基于组态软件的串级液位流量控制系统

基于组态软件的串级液位流量限制系统 1概述 1.1本课程设计课题探讨的意义 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对限制系统的限制品质提出了日益增长的要求。在这种状况下，简洁的单回路限制已经难以满足一些困难的限制要求。在单回路限制方案基础上提出的串级限制方案，则对提高过程限制的品质有极为明显的效果。串级限制系统具有单回路限制系统的全部功能，而且还具有很多单回路限制系统所没有的优点。因此，串级限制系统的限制质量一般都比单回路限制系统好，而且串级限制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级限制是一种易于实现且效果又较好的限制方法。 本课程设计课题探讨了一个简洁的液位流量串级限制系统的设计方法及步骤。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本课程设计课题具有较大的现实意义。 1.2设计的目的 通过课程设计，加深对所学传感器技术、自动限制原理、转换技术以及过程限制的基本原理等基本原理、基本学问的理解和应用，驾驭串级限制系统的设计步骤和方法，驾驭工程整定参数方法，培育运用组态软件和计算机设计过程限制系统的实际实力，培育创新意识，增加动手实力，为今后工作打下肯定的理论和实践基础。 1.3设计要求 （1）依据液位-流量串级过程限制系统的详细对象和限制要求，独立设计限制方案，正确选用过程仪表。 （2）依据液位-流量串级过程限制系统A/D、D/A和开关I/O的须要，正确选用过程模块。 （3）依据与计算机串行通讯的须要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。（4）运用组态软件，正确设计液位-流量串级过程限制系统的组态图、组态画面和组态限制程序。 2系统限制方案 2.1限制系统在实际应用中的重要意义 单回路限制系统是过程限制中结构最简洁的一种形式，它只用一个调整器，调整器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数状况下，这种简洁系统已经能够满足工艺生产的要求。但有些调整对象的动态特性虽然并不困难，但限制的任务却比较特殊，则单回路限制系统就无能为力了。另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加困难，对限制系统的精度和功能提出很多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，须要在单回路的基础上，实行其它措施，组成困难限制系统，而串级限制系统就是其中一种改善和提高限制品质的极为有效的限制系统。 液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行限制的装置在工业生产中应用的特别普遍。液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积拖延，假如用单回路限制系统来限制，可能无法达到较好的限制质量。而串级限制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到特别明显的提高限制质量的效果，因此往往采纳串级限制系统对液位进行限制。一般状况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小，将它纳入副回路进行限制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的限制。 2.2限制方案 在本系统中被控参量有两个，上水箱液位和管道流量，这两个参量具有相关联系，流量的大小可以影响上水箱液位，依据流量与液位的关系，故系统采纳串级限制，内环为流量限制，外环为液位限制。内环与外环的限制算法均采纳PID算法，PID算法实现简洁，限制效果好，系统稳定性好。外环液位限制器的输出作为内环流量限制器的设定值，流量限制器的输出来限制调整阀的大小，来限制管道流量的大小，进而限制上水箱液位。 2.3限制规律 本设计采纳的是工业限制中最常用的PID限制规律，内环与外环的限制算法采纳PID算法，PID算法实现简洁，限制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调整器限制规律为比例、积分、微分限制，简称PID限制，又称PID调整。它结构简洁，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的阅历。其主要特点是： (1)技术成熟；PID调整是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的限制方法，它的结构敏捷，不仅可实现常规的PID调整，而且还可依据系统的要求，采纳PI、PD、带死区的PID限制等； (2)不需求出系统的数学模型； (3)限制效果好。虽然计算机限制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调整器，并且能得到比较满足的效果。2.4系统结构设计 整个过程限制系统由限制器、调整器、测量变送、被控对象组成。在本次限制系统中限制器为计算机，采纳算法为PID限制规律，调整器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图2.2所示。 当系统启动后，水泵起先抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还须要放水到下水箱。