水箱液位控制系统设计毕业设计

1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：水箱液位控制系统设计学生姓名：吴云鹏学 号：200867112231专 业：测控技术与仪器班 级：测控08-2班指导教师：李刚 助教水箱液位控制系统设计摘要液位是工业工程中的常见变量，在各种过程控制中的应用越来越广泛。例如在食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中，通常需要使用蓄液池，而蓄液池中的液位需要维持一定的高度，既不能太满溢出造成危险，也不能过少而无法满足生产需求。因此液位高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。本文以实验室自制的双容水箱作为液位控

2、制研究对象，通过上位机、研华的PCI-1710L板卡、电动调节阀、压力液位变送器组成的控制系统和压力液位变送器、变频器、水泵组成的控制系统分别实现了单容水箱的远程控制和就地控制，并在文章最后理论性的阐述了双容水箱的控制方法。设计中以组态软件-组态王为开发工具，开发了系统的监视与控制界面，并且自己编程实现PID控制程序，使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、历史数据的归档功能、异常信号的报警功能以及现场操作的指导功能。关键词：水箱液位；PID控制；组态王；变频器；The design of the tank level control system AbstractThe liquid le

3、vel is one of the common variables in Industrial Engineering, the process control is more and more widely used. For example, in the production process of food processing, filtering solution, chemical production and other industries, liquid storage tank is usually used, and making the liquid level of

4、 liquid storage tank at a certain height is very important, neither too overflow to risk nor too shortnot to meet the production demand. Therefore, the height of liquid level in the industrial control process is one of the important parameters, especially in the dynamic condition. If adopt the appro

5、priate method for the control of the liquid level detection, we can get good effect. The research object is based on the self-made double tank level control system, through the host computer, the Advantech PCI-1710Lcard, the electric control valve,the pressure liquid level transmitter, the frequency

6、 converter and the water pump we get two different kinds of the cascade control system for the single water tank of the liquid level control, respectively realized the effect of the remote control and local control. And at last, this article expounds the theory of double water tank control method.Ch

7、oose the design of configuration software King view for development tools, we have had the development of the system to monitor and control interface,and also have programmed PID control procedures that made the system has a field process data, dynamic monitoring historical data archiving function,

8、abnormal signal of the alarm function and the guidance function of the on-site operation.Keywords:Tank level;PID control; King view;Frequency converter;目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1选题背景及意义11.2液位控制系统的发展现状21.3本文的主要工作3第二章控制对象及算法简介52.1被控制变量的选择52.2 执行器的选择52.3 压力液位变送器的选择52.4 研华板卡PCI-1710L简介6模拟量输入连接82.5 PID控制算法

9、概述92.5.1 PID控制器的应用与发展92.5.2 PID算法类型1102.5.3 PID两种控制方式11第三章基于组态王的单容水箱液位控制系统133.1组态王简介813组态王软件的组成133.1.2 制作工程的一般步骤143.1.3 组态王与外部设备通信143.2控制方案选取153.3 上位机组态软件的开发16监控画面16构造数据库17数据通信193.3.4 命令语言的编写203.3.5 实时曲线213.3.6 历史报警查询11213.3.7 历史曲线233.4 参数整定25第四章基于变频器的单容液位控制系统264.1 变频调速基础264.2 三菱通用变频器FR-D700简要介绍274.

10、2.1 FR-D700简介274.2.2 三菱变频器FR-D740-1.5K-CHT常规介绍28控制电路接线端极端子功能介绍294.2.4 操作面板及其功能介绍314.3 变频器的作用314.4 控制系统调试324.4.1 操作步骤334.4.2 参数整定33第五章双容水箱液位控制系统355.1串级控制355.1.1 串级控制概念355.1.2 水箱液位控制方法365.1.4 串级控制的特点365.2 串级控制系统的设计365.2.1 变量的选择36主副控制器的控制规律375.2.3 主副控制器正反作用的选择375.3串级控制系统的工业应用385.4 本章小结38总结39参考文献40附录41致

11、谢43第一章 绪论1.1选题背景及意义液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量。工业生产中的润滑油、冷却水、调速油、油质加工、液态燃料供应、废油净化、溶液加工与传输等场合，常需对容器中液位进行有效可靠的控制，否则将不能使液体循环系统乃至整个机组正常运行。另外，在这些生产领域里，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。工业生产过程中的液位系统通常是时变的，具有明显的滞后特性。在热工生产与传输质量或能量的过程中，存在着各种形

