单容水箱液位控制报告.doc

1、湖南工程学院系统综合训练报告课题名称液位控制系统专业班级姓名学号指导教师目录 1 42.1 42.2 52.2 52.4ICP-7017ICP-7024 5 73.173.2 83.2 9 114.1114.21212第 1 章系统总体方案在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统

2、能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。单容水箱是个比较简单的控制系统，因为在该设计中，只要控制一个液位的高度，初步设计采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。本设计选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。1.1 被控参数的选择根据设计要求可知，水箱的液位要求保持在一恒定值。所以，可以直接选取水箱的液位作为被控参数。1.2 控制参数的选择影响水箱液位有两个量，一是流入水箱的流量。二是流出水箱的流量。调节这两个流量的大小都可以改变液位高低，这样构成液位控制系统就有两种控制方案。对两种控制方案进行比较，假如系统在停电或者

3、失去控制作用时，第一种通过控制水箱的流入量的方案将出现的情况是：水箱的水将流干；第二种通过控制水箱的流出量的方案则会形成水长流或者水溢出的情况，因此，选择流入量作为控制参数更加合理。11.3 调节阀的选择在工程中，当系统的控制作用消失时，如果调节阀没有关闭则会造成水的浪费甚至出现事故，因此，需要关闭调节阀。故选择电动气开式调节阀。1.4 控制规律的选择一般言之，用比例（ P）调节器的系统是一个有差系统，比例度 的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（ PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数 ，Ti 调节合理，也能使系统具有良好的动态性能

4、。比例积分微分（PID）调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。系统设计要求将水箱的液位控制在一恒定的高度，说明了系统的控制精度比较高。为了消除余差，该控制系统应采用比例积分控制或者比例积分微分控制。1.5 控制系统的方框图给定扰动控制器电动调节阀单容水箱检测变送器图 1 控制系统方框图1.6 控制系统的简图2图 2 控制系统的简图3第 2 章系统各模块根据设计要求本次设计系统要通过 MCGS 监控软件来控制两个水箱的液位。大致可以分成以下几个部分：1）计算机系统使用 MCGS 工程组态软件创建液位控制系统。并利用

5、计算机对其进行液位控制以及数据和曲线的读取。2）传感器检测单元对水箱底部进行压力检测，通过通讯线将所测的模拟量输送的实验台的压力变送器。在调试中，该设计选择的是应变式压力传感器。3）ICP-7017 远程数据采集模拟量输入模块将压力变送器的模拟信号进行模/ 数转换变成数字信号，然后通过通讯线将数字信号传给计算机。将压力变送器的模拟信号进行模/ 数转换变成数字信号，然后通过通讯线将数字信号传给计算机。ICP7017 模块是利用RS485 和上位机进行通讯的8 通道模拟输入采集模块，如图2.1 示输入类型：电压、电流；输入范围： 150 150mv， -500500mv，-1 1v，-5 5v，-

6、1010v， -20 20mA4图 2.1 ICP7017 接口图接线方式：图 2.24）ICP-7024 远程数据采集模拟量输出模块将计算机传送过来的数字信号转换成模拟信号，并控制水箱液位控制系统的电动调节阀。ICP70244 路电压型、电流型模拟输出。电流输出范围： 020mA 或 420Ma电压输出范围： -10 10V， 010V， -5 5V，05V5图 2.3 ICP7024 接口图接线方式：、电压型输出接线方式：图 2.4 7024 电压输出接线方式、电流型输出接线方式：图 2.5 7024 电流输出接线方式5）实验台系统AE2000B2 型过程控制实验台，是根据我国工业自动化及

7、相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业装置的自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI 智能仪表加组态软件控制系统、DCS( 分布式集散控制系统 ) ，经过精心设计、多次实验和反复论证后，推出的一套基于本科生、研究生教学和学科基地建设的实验设备。6第 3 章实验系统图7第 4 章系统组态监控界面的设计该设计要求采用 MCGS 组态软件设计出一个单容水箱的控制界面并能在计算机上进行仿真及对实验台进行液位控制实验。考虑到要进行实验检测，所设计的界面中能显示水箱的设定值、测量值、电动调节阀的开度、控制规律（PI 或 PID ）中比例、积分、微分系数的设置

8、、实时曲线和历史曲线及实验数据等。MCGS (Monitor and Control GeneratedSystem，通用监控系统 )是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在工业控制领域有着广泛的应用。MCGS 系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态结果数据库完成了MCGS 系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图4.1 所示。组态环境：组态结果：运行环境：组态生成数据库解释执行应用

