轮机产生水

冲击, 引起破坏性事故。水位过低,会影响锅炉的水循环安全,造成局部水冷壁管过热,

严重缺水时造成锅炉爆炸。因此,准确测量和保持汽包水位在规定的范围内有其重要

意义。我在本设计中，将通过单片机的控制，使锅炉汽包水位，维持在正常的标准下，

在水位超过上限或下限的时候，能够及时报警并采取相应措施。在水位超过上限或下限的时候，能够及时报警并采取相应措施。

 第二章 工作原理与方案论证 

2.1 工作原理 图2.1所示即为锅炉汽包水位自

动控制系统示意图。当系统受到扰动

后，被控变量（液位）发生变化，通过检测仪表得到其测量值h。在自动

控制装置（液位控制器LC）中，将h

与设定值h0比较，得到偏差，经过运

算后，发出控制信号算后，发出控制信号 ，这一信号作用于执行器（在此为控制阀，）改变

给水量，给水量，以克服扰动的影响，以克服扰动的影响，以克服扰动的影响，使被控使被控

变量回到设定值。这样就完成了所要

求的控制任务。这些自动控制装置和被控工艺对象组成了一个自动控制系统。被控工艺对象组成了一个自动控制系统。

 2.2方案论证 

单冲量水位控制系统直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负

与大小，与大小，输出开关给水调节阀门的信号，输出开关给水调节阀门的信号，输出开关给水调节阀门的信号，但这种系统具有严重的弊病：但这种系统具有严重的弊病：但这种系统具有严重的弊病：在蒸汽流量忽在蒸汽流量忽

然增加时，因给水流量小于蒸发量，水位应当下降。但是由于炉筒内的贮汽减少，内

部压力忽降，从而使水面下的炉筒容积扩大，并加速汽化，由于水面下容积扩大，使

水位不但不下降，反而迅速上升，产生“虚假水位”现象。而控制器根据偏差信号改

变给水流量与需求相反，变给水流量与需求相反，必然会加剧水位的大幅度波动。必然会加剧水位的大幅度波动。必然会加剧水位的大幅度波动。所以在负荷变化频繁，所以在负荷变化频繁，所以在负荷变化频繁，锅炉锅炉2-1

贮水量小的情况下，不能采用单冲量水位控制系统。贮水量小的情况下，不能采用单冲量水位控制系统。 双冲量水位控制系统的优点：能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任

务，在给水压力比较平稳时采用双冲量水位控制系统是能够达到调节要求的。在给水压力比较平稳时采用双冲量水位控制系统是能够达到调节要求的。双冲量双冲量

水位控制系统的缺点：水位控制系统的缺点：调节作用不能及时的反应给水侧的扰动，调节作用不能及时的反应给水侧的扰动，调节作用不能及时的反应给水侧的扰动，当给水侧扰动时，当给水侧扰动时，当给水侧扰动时，调调

节系统等于单冲量调节，节系统等于单冲量调节，因为，因为，因为，如果给水管压力经常有波动，如果给水管压力经常有波动，如果给水管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。易保持正常时，不宜采用双冲量调节。

三冲量水位控制系统以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为控制

器的反馈信号来控制给水流量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，

它不仅能克服它不仅能克服“虚假水位”“虚假水位”“虚假水位”的影响，的影响，的影响，也能克服由于给水压力变化等因素引起给水流量也能克服由于给水压力变化等因素引起给水流量

变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。

相比之下三冲量更具优点，所以我采用三冲量水位控制系统。相比之下三冲量更具优点，所以我采用三冲量水位控制系统。

控制方法：控制方法：

我在这里采用性能较好的高性能水位控制器探测水位，用液面专用检测电路SL2429A

及时基电路555等组成控制电路，，信号采集后，经ADC0809将模拟信号转换成数字

信号后送入89C5189C51，通过软件，实现对锅炉水位的控制及报警，通过软件，实现对锅炉水位的控制及报警，通过软件，实现对锅炉水位的控制及报警. . 