12、式的容积和阻力，加上对象多具有分布参数，好像被不同的阻力和容积相互分隔着一样。生产实际中的被控对象往往是由多个容积和阻力构成的多容对象。两个串连的单容对象构成的双容对象就比较典型。人们生活以及工业生产经常涉及到液位的控制问题，因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，需要对液位的相关变量进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证生产的质量和安全。液位的变化不但受到过程控制过程中内部干扰的影响，也受到外部的各种干扰的影响，而且影响液位变化的干扰一般不止一个，在过程控制中的作用也不同，这就增加了对变量进行控制的

13、复杂性，因此形成了过程控制的下列特点3：1)对象存在滞后热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入(流出)对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。2)对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。3)控制系统较复杂从生产安全方面考虑，生产设备的设计都力求使生产过程平稳，参数变化超出极限范围，也不会产生振荡，作为

14、被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统，而对水箱的液位的研究为以后过程控制方面的其他变量的研究打下了结实的基础。1.2液位控制系统的发展现状目前在实际生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID控制算法为主。PID控制是以对象的数学模型为基础的一种控制方式。对于简单的线性、时不变系统，采用PID控制

15、能够取得满意的控制效果。但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以获得，通过简化、近似等手段获得的数学模型不能正确地反映实际系统的特性。对于此类问题，传统的PID控制方式显得无能为力。液位控制由于其应用极其普遍，种类繁多，其中不乏一些大型的复杂系统。但由于其时滞性很大、具有时变性和非线性等因素，严重影响PID控制的效果，目前，已经开发出来的控制策略很多，但其中许多算法仍然只是停留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的并有发展潜力的仍为数不多。随着生产水平和科学技术的发展，现代控制系统的控制的规模日趋大型化，复杂化，对设备和被控系统的安全性、可靠性、有效性的要求也越来越高，

16、为了确保工业生产过程能够高效，安全的进行，同时提高产品的质量，对生产过程进行在线监测，及时准确地把握生产运行状况，已成为目前过程控制领域的一个研究热点。近几十年来，液位控制系统已被广泛使用，在其研究和发展上也已趋于完备。在轻工行业中，液位控制的应用非常普遍，从简单的浮球液位开关、非接触式的超声波液位检测到高精度的同位素液位检测系统，他们都无时无刻在为液位控制服务。而控制的概念更是应用到周围的许多的事物上，并且液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的部分，如蓄水池，污水处理场等都需要液位控制系统的参与。如果能通过一定的系统来自动维持液位的高度，那么操作人员便可轻易地在操作时获知这个设备的储水状况，

17、这样不但降低了工作人员工作的危险性，同时更也提升了工作的效率。液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但国内生产的液位控制器同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我国液位控制主要以常规的PID控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于实现对滞后、复杂、时变系统的控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国

18、、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。1.3本文的主要工作第一章绪论，主要介绍选题背景，液位控制的研究现状，液位控制的主要控制策略，国内外的发展形势，并总结了国内外在液位控制方面目前比较先进的技术与仪器以及他们的原理，为接下来液位控制系统的设计打下良好的基础。第二章根据设计要求我们对控制参数以及控制算法进行分析，并对所需硬件进行选型，使液位控制达到最佳的效果。第三章针对单容水箱液位控制系统，对其在组态王中的开发进行介绍，开发了系统总体监控系统，设计开发了单容水箱的系统的总监控界面，定义了外部变量，用于和研华板卡PCI1710模块的输入输

19、出部分对应，来实时显示液位值的大小，建立的动画连接，编写了自动控制程序，实现了单容水箱控制系统的自动控制，并且实现了液位值实时曲线历史曲线和历史数据的实时报警历时报警的显示。第四章针对单容水箱液位控制系统，对其在变频器中的开发进行了介绍，监控界面可以用第二章已经设计好的，本设计应用的是日本三菱公司的D700系列的变频器，通过在变频器中设置PID参数以及控制目标值等参数最终实现对单容水箱的液位实现稳定控制。第五章主要针对双容水箱液位控制系统的特点，对各种经典控制进行比较。在本文中，液位控制系统中的水箱为控制对象，液位为控制量。为了使液位的控制达到一定的精度，并且具有较好的动态性能，采用了区别于传