若还须要（即水位过低），则通过电磁阀限制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不须要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其过程限制系统图如图2.1所示。图2.1限制系统框图 过程限制系统由四大部分组成，分别为限制器、调整器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路限制，即为闭环限制系统，如下图2.2图2.2液位单回路限制系统框图2.5限制系统的总体方框图及工作过程图2.3计算机限制上水箱液位和流量串级系统限制框图被控对象为图2.3中所示液位 被控对象的工作原理、传递函数及理论推导如下：单容水箱如图2.1所示，Qi为入口流量，由调整阀开度μ加以限制，出口流量则由电磁阀限制产生干扰。被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。明显，在任何时刻水位的变更均满足dHdT其中Qi=KQo=kHF为水箱的横截面积；Ku是确定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k液位的传递函数:H(S)Qi(s)3过程仪表的选择 3.1液位传感器 液位传感器（静压液位计／液位变送器／液位传感器／水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采纳国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA／１～５ＶＤＣ）。 它分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，侍服液位变送器等。其次类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。 常见几种液位传感器的比较 1.雷达液位传感器原理：D=L-CT/2雷达液位传感器放射—反射—接收的工作模式。雷达液位传感器的天线放射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从放射到接收的时间与到液面的距离成正比。 该类型传感器一般肯定误差在2mm左右，测量范围一般是0.5m-20m，由于其非接触的测量原理相对磁尺来说对被测介质范围就比较广，液体，固体（物位）都可以。缺点主要是精度不够高，在短量程方面有暗区，由于电磁波不能受到干扰，安装时应避开障碍物，同时也应避开温度等因数对电磁波的影响。另外在界面方面，特殊是密度相差不是很大界面方面，远远不如磁尺便利精确。 2．超声波液位传感器 原理与雷达液位传感器相同，只是相对雷达的电磁波，超声波液位传感器是利用空气的声纳原理，放射和接受的是一种超声波。从性能上来说，超声波比雷达具有更稳定的性能。 3.浮球式液位（界面）传感器 此类传感器的工作基于浮子的浮力及磁性原理。当浮子随着液位（界面）上下浮动，浮子内永磁体的磁力作用于导管内的干簧管，使相应高度的干簧管闭合，得到正比于液位的电压信号，经转换器转换成磁浮子传感器最大的特点就是精度不高，某厂家产品的一组数据为：测量范围L,当500<L>1000时，精度为1.5%，当L>1000时，精度为1.0%.测量范围主要集中在4m以下。相对来讲，在界面测量方面有很稳定的性能。 4.磁翻板式液位计磁翻板式液位计是以磁性浮子为感应元件，并通过磁性浮子与显示色条中磁性体的耦合作用，反映被测液位或界面的测量仪表。磁浮子式液位计和被测容器形成连通器，保证被测量容器与测量管体间的液位相等。当液位计测量管中的浮子随被测液位变更时，浮子中的磁性体与显示条上显示色标中的磁性体作用，使其翻转，红色表示有液，白色表示无液，以达到就地精确显示液位的目的。 此类传感器具有显示直观醒目、不需电源，安装便利牢靠，维护量小，修理费用低的优点，是玻璃管、玻璃板液位计的升级换代产品。但测量精度不高，一般厂家标称的误差都在10mm到20mm之间。假如须要把现场的数据远传还须要加一个相应数据远传变送器，如下图所示。值得一提的是，由于该传感器中浮球与磁尺类似，所以该传感器能和磁尺协作运用。这样，磁翻板就起到现场显示作用，而磁尺则起到变送远传的功能。而且通过磁致伸缩原理将其转换成高精度的电信号，而且信号类型丰富。而一般的远传变送器的原理是将开关信号转换为连续的模拟量的输出。 对于浮子和磁翻板两种传感器，在业内对其两者的名称简洁混淆，因为都是有一个磁性浮子，所以很多时候都被称之为磁浮子液位计，实际沟通时须要详细确认。凡此两类传感器主要特点就是精度不高，同时由于磁性原理也须要在现场安装时留意一些干扰。 5.电容式液位传感器 原理：把一根涂有绝缘层的金属棒，插入装有导电介质的金属容器中，在金属棒和容器壁间形成电容，其物位变更量△H与电容变更量△CX关系如下：∆式中：C0为容器液体放空时，金属棒对容器壁的分布电容 ε为容器液体介电常数； H为液位高度； D2为绝缘套管的直径； D1为金属棒的直径 当被测介质物位变更时，传感器电容量发生相应变更，电容量的变体∆CX通过转换器转换成与物位成比例的直流标准信号。 此类传感器由于其原理确定，实际中依据被测介质的导电属性来选择各种不同的测量探头。电容式原理的精度一般都能达到0.5%左右，测量范围在0.2m--20m之间。由于电容原理的一些特殊性，相比磁尺来讲在稳定性方面还是有肯定的距离。 6.静压式液位传感器 静压式液位计的两线制液位变送器由一个内置毛细软管的特殊导气电缆、一个抗压接头和一个探头组成。静压式液位计的探头构造是一个不锈钢筒芯，底部带有膜片，并由一个带孔的塑料外壳罩住。静压式液位计的液位测量事实上就是在测探头上的液体静压与实际大气压之差，然后再由陶瓷传感器（附着在不锈钢薄膜上）和电子元件将该压差转换成4～20mA输出信号。 