三冲量汽包水位控制系统方框图如下：三冲量汽包水位控制系统方框图如下：

图2-2 加法器运算是：加法器运算是：

P=C0+C1PC+C2PF 给定+

-加法模块PID调节调节阀对象补偿系数变送器

补偿系数变送器

变送器+-蒸汽量

水位

给水量

第三章 硬件组成及原理 3.1 单片机芯片介绍 

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。片内含4K bytes

的可反复擦写的只读程序存储器（PEROMPEROM））和128 bytes的随机存取数据存储器（RAMRAM）），

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统，片内置通用8位中央处理器（位中央处理器（CPUCPUCPU）和）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可

为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

1 、主要性能参数：、主要性能参数：

·与MCS-51产品指令系统完全兼容产品指令系统完全兼容

·4K字节可重擦写Flash闪速存储器闪速存储器

·1000次擦写中期次擦写中期

·全静态操作：·全静态操作：0Hz0Hz0Hz——————24MHz 24MHz 

·三级加密程序存储器·三级加密程序存储器

·128*8字节内部RAM 

·32个可编程I/O口线口线

·2个16位定时位定时//计数器计数器

·6个中断源个中断源

·可编程串行UART通道通道 ·低功耗空闲和掉电式·低功耗空闲和掉电式

图3-1 89C51芯片芯片

2 、功能特性概述、功能特性概述

AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAMRAM，，32个I/O口线，两个16位定时位定时//计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，

片内振荡器及时钟电路。同时，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，的静态逻辑操作，

并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAMRAM，定时，定时

/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容。但振荡器

停止工作并禁止其它所有不见工作直到下一个硬件复位。停止工作并禁止其它所有不见工作直到下一个硬件复位。

3、 引脚功能说明引脚功能说明

·ccV：电源电压 

·GNDGND：地：地：地

·P0口：口：P0P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址口，也即地址//数据总线复用口。作为

输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“逻辑门电路，对断口写“11”可作

为高阻抗输入端用。为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数

据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，编程时，P0P0接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。要求外接上拉电阻。

·P1口：口：P1P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，口，P1P1的输出缓冲级可驱动（吸

收或输出电流）收或输出电流）44个TTL逻辑门电路。对端口写“逻辑门电路。对端口写“11”，通过内部的上拉电阻把端口拉

到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（被外部信号来低时会输出一个电流（II）。 

Flash编程和程序校验期间，编程和程序校验期间，P1P1口接受底8位地址。位地址。

·P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸

收或输出电流）收或输出电流）44个TTL逻辑门电路。对端口写“逻辑门电路。对端口写“11”，通过内部的上拉电阻把端口拉

到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚

被外部信号来低时会输出一个电流（被外部信号来低时会输出一个电流（II）。 

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR指

令）时，令）时，P2P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行

MOVX @RI指令）时，指令）时，P2P2口行上的内容（也即特殊功能寄存器（口行上的内容（也即特殊功能寄存器（SFRSFRSFR）区中）区中R2寄存器

的内容），在整个访问期间不改变。，在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，编程或校验时，P2P2亦接受高位地址和其它控制信号。亦接受高位地址和其它控制信号。

·P3口：P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲级可驱动（吸

收或输出电流）收或输出电流）44个TTL逻辑门电路。对端口写“逻辑门电路。对端口写“11”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻

输出电流（输出电流（II）。 

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是她的第二功能，见下表口线外，更重要的用途是她的第二功能，见下表

表3-2P3口第二功能功能表口第二功能功能表

P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

·RSTRST：复位输入。当振荡器工作时，：复位输入。当振荡器工作时，：复位输入。当振荡器工作时，RSTRST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单

片机复位。片机复位。

·ALE/PROG非：当访问外部程序存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，即使不访问外部存储器，ALEALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此