20、统控制方式的串级控制。这样使控制系统能够达到更好的控制要求，提高了系统的控制性能。第二章 控制对象及算法简介2.1被控制变量的选择被控变量的选择是控制系统的核心问题，被控变量选择的正确与否会直接关系到生产的稳定性、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善。对于任何一个控制系统，如果被控变量选择不当，即便配备再好的自动化仪表，使用再复杂、先进的控制规律也不能达到预期的控制效果。对于水箱液位控制系统，可直接选择液位作为其被控变量。2.2 执行器的选择执行器在控制系统中起着控制动作执行的作用。控制系统的控制效果与执行器的性能有着十分密切的关系。执行器接收控制信号并通过改变本身阀门得开度最终实

21、现对操纵变量的改变，从而使被控变量更加接近设定值。2本设计采用的是北京市乐维机电设备有限公的ML7420A，其特点为：安装方便快速、无需连杆、标准导管式接线连接、无需调整、阀门定位准确、低功耗、高的关断压力、终端推力限位开关、010Vdc或210Vdc信号输入、带位置反馈信号输出、正反作用可选、同步马达、防腐设计、免维护。图2.1电动调节阀2.3 压力液位变送器的选择传感器是一种以一定精度把被测量转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量的测量装置，其一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成。传感器的精度直接影响到系统的控制效果，所以应根据不同的系统选择最合适的传感器是必要的9。本设计选用的是由

22、北京昆仑海岸传感技术中心研制生产的JYB-K型号的压力液位变送器，其主要技术参数如下：1）输出形式：420mADC、05VDC2）供电电源：24VDC（±10%）、12VDC3）准确度：±0.5FS、±0.25FS4）介质温度：20705）环境温度：10606）响应时间：<=100mS7）负载能力：电流型<=600（不带显示），<=300（带显示）；电压型>=3K8）可重复性：<=±0.1FS9）长期稳定性：<=±0.1FS/年10)非线性：<=0.2FS11)热力零点温漂：<=0.03FS/12

23、）过载压力：2倍量程13）电气连接：电缆连接14）测量介质：油、水、气体及其他与316不锈钢兼容介质实验室中采用端子型二线制电流输出接线方式，其具体方式如图2.2所示：图2.2端子型二线制接法2.4 研华板卡PCI-1710L简介研华（中国）公司生产的PCI-1710L多功能数据采集卡是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡。用PCI-1710L板卡构成的控制系统框图如图2.3所示。使用时用PCL-10168电缆将PCI-1710L板卡与ADAM-3968接线端子板连接，这样PCL-10168的68个针脚和ADAM-3968的68个接线端子一一对应。7图2.3 基于PCI-1710L板

24、卡的控制系统框图接线端子板各端子的位置及功能如图2.4所示，信号描述如表2-1所示。图2.4ADAM-3968接线端子板信号端子位置及功能表2-1板卡对应端口功能信号名称参考端方向描述AI<015>AIGNDInput模拟量输入通道：015AIGND-模拟量输入地AOGND-模拟量输出地DI<015>DGNDInput数字量输入通道：015DO<015>DGNDOutput数字量输出通道：015DGND-数字地（输入或输出）+12VDGNDOutput+12V直流电源输出+5VDGNDOutput+5V直流电源输出模拟量输入连接PCI-1710L卡既支持16

25、路单端模拟量输入，又支持8路差分模拟量输入。输入通道的配置可通过软件进行选择，这种方式比通过卡上的跳线选择配置更为简便。在过去，如果通过开关将一个通道设置为单端输入，则其它通道也需设置为单端。但是PCI-1710L卡与之不同即使通过软件将一个通道设置为单端输入，其它通道也可保留原有配置。单端输入配置只为每个通道提供1根信号线，且被测量的电压以公共地为参考。没有接地端的信号源称为“浮动信号源”。将单端通道连接至浮动信号源尤为简单。在这种模式下，PCI-1710L板卡为外部浮动信号源提供一个参考地。如下图2.5所示。图2.5单端输入通道连接2.5 PID控制算法概述2.5.1 PID控制器的应用与

26、发展在过去的几十年里，控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。今天所熟知的控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。PID控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，PID控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID的发展过程，很大程度上是它

27、的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Niehols提出的简称为Z-N的整定公式，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普遍应用。1953年Cohen和Coon继承和发展了Z-N公式，同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的Cohen-Coon整定公式。自Ziegler和Nichols提出参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。按照发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法：按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方