静压式液位计的技术优势 静压式液位计最大200m量程，不锈钢探头、陶瓷隔膜、橡胶密封，长期稳定性≤0.15%/年，防爆型可选。 静压式液位计的种类：可以分为投入式和侧装式两种。 工作原理 静压式液位计CBM－2100CBM－2700静压式液位计（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压式液位计（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高NIVELCO投入静压式液位计度成比例的原理，采纳国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA/1～5VDC）。NIVELCO投入静压式液位计CBM－2100CBM－2700系列静压式液位计（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精致的结构，简洁的调校和敏捷的安装方式为用户轻松地运用供应了便利。4～20mA、0～5v、0～10mA等标准信号输出方式由用户依据须要任选。 用静压测量原理： 当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：P=ρgh+P0 式中：P:变送器迎液面所受压力 ρ：被测液体密度 g：当地重力加速度 P0：液面上大气压 静压式液位计同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压P0与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的P0，使传感器测得压力为：ρgh，明显,通过测取压力P，可以得到液位深度。 功能特点: 稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.1%FS/年。在补偿温度0～70℃范围内，温度飘移低于0.1%FS，在整个允许工作温度范围内低于0.3%FS。 具有反向爱护、限流爱护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异样时送器会自动限流在35MA以内。 固态结构，无可动部件，高牢靠性，运用寿命长。 安装便利、结构简洁、经济耐用。 静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精致的结构，简洁的调校和敏捷的安装方式为用户轻松地运用供应了便利。4～20mA、0～5v、0～10mA等标准信号输出方式由用户依据须要任选。 利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采纳特种的中间带有通气导管的电缆及特地的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。 它是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采纳聚四氟乙烯材料制成，采纳特种氟胶电缆及特地的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。 液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采纳工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采纳高品质、低功耗精密器件，稳定性、牢靠性大大提高。可便利地与其它DDZ—X型仪表互换配置，并能干脆替换进口同类仪表。效验的方法时通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下检查输出电流。在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA，在满量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0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。液位传感器用来对上水箱和中位水箱的液位进行检测，液位传感器 3.2电磁流量传感器、电磁流量转换器 流量传感器用来对电动调整阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。依据本系统装置的特点，采纳工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0—0.3/h，压力1.6Mpmax，4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表，计算器或调整器配套。避开了涡轮番量计非线性与死区大的致命缺点，确保试验效果能达到系统的要求。 主要优点： (1)采纳整体焊接结构，密封性能好； (2)结构简洁牢靠，内部无活动部件，几乎无压力损坏； (3)采纳低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定； (4)仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽； 流量转换器采纳LDZ-4型电磁流量转换器，与LDS-10S型电磁流量传感器配套运用，输入信号：0—0.4mV输出信号:4—20mADC，允许负载电阻为0—750欧姆，基本误差：输出信号量程的0.5%。 LDZ-4A型矩形波电磁流量转换器可与各种规格的电磁流量变送器（89年起新产品改称传感器下同）配套，用于测量导电液体或液固两相流体的体积流量。转换器将来自变送器的低电平毫伏信号转换为与流量成正比的0～10mADC或4～20mADC标准信号输出，供显示、记录、积算、自动限制和调整用。 