液位控制系统课程设计

1、工程学院课程设计课程名称过程控制课题名称储槽液位控制系统专 业班级0701学号3姓 名指导教师细群亚2010年 12 月24 日设计容与设计要求设计容：在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品罐、 中间缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产正常进行， 物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡，因此工艺要求贮 槽的液位需维持在某个给定值上下，或在某一小围变化，并 保证物料不产生溢出，要求设计一个液位控制系统。设计要求：1 ）确定系统设计方案；2 ）选择相应的仪器设备；3 ）MCG软件组态相应的监控画面；4 ）完成控制算法程序设计；5 ）在DDC空制装置中进行调试；主要设计条件假设贮槽设备是一水

2、箱，生产工艺要求水箱液位应保持 在20 0.5cm，设计控制系统满足该要求。说明书格式1. 课程设计任务书2. 目录3. 系统总体方案选择与说明4. 系统结构框图与工作原理5. 各单元硬件设计说明及计算方法6. 软件设计与说明（包括流程图）7. 调试结果与必要的调试说明8. 使用说明9. 程序清单10. 总结11. 参考文献附录附录A系统原理图附录B程序清单进度安排设计时间为两周第一周星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍下午：借阅有关资料，总体方案讨论星期二、确定总体设计方案星期三、选择相应的仪器设备，进行控制算法设计 星期四、控制算法编程星期五、控制算法编程 第二周星期一、MCG组态监

3、控画面星期二、MCG组态监控画面，在DDC装置上进行调试 星期三、在DDC装置上进行调试星期四、写说明书星期五、上午：写说明书，整理资料下午：交设计资料，答辩参考文献1 邵裕森，戴先中过程控制工程（第二版）.机械工业2 国荣，梁景凯.计算机控制技术与应用机械工业3 周杏鹏传感器与检测技术清华大学目录第1章系统总体方案选择5第2章 系统结构框图与工作原理 72.1 系统机构框图72.2 工作原理8第3章各单元软硬件 93.1 模拟控制对象系统93.2 控制台93.3 上位机及控制软件系统 93.4 模拟量输入模块ICP-7017103.5 模拟量输出模块ICP-7024113.6 电动调节阀11

4、3.7 液位传感器 12第4章软件设计与说明 134.1 用户窗口 134.2 实时数据库16第5章系统调试175.1 设备连接175.2 系统调试175.3 调试结果185.3注意事项19第6章总结20附录程序清单21第 1 章 系统总体方案选择随着工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂。对过程控 制的要求越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为 依据的。由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、 分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。为了满足上述特点与 工艺要求，过程控制中的控制方法是十分丰富的。通常有单变量 控制系统，也有多变量控制系统，有复杂控制系统，也有满足特 定要求

5、控制系统。在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品罐、中间 缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产正常进行，物料进 出需均衡，以保证过程的物料平衡，因此工艺要求贮槽的液位需 维持在某个给定值上下，或在某一小围变化，并保证物料不产生 溢出，要求设计一个液位控制系统。对分析设计的要求，生产工艺比较简单要求并不高，所以采 用单回路控制系统进行设计。单回路控制系统又称简单控制系统， 是指由一个被控系统、一个检测元件及变送器、一个调节器和一 个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统是最简单、最基本、 最成熟的一种控制方式。单回路控制系统根据被控量的系统、液 位单回路控制系统等。单回路控制系统的结构

6、比较简单，所需的自动化装置数量少， 操作维护也比较方便，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系 统占控制回路的绝大多数。单回路控制系统虽然简单，但它的分 析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。 对单回路控制系统进行分析，设计，调试处理的方法，理解单回 路控制系统对各个环节的影响，就可以分析处理好更复杂的设计1-1 是- -个单回路问题。这里选择的是液位单回路控制系统。图反馈控制系统单回路控制系统方框图的一般形式如下:图1-1单回路反馈控制系统第2章系统结构框图与工作原理2.1系统结构框图将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的基于计算机的控制系统，如

7、图2-1所示。图2-1储槽液位控制系统框图过程控制系统，简单的说，就是采用计算机来实现的过程工 业控制（含管理）系统。从控制系统引入计算机，可以充分利用 计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务实现复 杂东芝规律。由于计算机只能处理数字信号，因此给定值和反馈 要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。但计 算机接受了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进 行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）在经过D/A转换器, 将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的 控制作用。单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足 不少工业生产过程的控制要