28、法，后者是最近研究的热点及难点：按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设备优质、高产、低耗和安全生产的重要指标。由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、过程时间常数一般比较小、价格低廉等特点，所以被广泛应用于工业测量。在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是PI

29、D控制。即使在美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%，可见PID控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业过程控制的重要组成部分。由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢，呈非线性。因此液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。本课题针对液位控制设计

30、了一个由压力传感器、PLC、电动调节阀等组成的系统，并采用了增量式PID算法对其控制。随着科学技术的发展，在液位控制方面有很多不同的方法，而计算机控制技术在过程控制中占有十分重要的地位。2.5.2 PID算法类型1PID(Proportional Integral Derivative)调节是连续控制系统中应用最多的一种控制调节规律。其本身根据控制对象的动态特性，按需要可以分解成P、PI、PD调节模块，而且多数复杂控制(如串级调节，比值控制)中均采用了PID控制规律。生产实际证明，PID控制能满足绝大多数工业过程被控对象的控制要求，至今仍然是一种最基本的控制方法。比例控制：就是对偏差进行控制，

31、偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下；Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。比例调节的优点是调节及时，反应灵敏，当偏差一旦出现，就能及时产生与之成比例的调节作用，偏差越大，调节作用越强，但单纯的比例控制存在静差不能被消除的缺点，因此就需要积分控制。积分控制：实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起

32、来，一起算总帐。微分控制：它能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调，增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。因此，在实际应用中，应慎用微分控制。2.5.3 PID两种控制方式1）位置型控制（2.1）2）增量型控制（2.2）为了方便编程进一步整理可得： （2.3）其中：；图2.6 位置型PID算法流程图图2.7 增量型PID算法流程图图2.8PID程序流程图第三章 基于组态王的单容水箱液位控制系统3.1组态王简介8组态王软件由于其界面友好，使用简单等优势，近年来成为很受

33、欢迎的上层组态软件。组态王软件是在PC机上建立工业控制对象与人机接口的智能软件包，他以windows中文操作系统作为操作平台，充分利用了windows操作系统的图形完备，易学易用的特点。由于其采用了PC机开发系统工程，因此，比使用工控机控制系统更具有通用性，减少了在重复性方面的工作量，可以方便进行二次开发。具体来说，组态王的主要特点有以下几方面：1）主画面显示功能。2）良好的开放性。3）丰富的功能模块。4）强大的数据库。5）强大地ODBC功能。6）可编程的命令语言。7）系统安全性。组态王软件的组成组态王软件包由工程管理器、工程浏览器、画面运行系统、三大部分组成。其中，工程管理器用于新建工程、工

34、程管理等。工程浏览器内嵌换面开发系统，及组态王开发系统。工程浏览器和画面运行系统是各自独立的windows应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行环境中才能运行。在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构建、定义外部设备的等工作；工程浏览器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理；画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统和画面运行系统来完成。画面制作系统是应用工程的开发环境，可以在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。画面制作系统具有先进完善的图形生成功能；数据库提供多种数据的类型，能合理地提取

35、控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有间接的操作。工程管理器是应用程序的管理系统。它具有很强大的管理功能，可用于新工程的创建和删除，并能对已有工程进行搜索备份及有效恢复，实现数据词典的导入导出。画面运行系统是组态王软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建立的图形画面只有在画面运行环境中才能运行。画面运行系统从控制设备中采集数据，并保存在实时数据库中。它还负责把数据的变化以动画的方式形象的表示出来，同时可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视工程，并按实际需求记录在数据库中。制作工程的一般步骤建立新的组态王的工程的一般过程为：设计图形界面、定义设备、构造数据

36、库、建立动画连接和运行和调试。利用组态王开发系统编制过程时，需要注意以下几个问题：首先用户希望怎样的图形画面，也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。其次怎样用数据来描述工控对象的各种属性也就是创建一个具体数据库，此数据库的变量反映了工控对象的各种属性，比如压力，温度等。最后了解数据和图形画面中的图素的连接关系。也就是画面的图素是怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。组态王与外部设备通信组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现组态王要和外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动程序作为组态王和外部设备的接口，在开发过程中只需根据工

37、程浏览器提供的设备配置向导一步步完成连接过程，即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据。每一个驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个如图3.1所示的完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。4图3.1组态王与外部设备通信图3.2控制方案选取单容水箱控制系统实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了同类实验装置的特点和长处后，经过老师的精心设计，多次实验和反复论证，推出

