1 引言

工业锅炉是我国一次能源的消费大户，目前运行的工业锅炉不仅热效率很低，而且安全性较差，已极不适应目前能源形势的状况。锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数，为克服以上缺点，我们开发了一套适用于中小型工业锅炉的给水控制系统，该系统按“蒸汽锅炉安全技术监察规程”可靠供水的有关要求而进行研制，可直接安装在现行的给水系统上，极大的提高了锅炉的热效率和安全稳定性。

2 控制系统总体方案

该系统控制装置由单片机和PLC组成，执行机构由切向调节阀和电动执行机构两部分组成。锅炉蒸汽量频繁波动时，将引起水位与调节阀开度的不平衡，单片机采集前端水位信号和阀位反馈信号，将数据进行处理后送出到PLC，PLC通过模糊控制算法产生相应的输出，电动执行机构将根据控制器的输出调节自动给水执行机构的位置，改变调节阀的流通面积，增减给水流量以达到调节锅炉水位的工艺目的，使锅炉水位与阀位达到新的平衡状态，锅炉水位在变化工况下始终保持在“规程”规定的正常范围内，从而实现锅炉给水量随蒸发量变化的自动调节。

3 控制系统硬件结构设计

本系统采用单片机与PLC相结合的设计思想，在不改变系统性能的前提下极大的降低了系统成本。硬件结构图如图1所示。

先通过单片机对数据进行处理，再把信号以二进制编码的格式送入PLC，这样PLC只需要较少的输入点，就得到了较多的状态。在系统安全性方面也有周密的考虑，现场水位计来的高低保护信号直接接入PLC，即使单片机受现场干扰造成“死机”，当实际汽包水位威胁到锅炉运行安全时，可以直接通过PLC去实现停炉操作，保障了设备的安全运行。并采用两个水位计冗余技术，避免了单片机稳定性差的缺陷。由此可见，整个系统的安全性、经济性都是较高的。
3.1 前端水位测量原理
水位计测量元件是均匀分布，间距为5mm的干簧管，测量范围是-100mm～+100mm，磁浮筒对干簧管产生磁场作用，使相应的干簧管吸合，对应生成相应的水位信号，以89C2051为核心的信号采集电路，将这些开关信号采集且转换成对应的水位值，并通过RS485通讯将水位信号送到控制室。
3.2 控制箱设计
控制箱主要由8031为核心的单片机系统和PLC(CPMIA-30)组成，RS485的通讯过程和信号的输入、输出如图2所示。

8031通过RS485方式与现场两个水位计通讯，RS485采用平衡驱动，差分接收的方式，抗干扰能力强，最远传输距离为1200m，能驱动32个接收/发送对。数据的读写控制由P3.7来完成，当P3.7为高电平时RS485的DE端有效，则允许数据发送，当P3.7为低电平时RS485的有效，则允许数据接收，这样在半双工的方式下实现了数据的发送与接收。8031单片机有4个8位双向并行I/O端口，每个I/O端口除可作为字节的输入/输出外，每条I/O线也可以单独地用作输入/输出线，设计中充分利用这一特性，将P0口作为输入口，接收现场的状态，P1和P2口作为输出口，完成报警、水位、阀位信号的输出。

4 控制系统软件设计

单片机程序采用模块化设计的程序设计方法，既方便程序的修改和调试，又能实现软件的自诊断，提高了软件的易理解性和易维护性。对PLC采用梯形图的组态方式，通过CPT编程可实现相应的保护联锁功能和控制算法。整套系统组态灵活、修改方便。
4.1 RS485通讯程序设计
通讯程序的设计包括:通讯协议的约定、报文的信息格式、通讯的任务、多机通讯的实现方法、通信的校验方法、编程方法。
(1) 通讯协议:
本系统采用主从式的通讯方式，主机为8031，从机为两台89C2051，地址分别设为00H和01H，数据格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，传输速率为:1200bps。多机通讯的实现方法是:8031首先发送地址主动联络2051，两台2051同时收到地址与本机地址比较，若相同则将本水位计采集的水位值发送出去，若不相同则不反应，主机和从机都采用中断方式接收，这样提高了程序的执行效率并避免了通讯错误发生时死机。
(2) 报文信息格式:

主机与从机都采用这样的信息格式发送数据，@字符作为报文起始位，状态位用来标识单片机的运行状态，校验位为前四位异或的结果，回车符作为报文结束标志。
(3) 通讯出错处理办法:
RS485通信具有高抗干扰能力，但由于系统所处环境干扰较严重，为增强系统通信的可靠性，软件设计中主、从机间的通信采用关键字重发的方法。通讯错误主要有两种:接收不到水位计的数据和接收到错误的数据，接收不到数据时，主机将重新发送地址，如果还是收不到返回的水位信息且次数达到3次，则主机认为这台水位机出现故障;接收的数据如果校验位不正确，则说明接收的数据错误，则主机要求从机重新发送数据，若错误次数达到3次则主机认为水位计有故障。
4.2 模糊控制策略的实现
锅炉是典型的复杂热工系统。锅炉建摸与控制问题一直是人们关注的焦点。工业锅炉汽包水位的主要动态特性包括:非线性、非最小相位特性、不稳定性、时滞和负荷干扰，以及汽水分离器动态的不稳定性等。若采用单一的水位反馈控制或能够反映动态特性的三冲量给水系统，由于锅炉水位控制系统的动态特性不断变化，采用各种自校正措施会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误差，在现场工况变化后难以适应控制要求。本系统基于现场操作经验，运用模糊控制策略控制复杂的工业锅炉汽包水位，从而获得了良好的控制效果。
(1) 模糊推理过程
现场操作人员用以调整汽包水位而观察的对象过程参数为:(a)汽包水位实际水位值;(b)汽包实际水位与水位设定值偏差;(c)调节阀开度。操作人员基于以上参数观察一下水位，估计一个入水量与蒸汽流量间的平衡关系，然后操作主控入水阀以决定入水量是否需要增加或减少。调整操作之后。操作人员再进一步观察运行效果，以决定是否需要进一步调整，模糊控制器的设计正是要体现以上反映人的思维的经验过程。
(2) 模糊推理规则
本系统中，根据水位变化趋势和水位测量值来调节主控入水阀开度校正量和泵的起停，“+1”表示水位上升，“-1”表示水位下降，其控制规则如附表所示。

以水位的上升为例，调节阀与泵的动作过程如下:水位在-20mm到+10mm之间为正常范围，此时A泵开，B泵关，当水位超过+10mm时开始关阀，若关阀后水位继续上升，达到+70mm时开始满水报警，达到+80mm则关掉A泵，若还是上升，达到+95mm则停炉。这一控制规则，充分体现了现场操作人员的经验，实现起来简单、方便，在实际应用中控制效果良好。

5 结束语

本文提出了一种利用单片机和PLC组成的锅炉汽包水位控制系统。本系统采用仿人模糊控制策略，用于中小型工业锅炉的技术改造，取得了良好的控制效果。本系统既可以大幅度地提高劳动生产率，改善劳动条件，提高热效率，节约能源，降低成本;又具有结构简单，价格便宜，使用方便，投资少，效率高的优点。

参考文献
[1] 王卫兵，高俊山，韩剑辉. 可编程控制器原理及应用[M]. 北京:机械工业出版社，2000.
[2] 潘新民，王燕芳. 微型计算机控制技术[M]. 北京:人民邮电出版社，1999.
[3] 诸 静. 模糊控制原理与应用[M]. 北京:机械工业出版社，1998.

作者简介
李克鹏(1980-) 男 硕士研究生 主要研究方向:控制理论与应用。