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三冲量汽包水位控制原理及应用教程

三冲量汽包水位控制原理及应用教程

三冲量汽包水位控制原理及应用教程

本文详细介绍汽包水位三冲量控制系统的原理及控制策略，文章内容通俗易

懂、图文并茂，可作为三冲量汽包水位控制系统设计和应用教程使用。

锅炉汽包水位是锅炉生产过程的主要工艺指标，同时也是保证锅炉安全运行的

主要条件之一。汽包水位过高，使蒸汽产生带液现象，不仅降低蒸汽的产量和

质量，而且还会使过热器结垢，或使汽轮机叶片损坏；当汽包水位过低时，轻

则影响水汽平衡，重则烧干锅炉，严重时会导致锅炉爆炸事故的发生。所以锅

炉水位是一个极为重要的被控变量。在具体工艺生产过程中，常常由于蒸汽负

荷的波动和给水流量的变化打破汽包内的平衡状态，对汽包水位造成干扰，最

终导致假液位。所谓“冲量”实际就是变量，多冲量控制中的冲量，是指引入

系统的测量信号。在锅炉控制中，主要冲量是水位。辅助冲量是蒸汽负荷和给

水流量，它们是为了提高控制品质而引入的。

1、三冲量控制的引入 目前锅炉汽包水位调节常采用单冲量、双冲量及三冲量等三种调节方案，现分

别对它们的基本原理和特性加以讨论。 ①单冲量水位调节系统 单冲量水位调节系统的原理如图1所示。由图1可知，这种类型的水位调节系

统，是一个典型的单回路调节系统，被调参数是汽包水位，调节参数是锅炉的

给水量。它适用于停留时间较长(亦即蒸发量与汽包的单位面积相比很小)，负

荷变化小的小型锅炉(一般为10t/h以下)。但对于停留时间较短，负荷变化大的系统就不适应了。

图1 单冲量水位调节原理 图2 单冲量水位调节系

统控制策略

从图2可以看出：单冲量水位调节系统控制策略由汽包水位测量差压变送器、

PID调节器和调节阀(或变频器)构成。

当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于汽包内蒸汽压力瞬间下降，水的沸腾加

剧，汽泡量迅速增加，汽泡不仅出现于水的表面，而且出现于水面以下，由于

汽泡的体积比水的体积大许多倍，结果形成汽包内液位升高的现象。因为这种

升高的液位不代表汽包内储液量的真实情况，所以称为“假液位”。此时PID

锅炉汽包水位测量与控制

锅炉汽包水位测量与控制

锅炉汽包水位测量与控制

锅炉汽包是锅炉中储存水溶解气体的容器，用以减轻锅炉系统中的压力变化。汽包内的水位控制是保障锅炉正常运行的重要环节，因此需要实时测量汽包水位并进行控制。本文将介绍锅炉汽包水位的测量原理和控制方法。

一、测量原理

（一）测量方法

目前常用的汽包水位测量方法主要有以下几种：

1. 水位计法。水位计法是指通过读取水位计所示的高度差来确定汽包内的水位。水位计一般采用激光、声波、浮子等原理进行测量。这种方法使用方便，但需要经常进行维护和校准。

2. 微波法。微波法是利用微波射频信号与水位之间的关系来测量汽包水位。这种方法具有高精度、不受温度、压力等因素的影响，但价格较高。

3. 压力变送器法。压力变送器法是利用汽包内的压力和水位之间的关系来确定水位。这种方法精度较高，但需要进行定期校准和维护。

（二）测量误差

锅炉汽包水位测量误差会受到以下因素的影响：

1. 测量方法。不同的测量方法测量误差不同。

2. 测量设备。测量设备的精度和稳定性也会影响测量误差。

3. 温度和压力变化。锅炉操作过程中，汽包内的温度和压力都会发生变化，这些变化也会影响测量误差。

（三）安全措施

为保障锅炉运行安全，需要在设计和操作时采取以下措施：

1. 在汽包上方安装喷淋装置。当水位过高时，喷淋装置可以迅速淋水降低汽包水位。

2. 安装多个水位传感器。这样即使一个传感器出现问题，其他传感器也能够发挥作用。 3. 常规维护与检修。定期检查、维护水位控制设备，确保其正常运转并定期检查检修控制系统。