38、了这一套全新的实验装置。该系统可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制等多种控制形式。单容水箱系统的水箱主体由蓄水容器和检测元件两大部分构成。图3.2 液位控制方框图图3.2是液位控制系统的方框图从图可知，简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象，测量变送装置，控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图来表示，这就便于对他们的共性进行研究。还可以看出，在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行的，这是反馈控制系统的又一特点。3.3 上位机组态软件的开发监控画面监控

39、画面是整个上位机监控系统开发中最为重要的部分，液位控制监控系统实现了对整个液位控制流程实时动态模拟显示。操作人员可以直接通过上位机查看液位变化过程的运行状况，并且通过监控画面进行实时控制。整个监控系统的换面采用分层设计，顶层为系统初始画面，下面包含若干个控制子图。图3.3 上位机监控系统结构图主监控画面包含了系统的重要设备，并按照控制流程组合在一起，显示设备参数的变化和运行状态开发的主监控画面如下图所示，主监控画面不仅要显示设备实时运行的状态，还要控制整个控制过程的启动、停止以及各个控制状态的变化，实现各个子设备在手动和自动方面的切换。因此，在主画面的右下方设置了【历史曲线查询】菜单、【报警历

40、史查询】菜单、【报警确认】菜单、【PID】设定菜单和【设定值】菜单。对于各个菜单，点击菜单选项就会执行菜单动画命令语言。图3.4 主监控主界面图3.5 命令语言窗口在主画面的右下方设置了切换按钮，点击按钮，开始执行按钮动作语言，切换到与之相对应的子画面，其命令语言的编辑如图3.5所示。构造数据库数据库是“组态王”最核心的部分。在组态王运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反应在屏幕上，同时工程人员在计算机前发布的指令也要迅速送达现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，数据库是联系上位机和下位机的桥梁。组态王中，变量的类型共有两类：内存变量、“I/O”变量。“I/O”变量指可与外部数据采集

41、程序直接进行数据交换的变量。这种数据的交换是双向的、动态的，在实际控制系统中，那些从下位机采集的数据以及发送给下位机的指令都需要写成“I/O”变量。内存变量指那些不需要和其它应用程序交换数据、也不需要从下位机得到数据，在组态王内人工设定值的变量。“I/O”变量通过“定义变量对话框”来完成。在设置的过程中，加入了同外部设备寄存器连接的设置，如果外部设备寄存器中的数值不需要转换，上位机可以直接使用，那么保持最大值和最大值原始值一致，最小值和最小原始值一致；否则，就要分别设置最大值和最小值来完成数值范围的线性或非线性转化。在液位控制系统中，寄存器中保存的是“I/O”模块采集液位值，寄存器范围是O-1

42、000，不是实际的液位范围，这个时候就需要按照量程进行转换。本文根据液位控制系统实际需要，将需要的水箱液位值从下位机获得数据，因此变量设置为“I/O”类型变量，并且，在定义变量时设定其连接设备及寄存器地址，确定模拟量与数字量之间的对应关系。图3.6“ I/O”变量定义示意图对于内存变量的定义同样通过“定义变量对话框”来完成。如图3.6所示：在实际的液位控制系统中，需要定义多个内存变量以完成算法的实现，因此，需要在组态王中定义内存变量。由于内存变量仅仅作为内部算法实现的中间变量，不需要对下位机输出，因此，可以不必对它进行过多的转换。图3.7 内存变量定义示意图图3.8 数据词典数据通信水箱液位控

43、制系统采用研华PCI-1710L智能模块来实现与上位机的具体通信，所以需在上位机组态软件中定义模块的通信通道。组态王提供了研华PCI-1710L模块的设备驱动程序，只需要按照如下配置向导就可以完成串口设备的配置，从而实现上位机与板卡模块间的通信。具体步骤如下12：1）在工程浏览器的目录显示区单击，继而在右边目录显示区双击，就会弹出“设备配置向导”的对话框，如图3.9所示：图3.9选择板卡2）点击其中的智能化模块，选择其下的研华系列板卡，在其下选择PCI-1710L板卡，点击下一步。3）给安装的设备指定唯一的逻辑名称。4）为安装的设备指定通信地址。通讯地址查询方式如下：右击我的电脑，选择【管理】

