锅炉是重要的工业设备。锅炉里有很多水。水被加热变成蒸汽。蒸汽可以用来发电。蒸汽可以取暖。蒸汽可以推动机器。锅炉的水位很重要。水位不能太高。水位不能太低。水位太高不好。蒸汽里会有很多水。蒸汽会变得很湿。管道可能损坏。机器可能损坏。水位太低更危险。锅炉里水太少。锅炉的金属部分会过热。金属可能变软。锅炉可能爆炸。锅炉爆炸很可怕。会造成很大的损失。会伤害人的生命。所以必须控制锅炉的水位。

控制水位需要一套系统。这就是锅炉水位控制系统。系统要时刻看着水位。系统要自动给水。系统要自动停止给水。设计这个系统是重要的任务。我们需要考虑很多方面。我们要选择测量水位的设备。我们要选择控制的设备。我们要决定控制的方法。我们要保证系统安全可靠。

测量水位要用水位计。水位计有很多种。有种水位计叫差压式水位计。它测量水的压力。水的压力和水位高度有关系。通过压力可以知道水位。这种水位计很常用。它工作比较稳定。它不容易出故障。还有一种叫浮子式水位计。它用一个浮球漂在水上。浮球随着水位上下动。浮球的位置代表水位。这种水位计很简单。但是它里面有机械部件。时间长了可能会卡住。还有一种叫电接点水位计。它用几个电极插在水里。水能导电。电极碰到水就接通电路。知道哪个电极接通就知道水位在哪里。这种水位计测量很准。但是它测量的点不连续。我们只知道几个点的水位。不知道中间的水位。现在还有更先进的水位计。比如超声波水位计。它用声音测量距离。它向水面发出声音。声音碰到水面弹回来。测量声音来回的时间。就能算出水位的高度。这种水位计不接触水。它不容易损坏。它很精确。但是它的价格比较贵。

选择哪种水位计要看具体情况。要看锅炉的大小。要看锅炉的工作压力。要看我们需要的精度。还要考虑我们的钱够不够。通常差压式水位计用得最多。它便宜又好用。对于重要的锅炉我们可以用两种水位计。一种主要用水位计。另一种备用。这样更安全。

知道了水位就要控制它。控制需要执行机构。执行机构是给水的阀门。阀门打开水就流进锅炉。阀门关闭水就停止。我们要控制阀门的开度。阀门开多大很重要。开得太大进水太快。水位会升得太高。开得太小进水太慢。水位会降得太低。所以阀门控制要合适。

控制阀门的方法有很多。最简单的方法是开关控制。我们设定一个水位上限。我们设定一个水位下限。水位低于下限就打开阀门。水位高于上限就关闭阀门。这种方法很简单。它用的设备便宜。但是它控制得不够平稳。水位总是在上下限之间来回动。阀门老是开开关关。这样阀门容易坏。对于小锅炉这种方法还可以。对于大锅炉这种方法不好。

另一种方法是比例控制。阀门开度跟着水位变化。水位低得多阀门就开得大。水位低得少阀门就开得小。水位高阀门就关小。这样控制更平稳。水位不会大起大落。阀门动作也缓和。不容易损坏。比例控制效果好。它用在很多锅炉上。

还有更复杂的方法。比如比例积分微分控制。这种方法考虑更多因素。它看水位偏差的大小。它看偏差持续的时间。它看水位变化的速度。它综合这些信息决定阀门开度。这种控制非常精确。水位几乎可以稳定在一个点。但是这种方法需要复杂的计算。它需要用到电脑或者高级控制器。它的成本比较高。它用在对水位要求非常严格的锅炉上。

我们设计系统要画控制图。控制图表示系统的组成。控制图有测量部分。测量部分是水位计。控制图有控制器。控制器是大脑。它接收水位信号。它发出控制命令。控制图有执行器。执行器是阀门。阀门接受命令动作。控制图还有锅炉本体。锅炉是控制的对象。

我们还要考虑安全。系统必须有保护措施。水位计可能故障。控制器可能故障。阀门可能卡住。所以我们需要额外的手段。我们可以装两个水位计。两个水位计互相比较。如果读数不一样就报警。我们可以装低水位保护装置。当水位非常低的时候。保护装置直接动作。它切断锅炉的燃料。它让锅炉停下来。这样防止锅炉烧干。防止锅炉爆炸。我们可以装紧急补水阀。当水位太低时。紧急补水阀直接打开。它不管控制器的命令。它直接向锅炉补水。这些保护措施很重要。它们是人命关天的事情。

系统设计好要调试。调试就是让系统实际运行。我们看水位控制得好不好。我们调整控制的参数。比如比例控制的比例系数。我们让水位更稳定。我们测试保护装置。我们故意让水位降低。看保护装置会不会动作。我们检查所有设备。确保它们工作正常。

锅炉水位控制系统很重要。它保证锅炉安全运行。它提高锅炉的效率。它让锅炉工作更长久。设计这个系统要仔细。要考虑各种情况。要选择可靠的设备。要做好安全保护。这样的系统才能让人放心。