9、系统组态结果图 4.1由 MCGS 生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。具体步骤：4.1 组态环境的进入8在 Windows 系统桌面上，鼠标双击 Windows 桌面上的“ Mcgs组态环境”图标进入MCGS 组态环境。4.2 组态工程的建立进入 MCGS 组态环境后，单击工具条上的 新建 按钮，或执行 文件 菜单中的 新建工程 命令，系统自动创建一个名为 单容水箱液位控制系统 . MCG 的新工程。新工程是一个包含五个基本组成部分的结构框架，接下来要逐步在框架中配置不同的功能部件，构造完成特定任务的应用系统。如图 4.2 所示， MC

10、GS 用“工作台”窗口来管理构成用户应用系统的五个部分，工作台上的五个标签：主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略，对应于五个不同的窗口页面，每一个页面负责管理用户应用系统的一个部分，用鼠标单击不同的标签可选取不同窗口页面，对应用系统的相应部分进行组态操作。图 4.24.3 构造实时数据库9点击 MCGS “工作台”窗口的“实时数据库” 将代表工程特征的所有物理量，作为系统参数加以定义，定义中不只包含了数值类型，还包括参数的属性及其操作方法，这种把数值、属性和方法定义成一体的数据就称为数据对象。构造实时数据库的过程，就是定义数据对象的过程。在实际组态过程中，一般无法一次全部定义所需

11、的数据对象，而是根据情况需要逐步增加。在实时数据库中新增数据“水箱SV”“水箱 PV”等等。选中数据并点击有键，可以对数据进行属性设置。对象的属性包括基本属性、存盘属性和报警属性。图 4.34.4 建立用户窗口按“新建窗口”按钮，或执行菜单中的“插入”“用户窗口”命令，即可创建一个新的用户窗口，以图标形式显示。选中图标并单击右键，在对话框弹出后，可以分别对用户窗口的“基本属性 ”、“扩充属性”、“启动脚本”、“循环脚本”和“退出脚本”等属性进行设置。10根据设计方案，创建名为“单容水箱液位控制2”“实时曲线”历史曲线”“存盘数据”“退出提示”等窗口。如图4.4所示：图 4.44.5 图形界面的

12、生成定义了用户窗口并完成属性设置后，就开始在用户窗口内使用系统提供的绘图工具箱，创建图形对象，制作液位控制系统的图形界面。定义了用户窗口并完成属性设置后，就开始在用户窗口内使用系统提供的绘图工具箱，创建图形对象，制作液位控制系统的图形界面。根据设计要求，在绘图工具栏中选择“插入元件”的图标或点击编辑菜单中的查元件，在图形对象库中选择所需的元件，如水箱、抽水泵、电动调节阀、管道、传感器等等。并在绘图工具箱中选择“流动块”，根据系统水流的流向用绘图工具箱中的“流动块”按键，画出系统的水流的流动。编辑完控制系统图形对象后，继续使用绘图工具栏增加液位显示的“矩形图“和“实时”曲线及“自动和手动的切换按

13、钮”等。例外要添加水箱设定值（ SV ）、测量值（ PV）、 输出值（ OP）、比例系数（ K ）、积分系数（ Ti）、微分系数（ Td）的设置。11生成的液位控制系统界面如图4.5 所示：图 4.54.6 动画构件的连接在组态时，只需要建立动画构件与实时数据库中数据对象的对应关系，就能完成动画构件的连接，如对实时曲线构件，需要指明该构件运行时记录水箱SV 和水箱 PV 的变化曲线。在该设计中。要求能观察实时曲线和历史曲线，因此应对实时曲线和历史曲线进行动画连接。连接步骤：双击实时曲线表格，弹出如图4.5 所示对话框：12图 4.6在基本属性页中， Y 轴主划线设为： 5；其它不变。在标注属性

14、页中，时间单位设为：秒钟；小数位数设为：1；最大值设为： 10；其它不变。在画笔属性页中，将：曲线 1 对应的表达式设为：水箱 SV；颜色为：红色；曲线 2 对应的表达式设为：水箱 PV；颜色为：绿色。点击“确认”即可。即可类似的对历史曲线进行设置。4.7 图形对象的动画连接为了使系统在运行过程中，产生形象逼真的动画效果，应对图形对象的状态属性设置。对照图一所示，双击“进入自动运行13状态”即可跳出对话框如图4.7 所示：图 4.7弹出的“标准按钮构件属性设置”对话框后，点击“操作属性”，将“进入自动状态”按钮中的“数据对象值操作”设置为1，点击？在？的下拉菜单中，选择实时数据库中的数据对象“

