单容水箱液位控制系统 创新设计

1、创新设计与实践题 目: 单容水箱液位控制系统设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 成绩：指导老师签名： 日期： 摘 要“组态王”是运行于Win2000 /Win XP中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。组态王具有一个集成开发环境“组态王工程浏览器”，在其中您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成构造数据库、定义外部设备等工作。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统MAKE和画面运行系统VIEW来完成的。MAKE是应用程序的开发环境，VIEW是“组态王”软件的实时运行环境，在MAKE中

2、建立的图形画面只有在VIEW中才能运行。VIEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。在现代工业生产过程中，常需要对液位进行控制，这次课程设计就是运用组态软件建立一个液位高度的监控中心。监控中心从现场采集数据，并以动画方式直观地显示在监控画面上。监控画面还将显示实时趋势曲线和历史趋势曲线并提供查询历史数据的功能，最后完成一个数据统计的报表，这次课程设计的内容就是使用计算机及组态王软件对单容水箱液位控制系统进行设计。 关键词：组态王；单容水箱；液位控制系统目 次 1 引言12 设计方案22.1 控制方案22.2 PID控制框图23 硬件部分设计33.1 液位变送器的选择33.2 电动调

3、节阀的选择33.3 水泵的选择43.4 变频器的选择44 PID控制算法流程55 系统组态设计65.1 数字字典65.2 静态画面65.3 系统应用程序85.4 动画连接9结论12致谢13参 考 文 献141 引言工艺要求：(1)工艺管路流程如图所示：(2)下水箱V103的液位需要监视，对超限有报警。(3)现场监视和操作。(4)水箱液位自动控制,要求控制在50%左右。(5)能实现历史趋势、实时趋势、报表。(6)节能的考虑。图 工艺管路流图设计要求： (1)根据工艺要求，设计仪表的P&ID流程图。 (2)选用变频器调节2#水泵P102转速的方式调节水位，节能。 (3)液位变送器LT-10

4、3检测液位。(4)控制逻辑在独立运行的下位控制器上实现。 (5)HMI功能通过触摸屏实现。变频控制、流程图、历史趋势、实时趋势、报表均在触摸屏上实现。 (6)采用计算计系统对下位控制器、触摸屏进行编程组态。2 设计方案2.1 控制方案对于一个简单的单容水箱的液位控制，因为系统只有一个液位变量，只需要简单的单回路控制即可。而在实际的工业控制中多采用PID控制规律，PID算法实现简单，控制效果好，稳定性好,参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验，所以本设计也采用PID控制。其主要特点：(1)技术成熟。PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的P

5、ID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；(2)不需求出系统的数学模型；(3)控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。2.2 PID控制框图水箱液位控制框图如下图所示：计算机 控制器水泵上水箱液位检测 传感器_ Sp P v Pv1 图 单容水箱液位控制框图3 硬件部分设计3.1 液位变送器的选择液位传感器是用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，如图所示。本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高

6、，可方便的与其他DDZIIIX型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。在零压力下调整零电位器。使输出电流为4mA，在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为级，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。 图 液位变送器3.2 电动调节阀的选择采用电动调节阀对控制回路的液体的流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，如图所示，无需配伺服放大器，驱动电路。采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并

7、可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。由输入控制信号420mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，420mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快 图 电动调节阀开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断防止泄漏。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。 3.3 水泵的选择水泵采用丹麦格兰富循环水泵，借动力设备和传动装置或利用自然能源将水由低处升至高处的水力机械，噪音低，寿命长，功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变

8、频器一起可构成恒压供水系统。 3.4 变频器的选择三菱FR-S520变频器，420mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或三相供电，频率可高达200HZ。4 PID控制算法流程本系统的主要的实现是PID算法，运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写语言实现PID控制算法，PID算法流程图如下图所示。取Sp、水箱液位Pv形成偏差ek0取Ti、（ek0-ek1）做乘法得a取Kp、ek0做乘法得b取Td、（ek0+ek2-2*ek1）做乘法得c计算a+b+c得Uk输出Uk数据

9、传送ek0ek1、ek1ek2数据传送Pv+UkPv结束开始图4.1 PID算法流程图5 系统组态设计 5.1 数字字典根据选择的系统分析被控对象涉及的各个变量，在组态王软件的数据词典中建立这些变量和所需的中间变量，只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用，已备动画连接和编程使用。建立的数据词典用于定义开关动画连接的内存离散变量，参于PID运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内存整型变量等。具体的数据词典如下表所示：表5.1 数字字典5.2 静态画面 本课程设计共设计有四个界面：控制界面、历史曲线界面、报警窗口、报表。控制界面如图所示，当系统启动后，我们进入控制界

