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。