8、求，因此应用十分广泛。2.2 工作原理单回路过程控制系统亦称单回路调节系统， 一般是指正对一 个被控过程（调节对象） ，采用一个检测变松器检测被测过程，采 用一个控制（调节器）来保持参数恒定（或在很小围变化） ，其输 出也只控制一个执行机构（调节阀） 。从系统的款图看，只有一个 闭环回路。单回路过程控制系统 是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、 易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在 工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性 小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其 它各种复

9、杂过程控制系统分析、设计的基础。因此，学习和掌握 单回路系统的工程设计方法是非常重要的。第3 章 各单元软硬件3.1 模拟控制对象系统模拟控制对象系统由上、中、下三个水箱、热交换器及相应 管路（含手动阀、转换阀）组成，上、中水箱由水泵供水。上、 中两个水箱装有液位传感器；上水箱是一个复合式水箱，其中水 箱装有电加热器，电动搅拌器和 PT10 0温度传感器。下水箱置潜 水泵。热交换器冷热流体管路上均装有涡轮流量计、温度传感器、 阀门和水泵。水箱中的水位、水温以及供水的流量和热交换器冷 热流体管路上的温度、流量、压力都可以用于构成控制系统的被 控参数。管路任一个手动阀都可以作为干扰源，用以产生干扰

10、信 号，整个被控对象组成了一个复杂控制系统。单回路控制系统主要包括实验台上的上水箱、中水箱、回水 泵、循环泵、电子比例阀以及相应的管路和阀门。3.2 控制台控制台有手动控制按钮、智能仪表组成。3.3 上位机及控制软件系统THJ-2 型过程控制系统综合实验台上位机可以根据用户的要求配置不同的组件。模拟对象系统的控制软件系统是基于MCG工控软件的实验控制软件系统。MCGS!套基于windows平台的、 用于快速结构和生成上位机监控系统的姿态软件，可以运行于 windows95/98/NT/2000 及以上系统。MCG为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平 台，能够完成现场数据采集、实时和历

11、史数据处理、报警和安全 机制、流程控制、动画显示、趋势显示和报表输出以及企业监控 网络等功能。3.4模拟量输入模块ICP-7017面板如图3-1所示，ICP-7017模块24V供电，面板上提供了 4通道的输入端口，每一通道根据功能表壳输入允许围的电压或电 流。IC11R临快世tt«HlTI*图 3-1 ICP7017 面板图中，A:电源开关B:RS485接口 C:ICP-7017模块D:4通道的输入接口ICP7017模块的功能介绍：ICP7017模块：8通道模拟量输入模块。工作电源：直流 24V输入类型：电压、电流。输入围：150150mv,-500500mv,-11v,-55v,-

12、1010v,-220mA 通讯方式：485通讯3.5模拟量输出模块ICP-7024面板如图3-2所示，24V供电，提供了 4通道的输出端口，每一通道根据功能表壳输入允许围的电压或电流。AB图中,A:电源开关B:RS485接口 C:ICP-7024 模块D:4通道的输出接口ICP7017模块的功能介绍：4路电压型模拟量输出，4路电流型模拟量输出。工作电源：直流 24V电流输出围：020mA,420mA电压输出围：-10v10v,010v,-55v,05v通讯方式：485通讯3.6电动调节阀这里用的是QSTP-16K智能电动单座调节阀，其主要技术参数如下 型式：智能型直行程执行机构输入信号：0 1

13、0mA/4 20mADC/A 5mVDC/L 5VDC 输入阻抗：250 Q /500 Q输出信号：420mADC输出最大负载：V 500 Q/ 全开 / 全关 /0 100%间的任意值信号断电时的阀位：可任意设置为保持电源： 220V 10%/50Hz3.7 液位传感器 被控参数以及其他一些参数、变量的检测和将测量信号传送 至控制器（调节器或计算机）是设计过程控制系统的重要一环。 选择变送器要注意以下几个问题：尽可能选择测量误差小的测 量元件；尽可能选择快速响应的测量元件与变松设备；对测 量信号做必要的处理。本实验对象的检测装置为扩散硅压力液位传感器。分别用于 检测上水箱、中水箱和下水箱液位

14、。接线说明：传感器为二线制接法，他的端子位于中继管，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接红线，白线/蓝线接负载 电阻的一端，负载电阻的另一端接 24V-。传感器输出420mA电 流信号，通过负载电阻 250/50Q转换成电压信号。当负载电阻接 250Q是信号电压为15V,当 负载电阻切换成50Q时信号为0.2IV。第 4章 软件设计与说明主控窗口就是在开始运行时出现的窗口，可以选择需要运本课程 设计中，用到的软件就是 MCGS 组态软件。主要就是设计出单容 水箱液位控制系统的组态监控画面，对各个模块的属性设置要准 确。同时，要写出 PID 算法的程序。具体容如下：4.1 用户窗口这就