其特点：采纳低频三值矩形波励磁及采样放大技术，抗干扰实力强； 零点稳定，工作牢靠； 耗电量小，成套仪表耗电量约为30VA，与变送器的口径大小无关。主要技术指标 输入信号：0.4～4mV(三值波) 输出信号：0～10mADC（负载电阻：0～1.5kΩ） 4～20mADC（负载电阻：0～750Ω） 精度：输出电流精度0.5级 电源：220V50Hz 激磁电流：<0.5A 环境条件：温度-10～55℃；温度<85% 3.3电动调整阀 近年来，电动调整阀的发展是快速的，它们的运用已经无处不在。在北京奥运会闭幕式上，主火炬的熄灭采纳了电动调整阀技术，并按等比例调整方式调整限制燃气流量，最终使得8米高的火焰匀速降低直至全部熄灭。 电动调整阀从诞生到现在成为调整阀市场的主流，也是经过了一个较长的过程的。起先时，是气动调整阀为主。气动调整阀也的确有它的优势所在：它结构简洁，操作、维护便利，只要有气源就可进行自动限制，成本想对较低；而且由于其本质平安性，在化工等行业中，须要防爆的场合，尤其适合。但是，由于它的驱动力气来自压缩空气，而空气的可压缩性，必定导致响应速度和限制稳定性不够的问题，尤其在大口径、大执行器和压降较大的场合、限制精度要求较高的场合，就暴露出它的弱点来，还有就是速度问题，由于大气缸的气容较大，从执行器接收到气信号到对调整元件的驱动，这中间须要一个时间，所以开关时间就比较长，越是大的阀门，这种状况越明显。当然，这些问题也都在改善：比如，配备较精密的定位器或智能定位器，在气源管路中加装快速排气阀等，都不同程度地改善了气动调整阀的限制性能。 电动调整阀是工业自动化过程限制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高，正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调整阀相比具有明显的优点：节电动调整阀能（只在工作时才消耗电能），环保（无碳排放），安装快捷便利（无需困难的气动管路和气泵工作站）。 阀门结构：由电动执行机构和调整阀连接组合后经过机械连接装配、调试安装构成电动调整阀。工作原理工作电源：DC24V,AC220V,AC380V等电压等级。通过接收工业自动化限制系统的信号（如：4-20mA）来驱动阀门变更阀芯和阀座之间的截面积大小限制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调整功能。流量特性介绍：电动调整阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调整阀的相对流量与它的开度之间关系。电动调整阀的流量特性有：线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。应用领域：电力、化工、冶金、环保、水处理、轻工、建材等工业自动化系统领域。安装：电动调整阀最相宜安装为工作活塞上端在水平管线下部。温度传感器可安装在任何位置，整个长度必需浸入到被控介质中。电动调整阀一般包括驱动器，接受驱动器信号（0-10V或4-20MA）来限制阀门进行调整，也可依据限制须要，组成智能化网络限制系统，优化限制实现远程监控。电气原理动作原理：电机电源220VAC或者380VAC，限制信号4~20mA，阀里面有限制器，限制器把电流信号转换为步进电机的角行程信号，电机转动，由齿轮，杠杆，或者齿轮加杠杆，带动阀杆运作，实现直行程或角行程。反馈：电机运行，通过齿轮运转，由三接头的滑动变阻器输出阀门的定位信号，此外还有三根线的限位信号（全开，全开。公共线）电动调整阀的用途及作用用于调整工业自动化过程限制领域中的介质流量、压力、温度、液位等工艺参数。电动调整阀适用范围：空调、供暖、通风、生活热水等民用系统及化工、石油冶金、电力轻工业等各行业生产过程中的自动限制。阀体结构特点：（1）调整阀主要由阀体、套筒、阀瓣、阀杆等零件组成。套筒和阀瓣上都开有节流孔通过阀瓣在阀座内回转来变更过流面积，调整流量。配ZKJ型或其它型电动角行程执行器可实现遥控和自动限制。（2）调整阀广泛应用于给水管路中作调整流量运用。也可在油品管路中运用。性能：1）由于不须要进行系统调试,所以省去很多麻烦,节约了大量的时间,缩短竣工日期。2）由于不用运用阀门组和用于分层限制的阀门,所以为您节约了较多的管材,保温材料及安装费用和时间。3）使水系统时时刻刻都处于平衡状态,所以无论安装分期施工或设备分期运用都不会影响水系统的平衡。4）即使工程后期或投入运行后因变更某些用途而须要变更某些区域的水系统设计,也不会影响其他区域的水系统设计,更不会影响其他区域的水系统平衡。5）由于整个系统处于动态平衡状态,所以制冷机组及水泵将以最节能状态运行,节约了大量的运行维护费用。6）由于系统的流量平衡是自动进行的,使安装维护更加便利,并杜绝了人为操作失误破坏平衡的可能。 电动调整阀对限制回路流量进行调整。采纳德国PS公司进口的PSL202型智能电动调整阀，无需配伺服放大器，驱动电机采纳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，限制精度高。限制单元与电动执行机构一体化，牢靠性高，操作便利，并可与计算机配套运用，组成最佳调整回路。有输入限制信号4-20mA及单相电源即可限制运转实现对压力流量温度液位等参数的调整，具有体积小，重量轻，连线简洁，泄露量少的优点。采纳PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座住塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采纳柔性弹簧连接，可预置阀门关端力，保证阀门的牢靠关断，防止泄露。