10、面，上面有系统的名字“单容水箱液位控制系统”，系统的控制图形，实时趋势曲线，另外还有三个按钮，是“历史曲线”按钮、“报表”按钮和“退出”按钮，需要退出控制界面时点击“退出”按钮。实时趋势曲线包括设定值，水箱液位两条曲线，当系统运行时这两条曲线的变化会通过实时趋势曲线界面表现出来。当我们要观察历史的曲线时，我们可以单击历史曲线按钮，进入历史曲线界面，它是通过ShowPicture("历史曲线界面")命令语言与历史曲线界面相连接，其功能是进入历史曲线界面，历史曲线界面如图所示。历史曲线中也主要包括水箱液位V103的曲线，设定值的曲线，历史曲线中还有两个按钮，返回按钮和退出按钮，

11、返回按钮也是通过ShowPicture("控制界面")命令语言与控制界面相连接，可以返回控制界面，退出按钮具有退出系统的功能。当需要查看报表时，可以单击报表按钮，进入报表界面，如图所示。数据报表是对生产过程中变量状态的记录和反映，它以一定格式输出用户指定的变量值和其他信息，因此，数据报表实际上就是一种简单化的数据报表。我们使用组态王提供的实时数据报表：在组态王运行过程中，实时将当前数据变量按指定报表格式生成报表文件。我们为水箱液位和变频器系数的变化状况制作实时报表，报表具有返回主界面，保存报表数据，打印报表数据和打印预览的功能。 本次课程设计还制作了报警窗口，报警是指当系统

12、中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，表示该量的值已经超限，提醒操作人员。本次课程设计主要对上水箱液位作了超底限和超高限的报警，当系统运行过程中有超限现象时会弹出报警窗口。 图 控制界面图5.2 历史趋势曲线界面图 报表界面5.3 系统应用程序本次课程设计所使用的程序主要是控制界面运行时的应用程序，根据系统控制要求设置最佳系数，编辑程序如下：本站点Ti=2;本站点Kp=7;本站点Td=1;if(本站点水泵P102=1)本站点ek0=本站点Sp-本站点水箱液位V104; 本站点微分液位差=本站点ek0+本站点ek2-2*本站点ek1; 本站点Uk=(本站点Ti*(本站点ek

13、0-本站点ek1)+本站点Kp*本站点ek0+本站点Td*本站点微分液位差)/500; 本站点水箱液位V104=本站点水箱液位V104+本站点Uk; 本站点液位传递值=本站点ek1; 本站点ek1=本站点ek0; 本站点ek2=本站点液位传递值; 本站点水箱液位V103=100-本站点水箱液位V104;5.4 动画连接当系统设计完成便要进行动画连接，编辑系统应用程序，设定好参数数值，当系统启动后，进入主界面，如图所示，系统输出水箱液位的数值，画面中的管道模拟液体的流动，它是与水泵相关联的，只要水泵是有开度的，管道就能模拟液体的流动，流量计示数，变频器数值也在图中显示。界面右侧各参数数值也显示出

14、来，方便观察。实时曲线中设定值，水箱液位随着示数的变化而变化，可以清楚的看到液位的变化趋势，如液位变化不稳定可以调整应用程序中的参数，达到最佳效果。当水箱液位有超限现象时会弹出报警窗口，如图所示，观察员可以及时对系统进行操作，历史报警也会被记录下来，方便查阅。按下“历史曲线”按钮可以进入历史曲线界面，如图所示，液位的历史变化趋势都可以在这里看到，需要返回控制界面则按下“返回”按钮。按下“报表”按钮可以进入报表界面，如图所示，可以对报表进行保存、打印、打印预览等操作，按下“退出”按钮可以退出系统，本次设计基本实现了水箱液位的控制。 图 动画连接控制界面图 动画连接报警界面图 动画连接历史趋势曲线

15、界面图5.7 动画连接实时报表界面 结论本次工业过程控制课程设计，我们小组做的是单容水箱液位控制系统设计，以PID控制规律作为控制算法，经过几天的努力，我们基本完成了系统的控制要求，监控界面清晰美观，功能较为完善，这是我们参考资料自己独立设计的结果。经过本次课程设计，我对工业过程控制系统的开发控制流程有了较全面的了解，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。设计过程中，了解了一些从前没有多少接触的硬件设备，如电动调节阀、液位变送器、变频器。初步了解了PID控制规律在实际控制工程中的应用，进一步加深了对PID控制算法理解，除此之外，还对在实际工程中应用极为广泛的组

16、态王软件有了较好的掌握。这次的做课程设计的过程，我学到了很多，从软件编写、调试到软硬件联机调试，我们投入了大量的时间和精力。不仅让我们增长了见识，开阔了视野，更让我们懂得了过程的重要。也让我们认识到了不足，在硬件上的水平比较差，知识面太窄，学习知识不牢固，而且我们学的都是课本知识，理论知识，实践要和理论结合，而这次我们正好通过这次实践把学过的知识进行巩固。致谢我要感谢我的指导老师张杰老师，是他在我设计的过程中给予指导，让我能顺利完成设计任务。在以后的学习中，我会努力完善自己，牢固掌握知识，积极动手，将理论与实践结合，使自己的知识水平有进一步提高。参 考 文 献1 覃贵礼，吴尚庆组态软件控制技术M北京：北京理工大学出版社，20072 曹立学基于组态软件的流量比值控制系统设计J北京