15、 run”。类似的将“进入手动状态”按钮设置为0。在图 4.5 中“ SV”“ PV”“OP”矩形是分别用来显示水箱的设定值 SV、水箱的测量值 PV、电动调节阀的开度（ OPA）。分别对他们进行属性设置，以“SV”为例：双击 SV 的矩形，弹出如下的对话框，点击对话框属性设置中的大小变化，将大小边变化表达式一栏选择？下拉菜单中的“水箱SV”，然后单击“确定”按钮，“ SV”举矩形图的属性设置完毕。采用相同的方法设置“ PV”“ OP”。如图 4.8 所示：14图 4.8选中图示输入输出连接中的显示输入，然后单击标题栏中的“显示输出”，在显示输出出现的对话框中将“表达式”选择为“水箱 SV”。

16、以此类推，输出值（OP）、比例系数（ K ）、积分系数（ Ti ）、微分系数（ Td）设置好。4.8 其他按键的设置如图 4.5 中，右下方的“实时曲线”、“历史曲线”等按键的设置步骤为：双击所要设置的按键，弹出如图 4.9 所示对话框：单击动话对话框中的标准按钮，将出现 按键 , 点击该按键 , 弹出个“标准按钮构件属性设置”对框，在该对话框中选择所需的动作。15图 4.94.9 组态设备窗口的设置为了实现 MCGS系统与外部设备建立联系驱动外部设备，控制外部设备的工作状态。系统通过设备与数据之间的通道，把外部设备的运行数据采集进来，送入实时数据库，供系统其它部分调用，并且把实时数据库中的数

17、据输出到外部设备，实现对外部设备的操作与控制。选择设备构件设置构件属性连接设备通道在连接设备通道时， i7017 远程数据采集模拟量输入模块和 i7024 远程数据采集模拟量输出模块的通道连接，见附录（）16第 5 章系统脚本程序编写脚本程序可以应用在运行策略中，把整个脚本程序作为一个策略功能块执行，也可以在菜单组态中作为菜单的一个辅助功能运行。本系统设计为了能实现对水箱液位的控制，须对“单容水箱液位控制”属性设置中的“启动脚本”、“循环脚本”、“退出脚本”进行脚本程序的编辑。根据设计中采用的PI 或 PID 控制，在循环脚本中编写PID 控制脚本程序。具体的脚本程序如下所示：启动脚本：见附录

18、（ 3）循环脚本：见附录（ 3）退出脚本：见附录（ 3）17第 6 章系统控制运行调试编辑完脚本程序，对总个系统组态界面的各图形对象及其连接进行检查、存盘。若检查和存盘无误时，按键盘的F5 进入 MCGS组态软件的运行环境。在运行环境中检查，各图形对象的动作是否正确，若不正确，则退出运行环境，继续检查。若正确，则开始实验台操作。6.1 根据设备窗口中的设备通道的连接情况，实验台连线如图 6.1 所示：图 6.16.2 启动实验装置18将实验装置电源插头接到 220V 的单相交流电源 打开电源带漏电保护空气开关 打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源开启 24VDC 电源开关。打开 701

19、7、7024 的电源开关。6.3 系统调节控制启动计算机 MCGS 组态软件，进入实验系统选择“单容水箱液位控制”实验打开电动调节阀和单相电源泵开关，开始实验设定给定值，调整比例系数（ K ）进入自动运行状态观察稳定时水箱测量值曲线（水箱PV）是否与设定值曲线（水箱SV）是否重叠。若不重叠，则继续加入积分作用。如果才，存在滞后则加入微分作用。测量值曲线与设定值曲线基本重合且曲线比较平稳，则调试成功；否则重新调试。6.4 系统控制运行调试结果经过多次调试，所得的最佳比例系数和曲线如图示（见附录（2）19第 7 章总结与体会在过程控制系统设计开始时，尤其是 MCGS 组态软件的使用我觉得这是一个比较难完成的任务，为了能完成这次设计，我在图书馆查阅了相关的资料，初步的了解了设计的步骤。在随后我根据设计的要求在老师的指导下，确立了系统的设计方案。20附录 1系统组态监控界面附录 2实验调试界面实时曲线附录 3启动脚本程序：!setdevice(7024,1,)!setdevice(7017,1,)Qp=0Qi=0Qd=0OPA=0sv=021pvx=0run=0!SetW