性能稳定牢靠，限制精度高，运用寿命长等优点。电动调整阀3.4变频器 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能限制装置。变频器事实上就是一个逆变器.它首先是将沟通电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为沟通电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在肯定范围内可调.用来限制电机的转数.使转数在肯定的范围内可调.变频器广泛用于沟通电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，沟通变频技术从理论到实际渐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。 1）变频器工作原理 我们知道，沟通电动机的同步转速表达式为：n＝60f(1－s)/p 式中 n：异步电动机的转速；f：异步电动机的频率； s:电动机转差率； p:电动机极对数。 由式n＝60f(1－s)/p可知，转速n与频率f成正比，只要变更频率f即可变更电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变更时，电动机转速调整范围特别宽。变频器就是通过变更电动机电源频率实现速度调整的，是一种志向的高效率、高性能的调速手段。1）变频器限制方式 低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采纳交—直—交电路。 其限制方式如下： a)U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）限制方式 其特点是限制电路结构简洁、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种限制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩实力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、限制曲线会随负载的变更而变更，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又探讨出矢量限制变频调速。 b)电压空间矢量（SVPWM）限制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以靠近电机气隙的志向圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形靠近圆的方式进行限制的。经实践运用后又有所改进，即引入频率补偿，能消退速度限制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消退低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但限制电路环节较多，且没有引入转矩的调整，所以系统性能没有得到根本改善。 c)矢量限制（VC）方式矢量限制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的沟通电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后仿照直流电动机的限制方法，求得直流电动机的限制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的限制。其实质是将沟通电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个重量进行独立限制。通过限制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个重量，经坐标变换，实现正交或解耦限制。矢量限制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以精确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机限制过程中所用矢量旋转变换较困难，使得实际的限制效果难以达到志向分析的结果。 d)干脆转矩限制（DTC）方式 1985年，德国鲁尔高校的DePenbrock教授首次提出了干脆转矩限制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量限制的不足，并以新奇的限制思想、简洁明白的系统结构、优良的动静态性能得到了快速发展。目前，该技术已胜利地应用在电力机车牵引的大功率沟通传动上。 干脆转矩限制干脆在定子坐标系下分析沟通电动机的数学模型，限制电动机的磁链和转矩。它不须要将沟通电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的很多困难计算；它不须要仿照直流电动机的限制，也不须要为解耦而简化沟通电动机的数学模型。 e)矩阵式交—交限制方式 VVVF变频、矢量限制变频、干脆转矩限制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路须要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深化探讨。其实质不是间接的限制电流、磁链等量，而是把转矩干脆作为被限制量来实现的。