二、水位控制方法

（一）PID控制器

PID控制器是目前常用的汽包水位控制器。PID控制器通过比较设定值和反馈值之间的差异，算出控制量，并对水位进行调整，使其接近设定值。

锅炉汽包水位的控制

锅炉汽包水位的控制

第 1 页

摘要

锅炉是电厂和化工厂里常见的生产设备，为了使锅炉能正常运行,必须维持锅炉的水位在一定的范围内，这就需要控制锅炉汽包的水位。汽包水位很重要，水位过高会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液,损坏汽轮机叶片；如果水位过低会损坏锅炉，甚至引起爆炸。可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。本论文设计的是锅炉汽包水位控制系统，利用控制装置和被控对象组成了一个自动控制系统。被调量是汽包水位，调节量是给谁量。它主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应锅炉的挥发量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。

关键词：汽包水位 虚假水位 给水流量 蒸汽流量

第 2 页

目录

摘要 ............................................................... 1

1 绪 论 ........................................................... 3

1.1 锅炉 ....................................................... 3

1。2 锅炉汽包水位控制系统的发展现状 ............................ 3

1。3 汽包水位调节原理: ......................................... 4

1.4 本设计的主要工作 ........................................... 4

三冲量汽包水位控制原理及应用教程 2

三冲量汽包水位控制原理及应用教程 2

锅炉汽包水位是锅炉生产过程的主要工艺指标，同时也是保证锅炉安全运行的主要条件之一。汽包水位过高，使蒸汽产生带液现象，不仅降低蒸汽的产量和质量，而且还会使过热器结垢，或使汽轮机叶片损坏；当汽包水位过低时，轻则影响水汽平衡，重则烧干锅炉，严重时会导致锅炉爆炸事故的发生。所以锅炉水位是一个极为重要的被控变量。在具体工艺生产过程中，常常由于蒸汽负荷的波动和给水流量的变化打破汽包内的平衡状态，对汽包水位造成干扰，最终导致假液位。所谓“冲量”实际就是变量，多冲量控制中的冲量，是指引入系统的测量信号。在锅炉控制中，主要冲量是水位。辅助冲量是蒸汽负荷和给水流量，它们是为了提高控制品质而引入的。

1、三冲量控制的引入

目前锅炉汽包水位调节常采用单冲量、双冲量及三冲量等三种调节方案，现分别对它们的基本原理和特性加以讨论。

①单冲量水位调节系统

单冲量水位调节系统的原理如图1所示。由图1可知，这种类型的水位调节系统，是一个典型的单回路调节系统，被调参数是汽包水位，调节参数是锅炉的给水量。它适用于停留时间较长(亦即蒸发量与汽包的单位面积相比很小)，负荷变化小的小型锅炉(一般为10t/h以下)。但对于停留时间较短，负荷变化大的系统就不适应了。

图1

单冲量水位调节原理

图2

单冲量水位调节系统控制策略

从图2可以看出：单冲量水位调节系统控制策略由汽包水位测量差压变送器、PID调节器和调节阀(或变频器)构成。

当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于汽包内蒸汽压力瞬间下降，水的沸腾加剧，汽泡量迅速增加，汽泡不仅出现于水的表面，而且出现于水面以下，由于汽泡的体积比水的体积大许多倍，结果形成汽包内液位升高的现象。因为这种升高的液位不代表汽包内储液量的真实情况，所以称为“假液位”。此时PID调节器会错误地认为测量值升高，从而关小给水调节阀，减小给水量。等到这种暂时汽化现象一旦平稳下来，由于蒸汽量的增加，给水量反而减少，会使水位严重下降，甚至降到液位危险区，造成事故。