44、，点击【设备管理】，在右侧框内选择板卡右击，【属性】-【资源】，从这里可以详细地看到板卡的输入输出范围,如图3.10所示。图3.10 查处板卡通讯地址5）输入尝试恢复时间、最长恢复时间，其含义为：当上位机与设备断开时多长时间尝试恢复一次连接；当时间超过多长时间就停止尝试连接。点击【下一步】，点击【完成】。命令语言的编写组态王命令语言在语法上是一种类似于C语言的程序，开发人员可以利用这些程序来来处理和进行操作。命令语言都是靠时间的触发而执行的，比如定时、数据变化等等。根据功能的不同，包括了应用程序命令语言、数据改变命令语言、动画连接命令语言和画面命令语言。各种命令语言通过“命令语言编辑器”进行编

45、辑输入后在组态王运行系统中编译执行。其具体操作为：在工程浏览器目录显示区，选择，双击【应用程序命令语言】进入命令语言编辑器，用户可以在启动时、运行时、停止时分别编写程序。图3.11命令语言应用程序命令语言是同系统相关联的，只有一个。数据改变命令语言是当连接的变量的值发生改变时，系统自动执行的命令语言。数据改变命令语言是同变量相关联的，可以按照需要定义多个。画面命令语言是和画面联系在一起的，每个画面对应一个命令语言，画面显示时画面命令语言按照指定时间间隔定时执行。本文中的控制程序是由上面介绍的应用程序命令语言构成的。实时曲线本设计根据实验室具体情况对水箱液位最大值、最小值等参数进行了设定，并绘制

46、出实时曲线模块，如图3.4所示。用户可以通过观察曲线直观的监控水位的变化情况，同时在实时曲线下面还绘制了报警模块，当液位超过设定值时报警系统进行报警，报警灯闪烁并伴有警告。在组态王中定义实时曲线画面，在实时曲线名的编辑框中可输入有效的变量名或者表达式，同时可定义变量的曲线颜色。本设计将液位曲线设置为绿色。在【标识定义】中，定义曲线的数值轴与时间轴，设定曲线的标识数目、曲线的更新频率以及整个曲线的时间长度。历史报警查询11组态王将报警信息自动保存到我的工程里的alarm文件中，但是用户在查询报警历史查询时去文件夹中寻找比较麻烦，本设计为了解决这一问题设计了报警历史查询模块，此模块中还有一个日历控

47、件和一个“KVADODB Grid Class”控件组成的时间模块，为查询时报警的时间选择提供方便。接下来进行数据库以及ODBC数据源的建立：首先需要在Access中建立一个空白数据库，例如建立路径为：D：报警存储与查询报警数据库.mdb。之后在此数据库中创建一个数据表：表的名称为：Alarm，字段类型为文本类型。接下来按照下面的步骤进行操作：1）设置ODBC数据源组态王通过ODBC数据源将报警信息存储到数据库中，因此必须先建立ODBC数据源。在【控制面板】-【管理工具】-【ODBC数据源】中建立ODBC数据源，点击【ODBC数据源】弹【ODBC数据源管理器】，如下图3.12所示：在【用户DS

48、N】中点击【添加】弹出【选择数据源驱动程序】窗口，如下图3.13所示：选择【Microsoft Access Driver(*.mdb)】驱动，点击【完成】。弹出如图3.14所示窗口，填写ODBC数据源的名称，根据需要对数据源进行命名，如“报警”，点击【选择(S)】，如图3.15所示。选择前面定义的数据库文件“D：报警存储与查询报警数据库.mdb”。点击【确定】完成ODBC数据源的定义。其他数据库如SQL Server的ODBC定义请参考相关文档。图3.12ODBC数据源管理器图图3.13 选择数据源的驱动程序图3.14 数据源定义图3.15 选择数据库3）报警配置数据库以及ODBC数据源定义

49、完成后，进行报警配置中的数据库配置。双击组态王工程浏览器的“系统配置”中的“报警配置”，其中要注意的是报警记录的时间格式要是否则报警信息不予显示。4）创建日历控件在通用控件中选择“Microsoft Date and Time Picker Control ”，其下的脚本程序如下所示：全部保存运行可得到下面的结果。图3.16 历史报警查询历史曲线组态王的历史数据可以通过曲线的形式显示。在组态王中，内置的曲线分为温控曲线、趋势曲线和超级X-Y曲线。历史曲线是监控系统中必不可少的部分，他可以使用户通过曲线的方式来查询控制系统的重要数据，从而更方便的完成参数的整定。使用历史曲线时，需要对曲线做相关的

