基于FPGA的锅炉水位控制器的设计

朱伟

摘 要：文章提出了一种基于VHDL语言和现场可编程门阵列（简称FPGA）实现的锅炉的水位控制器，不仅性能稳定抗干扰能力强占用硬件资源少，结构简单而且能够在线配置系统参数，能够保障系统的正常运行法，有利于器件性能的升级具有一定的实用价值。

关键词：FPGA；锅炉；水位；控制器

1 概述

锅炉的水位控制精度不同对控制器的精度要求也不同，对精度要求不的锅炉用水位检测器和简单限位控制器就行了，而对于控制精度要求高的锅炉需要精度高的控制。控制器的构成有很多种，采用单片机是较常见的控制方式，但是单片机系统构成较为复杂并且抗干扰性能不易提高。也可以用通用的单回路调节器PLC进行控制但是性能价格比不高。本系统采用有FPGA芯片的在线可编程控制器，不仅性能稳定抗干扰能力强而且能够在线配置系统参数，能够保障系统的正常运行。该系统控制器硬件使用VHDL语言设计而成，以便调试维护和系统升级，其控制算法采用PID控制算法使得控制器的精度提高。

2 系统的功能部件介绍

（1）水位检测部件，主要由液位传感器组成，用于测量锅炉中液位的高低，将液位信号转换成电压信号输出。

（2）信号放大部件，由于液位测量器输出的电压信号强度较弱，必须将信号放大后才能进行远距离传递，信号放大部件将其放大并将信号传送到距离锅炉房较远的控制室内的控制器控制器。

（3）控制调节部件，主要由控制器组成，其负责系统的各类控制信号的收集贮存运算并且将处理好的信息流向外输出以控制锅炉中的水位。

（4）人机交互部件，该系统设置有操作员的操作开关，既可以在系统发生故障时通过操作台人为控制系统的正常运行，也可以在系统正常运行时人为的对系统进行在线调试。

（5）驱动执行部件。由于控制器输出的控制信号强度不能直接驱动执行部件必须进行功率放大，本功率放大器主要由可控硅电路构成。执行部件由电控阀门组成，控制阀门的开度就能够控制锅炉的进水量以调节水位。

3 控制逻辑各模块功能的VHPL语言实现

3.1人机交互面板的VHDL语言

LIBRARY IEEE； USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL； ENTITY FENG ISPORT（CP，CLR：IN STD_LOGIC；Q ：OUT STD_LOGIC）； END FENG； ARCHITECTURE FENG_ARC OF FENG IS BEGINPROCESS（CP，CLR） BEGINIF CLR='0'THEN Q<='0'； ELSIF CP'EVENT AND CP='0'THENQ<='1'；ENDIF；ENDPROCESS；ENDFENG_ARC； ；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALLENTITYSELISPORT（C

LK：INSENDSELARCHITECTURBEGIN PROCESS（CLK） VARIABLEE.STD_LOGIC_1164.ALLUSEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.

ALLNTITYCOUNTISPORT（CLK，EN：INH，L：OUTBEGINCLK'EVEN'

THENIFEN='1'THENIFELSIFLL=0THENLL1PROCESS；ENDCOUNT_

AREND DISP_ARC；

3.2 控制调节器的VHDL语言

LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALLENTITY LOCKB IS PORT（D1，D2，D3，D4：IN STD_LOGIC； CLK，CLR：IN STD_LOGIC； Q1，Q2，Q3，Q4，ALM：OUT STD_LOGIC）； END LOCKB；ARCHITECTURELOCK_ARCOFLOCKBGIN PROCESS（CLK） BEGIN F ENQ1<='0'； Q2<='0'； Q3<='0Q4<='0ALM<='0'；LOCKB ELSIFCLK'EVENTANDCLK='1'THEN Q1<=D1；Q2ALM<='1ENDIFENDPROCESSENDLOCK_ARIBRARIEEEUSE EE.STD_LOGIC_1164.ALL； ENTITY CH31A ISPORT（SEL：IN STD_LOGIC_VECTOR（2 DOWNTO 0） D1，D2，D3：IN STD_LOGIC_VECTOR（3 DOWNTO 0） Q ： OUT STD_LOGIC_VECTOR（3 DOWNTO 0）） END CH31A ARCHITECTURE CH31_ARC OF CH31A ISBEGINPROCESS（SEL，D1，D2，D3） BEGINCASESELIS WHEN ；WHENENDCASE；ENDPROCESSENDCH31_ARCLIBRARYIEEE；USEEEE.STD_LOGIC_1164.ALENTITYDISPISPORT（D：INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0DOWNTO0））；ENDDISPRCHITECTUREDISP_ARCDISPBEGINPROCESS（D）CASEWHEN OTHERS=>QEND PROCESS； END DISP_ARC

3.3 PID算法的VHDL語言

LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALLENTITYPIDCH41AISPORT（D1，D2，D3，D4：INSTD_LOGIC；Q：OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO 0）） END CH41A ARCHITECTURE CH41_ARCOFCH41ASBPIDEGINPROCESS（D1，D2，D3，D4）VARIPIDABLE ：STD_LOGIC_VECTPIDOR（3DOWNTO0）BEGINTMP：=D1&D2&D3&D4；CASETMPISWHEN <="0001"WHEN "1011"=>Q<="0010"； WHEEND CASE END PROCESS； END CHPID_ARC

3.4 电控阀门控制的VHDL语言

LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALENTITYCH1AISP

ORT（SEL：IN STD_LOGIC_VECTOR（2 DOWNTO 0） D1，D2，D3：IN STD_LOGIC_VECTOR（3 DOWNTO 0）； Q ： OUT STD_LOGIC_VECTOR（3 DOWNTO 0） ENDCH31A；RCHITECTURE CH31_A

RC OFCH31ASBEGINPROCESS（SEL，D1，D2，D3）EGINCASESELIS WHEN WHENWHEN END CASE END PROCES END CH31_ARC

4 结束语

本系统采用FPGA作控制单元锅炉中水位的控制情度较高，成本低且控制效率高，能够满足大部分锅炉的控制要求。实际应用中，锅炉容积越大则控制参数的贯性越大，用简单的PID控制可能难以满足精度要求，如果超调幅度过大本，系统可以根据现场实际在线调整和增加其它控制算法，本系统可以很方便快捷地调整控制参数以达到精度要求。

参考文献

[1]姜雪松，吴钰淳.VHDL设计实例与仿真[M].机械工业出版社，2007.

[2]罗朝霞，高书莉.CPLD/FPGA设计及应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.