详细方法是：——限制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； ——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； ——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时限制； ——实现Band—Band限制按磁链和转矩的Band—Band限制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行限制。 矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。 通常，把电压和频率固定不变的沟通电变换为电压或频率可变的沟通电的装置称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相沟通电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相沟通电（AC）。变频器同时变更输出频率与电压，也就是变更了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构困难但运用简洁，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。随着技术的发展，成本的降低，变频器肯定还会得到更广泛的应用。 作为引领全球市场的机电产品综合供应商，三菱电机在中国的FA事业随着中国经济的蓬勃发展蒸蒸日上。从社会基础设施建设领域到半导体制造等高科技产业，从现场限制到远程监控，三菱电机FA技术为创建更快生产效率和更高生产力供应强大的支持。随着节能的普及和工业自动化的推广，变频器的运用越来越多，每年在中国有上百亿的销售额。三菱变频器是世界知名的变频器之一，由三菱电机株式会社生产，在世界各地占有率比较高。三菱变频器现在三菱电机公司在中国大连市有设有生产厂，特地生产FR-A/FR-F/FR-E三个系列的变频器。 三菱变频器来到中国有20多年的历史，现在市场上主要运用的有以下系列：通用高性能FR-A740（3P380V）FR-A720（3P220V）轻载节能型FR-F740（3P380V）FR-F720（3P220V）简易通用型FR-D740（3P380V）FR-D720（1P220V） 在国内市场上，三菱因为其稳定的质量，强大的品牌影响，有着相当广袤的市场，并已深化了各个领域的应用。 选用的是三菱FR-S520变频器，4-20mA限制信号输入，可对流量或压力进行限制，该变频器体积小，功率小，功能特别强大，运行稳定平安牢靠，操作便利，寿命长，可外加电流限制，也可通过本身旋钮限制频率。可单相或三相供电，频率可高达200HZ。3.5水泵 采纳丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长。功率小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。 格兰富循环泵屏蔽转子型UPS，UPS100系列参数 型号图片：性能及优点： •免维护 •静音运转 •低能耗 •性能范围广 技术数据： 流量，Q:最大10m3/h 扬程，H:最高12m 泵送液体温度范围:-25°C～+110°C 系统承压:最大10bar 应用范围： •液体输送 •供热系统 •生活热水系统 •冷却和空调系统 选项： •自动限制方式调整 •外部电缆线与插头 •单速、2速或3速速度调整 •双头泵 •空气分别器型 格兰富是世界闻名的水泵生产制造商，其水泵市场占有率是50%，此占有率为水泵行业标准。 3.6模块选择 当须要构成计算机限制系统时，过程限制装置的数据采集和限制采纳目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与好用性并举。有效的拉近了试验室与工业现场的距离。它体积小，安装便利，牢靠性极高。 1)D/A模块：采纳牛顿7024模块。4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（1~5V）信号均可。 2)A/D模块：采纳牛顿7017模块。8路模拟电压（1~5V）输入。 3)DO模块：采纳牛顿7043模块。 4)通讯模块：采纳牛顿7520转换模块。485/232转换模块，转换速度极高（300~115KHz），232口可长距离。牛顿模块示意图3.7开关电源 DC24V的开关电源，最大电流为2A，满足试验的要求。 4系统组态设计 4.1组态软件介绍 随着工业自动化水平的快速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的限制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业限制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业限制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必需修改其限制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发胜利的工控软件又由于每个限制项目的不同而使其重复运用率很低，导致它的价格特别昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘如原来的编程人员因工作变动而离去时，则必需同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题供应了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业限制软件存在的种种问题，运用户能依据自己的限制对象和限制目的的随意组态，完成最终的自动化限制工程。组态（Configuration）为模块化随意组合。