50、配置，其中，主要为变量属性的配置和历史数据存放位置的配置。只有完成变量定义的记录属性设置以后，组态王才会自动按照设置的方式存储历史数据。变量属性设置的对话框如图3.17所示：图3.17设置记录历史数据历史曲线是监控系统必不可少的部分，操作人员以曲线的形式查询重要历史数据，分析控制过程，进而调节控制参数。但是，历史曲线本身并不保存变量的历史数据，而仅仅是显示历史数据的一种方式。历史数据的存储主要由组态王提供的历史库来完成。本文采用组态王提供的历史曲线控件来实现水箱液位历史曲线的显示。在组态王中右击控件，点击【控件属性】，在“曲线”目录下点击【历史库中添加】，在【坐标系】、【游标配置选项】中对记录

51、的时间格式游标等进行设置。系统运行时，历史趋势曲线控件自动连接历史数据库，把数据库中保存的数据以曲线的形式显示出来。图3.18 历时曲线查询用户可根据液位控制的各个阶段曲线的显示来观察液位控制情况，并根据观察到的情况来调整参数。在实际查看过程中，用户可以通过调整曲线跨度和左右移动来查看曲线。在历史曲线显示模块中，包含了历史曲线控件及用以及用来查询各个时刻记录曲线的按钮。用户可以通过具体的时间来方便的查询某一时间的历史曲线。3.4 参数整定连接设备，运行编写的PID程序，通过不同的PID参数的设定观察控制的实际效果，其中目标值为200毫米，选出一组最为合适的参数对水箱液位进行控制，其实际效果如下

52、图所示：图3.20 比例=0.5,积分=0.3 图3.21 比例=0.5,积分=0.1图3.22比例=0.5,积分=0.1,微分=5 图3.23比例=1,积分=0.1比较以上几幅图可知，当比例=0.5，积分=0.1时控制效果最佳。第四章 基于变频器的单容液位控制系统4.1 变频调速基础变频调速是国际上各大电器公司在70年代末80年代末投入全力研制、开发的技术，通过几十年的发展，国内和国外在变频调速技术上都已经常熟。目前，变频调速的控制法有恒压频比控制、转差率控制、矢量控制、直接转矩控制等，其控制原理如下：根据异步电机的基本原理，异步电机转速公式为： （4.1）其中n为电动机的转数，f为电源频率

53、，s为转差率，p为定子旋转磁场的极对数，所以从这个公式就可以看出，要想改变电动机的转速，可以改变f，s，p这三个中的任意一个，就能够实现调速，其中改变电源频率f是比较方便和有效的方法，只要改变了电源频率就能都改变电动机的转速。1）V/F控制原理：U=E=4.44f*N*K*，其中U是电源电压，E是定制绕组的感应电动势，f电源频率，n为绕组线圈匝数，K为绕组分布系数，为磁通量。从这个公式可以看出，如果减小f的话，电源频率U还不变，那么必然变大，因为电机的磁路设计都是按照一定的磁通量设计的，如果增大，那么磁路有可能就进入了饱和状态，所以必须保证为恒定，所以相应的也应该减小电源电压U，同理，f增大，

54、U也要增大，同时必须保证u/f为一个常量。2）矢量控制原理：矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 基于转差频率控制的矢量控制其同样是在进行U/f恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通过变频器的输出频率进行控制的。基于转差频

55、率的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中的转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基础上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本思想是根据出入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系分别对作为基本控制量的励磁电流和转矩电流的指令值和检测值达到一致，

56、并输出转矩，从而实现矢量控制。 采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确的输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需要使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动识别、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行日常运转之前可以自动地进行对异步电动机的参数进行识别，并根据便是结果调整控制算法中的参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制

57、。除了上述的无速度传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数组时自动电压调整控制技术的控制方式，以实用化并取得良好效果。4.2 三菱通用变频器FR-D700简要介绍 FR-D700简介FR-D700系列的变频器是具有变频调速器和经济型高性能的变频器，其功率范围：0.115KW。本系统用的变频器是FR-D740-1.5K-CHT。在三菱变频器系列产品中它是一种理想的小功率，低价位变频器。FR-D740-1.5K-CHT变频器特别适合作为水泵和风机的驱动装置，或者作为各种工业设备的驱动装置，例如，食品工业，纺织工业和包装工业，以及传送带驱动系统，工厂大门和车库大门传动链的驱动，还可以作为移动是广告牌的驱动装置。图4.1 FR-D740-1.5K-CHT变频器的