煤矸石電廠除氧器自動監測控制裝置設計與應用

張 博 付永平

(1.淄博礦業集團公司非煤產業部，山東 淄博 255120；2.山東東華水泥有限公司發電車間，山東 淄博 255144)

煤矸石電廠除氧器自動監測控制裝置設計與應用

張 博1付永平2

(1.淄博礦業集團公司非煤產業部，山東 淄博 255120；2.山東東華水泥有限公司發電車間，山東 淄博 255144)

針對某煤矸石資源綜合利用電廠除氧器水位、水溫監測控制技術存在的除氧效果不穩定、水位控制自動化水平低、監測裝置故障率高等缺陷，利用單片機自動控制技術設計研發除氧器水溫、水位監測控制裝置，提高自動控制水平和控制精度。應用實踐表明，該電廠除氧器監測控制系統原有問題得到有效解決，鍋爐給水質量有了很大改善，故障停爐頻次有所減少。

煤矸石電廠；除氧器；自動監測控制系統

1 自動監測控制系統功能框圖設計

根據該電廠鍋爐給水運行技術要求，除氧器自動監測控制系統設計必須滿足以下功能：除氧水溫度實時監測，除氧水水位實時監測，除氧水水位下限自啟動補水及上限自停止補水，水位、水溫數字顯示，水位、水溫超限報警，水溫過低輔助加熱自啟動等。根據上述功能設計控制系統功能框圖，如圖1所示。

圖1 監測控制系統功能框圖

2 各監測功能模塊設計

2.1 單片機模塊

根據除氧器監測控制系統的功能要求，本設計采用AT89S52單片機，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，1個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件，可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。單片機設有Vcc、GND、P0口、P1口、P2口、P3口、RST、ALE/PROG、EA/VPP、PSEN、XTAL1、XTAL2等主要引腳。Vcc：電源。GND：地。P0口：1個8位漏極開路的雙向I/O口。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下，P0口具有內部上拉電阻。P1口：1個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅TTL邏輯電平。P2口：1個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作口使用。P3口：1個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作口使用。RST：復位輸入。晶振工作時，RST腳持續2個機器周期高電平將使單片機復位。看門狗計時完成后，RST腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態下，復位高電平有效。

2.2 水溫監測模塊

水溫監測模塊選用數字溫度傳感器DS18B20，外形與管腳排列如圖2所示(I/O為數字信號輸入/輸出端，GND為電源地，Vcc為外接供電電源輸入端)。

圖2 外形和管腳排列

DS18B20內部結構主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。測溫范圍-55～+125 ℃，在-10～+85 ℃時精度為±0.5 ℃。可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，可實現高精度測溫。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前、高位在后，數據格式以0.062 5 ℃/LSB形式表示。當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。12位轉化后得到的12位數據，存儲在DS18B20的2個8 bit的RAM中。如果測得的溫度大于0，只要將測到的數值乘于0.062 5即可得到實際溫度；如果溫度小于0，測到的數值需要取反加1再乘于0.062 5，即可得到實際溫度。

2.3 水位監測模塊

采用ZP3200分體投入式液位變送器。該變送器是基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應，將靜壓轉成電信號。經過溫度補償和線性校正，轉換成4～20 mA標準電流信號輸出。傳感器部分直接投入到除氧器中，變送器部分可用法蘭或支架固定。為使單片機能對電流信號進行處理，需將被測量的4～20 mA模擬信號轉化為數字信號。其實現方式是先將4～20 mA電流信號轉化為0～5 V電壓信號，然后將得到的電壓信號再經A/D轉換成數字信號，A/D轉換電路選用ADC0809。74LS373是三態輸出8位鎖存器，用于穩定采集到的水位輸入信號。單片機的P2口用來接收水位信號，在內部軟件的作用下與設定的水位值比較，控制外設補水箱電磁閥的開啟與關斷，還可以輸出到顯示接口，用于實時顯示采集到的水位信號。

2.4 顯示電路模塊

采用LED數碼管作為數字顯示組件，本設計采用的是共陽極LED數碼管。本設計中要顯示溫度與水位，溫度范圍為90～150 ℃，精度為1 ℃，用三位數碼管顯示；水位采用滿水位的百分制顯示，顯示范圍為20%～99%，采用兩位數碼管顯示。所以本設計中選擇五位數碼管顯示。溫度、水位采集信號通過單片機的P0口傳輸到8255，在單片機的控制下，通過軟件作用，由PA口選擇數碼管顯示段碼，由PB0～PB4來選擇位碼，ULN2003作為驅動。

2.5 聲光報警電路模塊

本設計采用光電耦合器、中間繼電器實現單片機與報警電路的連接。光電耦合器輸入端加電信號使發光源發光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現了電—光—電的轉換。通過光電耦合器實現數字電路與實際交流電路之間的光電隔離。當水位超限時，報警電路被驅動，蜂鳴器報警，同時，發光二極管發出警示。硬件連接如圖3所示。

圖3 聲光報警電路

2.6 自動上水模塊

壓力傳感器采集的信息被單片機接收后與設定值進行比較，產生的差動信號驅動繼電器線圈得電，電磁閥得電，閥門打開，除氧水箱開始進水；當壓力傳感器再次測得的信號與設定的水位值相同后，單片機關閉控制信號，繼電器線圈失電，電磁閥復位，關閉進水閥，從而實現了水位的自動控制。接口連接電路如圖4所示。S8050使用其放大功能驅動繼電器控制電磁閥的動作，其工作溫度范圍為-55～150 ℃。

圖4 自動上水接口圖

2.7 鍵盤設定

3個獨立式按鍵的作用分別為：復位、溫度設定、水位設定。P1.4實現復位，使水位溫度回到最小值。P1.5、P1.6分別通過讀入按鍵信號來確定水溫、水位設定值。如圖5所示。

圖5 鍵盤設置

2.8 復位設定與看門狗設置

看門狗通過程序實現。復位電路如圖6所示。

圖6 復位電路

復位后PC=0000H，指向了程序存儲器0000H地址單元，使CPU從首地址0000H單元開始重新執行程序。復位不影響內部RAM中的數據。此外，在系統工作異常等特殊情況下，也可以人工使系統復位。復位是由外部復位電路來實現的，按功能可以分為上電自動復位和人工復位兩種方式。

3 結語

通過對該電廠除氧器監測控制系統進行設計改造，除氧器監測控制自動化水平顯著提高，除氧水溫穩定在104 ℃左右，鍋爐給水含氧量顯著下降，水冷壁、過熱器等受熱面氧腐蝕程度明顯減輕，提高了鍋爐安全穩定運行水平，年可節約各類維修費用數萬元。

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2014-06-12

張博(1978—)，男，山東淄博人，工程師，從事機電技術管理工作。