15、是整个单容水箱液位控制系统的组态画面图，左半部分主要 就是一个实验现场模拟图，可以清楚地看到在运行过程中，水的 流向及过程。右半部分，主要是各个参数的调节设置，并且在参 数设置好后，可以看过水箱的设定值，以及输出值的变化。还可 以将整个变化过程通过曲线表示出来，清晰明了。D 实时曲线：D历史曲线：以下这个界面，可以记录下在运行过程中所出现的曲线，这样 便于记录，以免丢失。并且也可以把多次测量结果拿来作对比， 可以清晰地看出，当比例，积分，微分各项参数发生变化时，输 出值的变化情况。主菜单：4.2 实时数据库对整个设计中所需要的变量进行定义第 5 章 系统调试5.1 设备连接本设计调试时，要用到

16、组态软件 MCGS运行MCGS丁开设备 窗口，添加通用串口父设备驱动程序 7017和 7024。7017 用于采 集现场数据到计算机， 7024 为输出设备，把计算机的控制信息输 出到阀门。按照通讯状态设置，连线控制回路个模块（ 7017、 7024、传 感器、电动阀）。5.2 系统调试打开实验设备和远程数据采集控制台的电源，水泵启动，在MCG组态环境下，按F5进入运行环境，静茹自动状态。设定值为 20，比例系数为 20，观察运行状态。在运行环境下，通讯标志显示通讯成功。但监控画面上没有 水箱液位测量值，同时发现调节电动阀的输出，电动阀无反应， 阀门开度无变化。这可能是线路或组态有问题，先把实

17、验设备和 远程数据采集控制台的线路连接检查了一遍，没有错误，那就可 能是组态问题。关闭运行环境，关闭试验台电源。进入组态环境，查看 7017 和 7024 设备组态窗口模块地址，发现 7017 模块地址和控制台连 线不对应，重新连线，重新加载运行，液位采集成功，调试完成。5.3 调试结果图 5-1 液位控制系统调试画面5.4 注意事项1、开始实验前，先检查仪表 / 计算机是否拨到计算机位置。2、实验结束后，应先将控制台回到初始位置，将试验台红色按钮按下断电 后，在关闭计算机。3、实验暂停时，应将阀门关闭，防止水箱的水回流。第 6 章 总结通过本次课程设计，我对 MCGS 组态软件的设计方法有了

18、初 步的认识，这对我以后系统设计有很大的作用。虽然两周的时间很短暂，但这两周的每一天都值得回忆，因 为这两周的每一天我们都收获颇丰，每一天我们都过得很充实， 每一天我们都感受到一种紧迫同时又感受到了自己实实在在的进 步，更让我们明白了一个道理：理论只有结合实践才能更加清晰 深刻，学习只有付出才能有收获。任何理论学习都需要实践，通 过实践，才能加深对理论理解和运用。这次的课程设计部仅提高 了自己的动手能力、操作能力，而且自己也可以从中学习了不少 知识，使我深深的认识到实践能力的重要性。总体来说，这次储槽液位控制系统的课程设计使我受益匪浅。 在摸索该如何设计单回路系统控制使之实现最优控制功能的过程

19、 中，培养我的思维能力，动手能力。让我体会到设计控制系统的 艰辛时，更让我体会到成功的喜悦和快乐程序清单启动脚本Td=0 thenelse!setdevice(7024,1,"Qp=0Qi=Qi+mx")Qi=0endif!setdevice(7017,1,"Qd=0if ei<0 and OPA<=0")endifthenQp=0if k<>0 and Ti<>0Qi=QiQi=0thenelseQd=0Qp=k*eiQi=Qi+mxOPA=0mx=k*0.2*ei/Tiendifsv=0Qd=k*Td*(pvx-pv1)*pvx=pv1pvx=00.02)/0.2OPA=Qp+Qi+Qdrun=0endifif OPA<0 then!SetWindow(D 实时曲if k=0 thenOPA=0线,2)Qp=0endifmx=0.2*ei/Tiif OPA>100 then循环脚本Qd=Td*(pvx-pv1)*0.OPA=100A水箱02)/0.2endifPV=(pv1-1000)*0.02e