通用组态软件主要特点有： （1）持续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生变更时，不需作很多修改而便利地完成软件的更新和升级； （2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种便利用户运用的方法包装起来，对于用户，不需驾驭太多的编程语言技术（甚至不须要编程技术），就能很好地完成一个困难工程所要求的全部功能； （3）通用性，每个用户依据工程实际状况，利用通用组态软件供应的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 最早开发的通用组态软件是DOS环境下的组态软件，其特点是具有简洁的人机界面（MMI）、图库、绘图工具箱等基本功能。随着Windows的广泛应用，Windows环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很大的增加。国外很多优秀通用组态软件是在英文状态下开发的，它具有应用时间长、用户界面不志向、不支持或不免费支持国内普遍运用的硬件设备、组态软件本身费用和组态软件培训费用昂扬等因素，这些也正是国内通用组态软件在国内不能广泛应用的缘由。随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，通用组态软件的市场需求日益增大。近年来，一些技术力气雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内运用的通用组态软件。 特点 它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为限制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接限制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与限制，且在自动限制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采纳组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者供应了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，便利地构成监控画面，并以动画方式显示限制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和敏捷的组态方式、数据链接功能。 1）运用组态王实现限制系统试验仿真的基本方法：a)图形界面的设计b)构造数据库c)建立动画连接d)运行和调试2)运用组态王软件开发具有以下几个特点: a)试验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动限制系统课程的试验,从而大大削减购置仪器的经费。 b)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简洁易学且编程简洁,参数输入与修改敏捷,具有多次或重复仿真运行的限制实力,可以实时地显示参数变更前后系统的特性曲线,能很直观地显示限制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互实力使其在自动限制系统的试验中可以发挥志向的效果。 ，1.快速便捷的应用设计 用组态软件构造“监控和数据采集系统”的好处之一就是能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。能快速便捷地进行图形维护和数据采集是此类系统的关键点。组态王正是供应了丰富的快速应用设计的工具。(1)便利好用的工程管理组态王6.53供应便利好用的管理工具——工程管理器。工程管理器是一个独立的可执行文件，用来管理本机的全部组态王工程，可以实现工程的压缩备份，备份复原，数据词典的导出导入，实现开发和运行系统的切换等。(2).集成的开发环境最新设计的组态王工程阅读器为用户供应了便利的集成开发环境。工程设计者可以在工程阅读器中查看工程的各个部分，可以查看画面、数据库、配置通讯驱动程序、设计报表；可以完成系统的大部安排置。工程阅读器采纳树形结构，操作简洁便利，简洁接受。在工程阅读器中，用户也可以便利地切换到组态王开发环境和运行环境。(3).功能强大、易用的绘图工具目前用简洁的示意性图形已经不足以表示工业现场困难的生产过程，用户普遍要求更加丰富多彩、生动逼真的画面。为满足此要求，组态王供应了丰富的绘图工具，并尽可能使绘图工具的运用方法简洁驾驭。组态王工具箱中供应的绘图工具包括直线、折线、圆弧、矩形（方形）、圆角矩形、圆形（椭圆）等工具。它们的运用方法与一般绘图软件（如“画笔”）大致相同，设计者不需特地的培训即可运用。(4).敏捷的便捷菜单运用组态王的过程中，用户可以随时按下鼠标右键来得到上下文相关的快捷菜单。这种方式比一般的菜单吩咐更简洁运用，将大幅度地提高开发应用系统的效率。(5).支持无限色和过渡色组态王6.53调色板改为支持无限色，支持二十四种过渡色效果，组态王的任一种绘图工具都可以运用无限色，大部分图形都支持过渡色效果，奇妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、美观的画面。(6).图形对象丰富的动画效果图形界面上的任何对象或复合对象都可以随着过程参数的变更而变换状态，以产生动画效果。图形对象与过程参数建立变更对应关系的过程称为“动画连接”。图形对象可以按动画连接的要求变更颜色、尺寸、位置、填充百分比等属性。一个图形对象可以同时定义多个连接。把这些动画连接组合起来，应用软件将呈现出令人不可思议的图形动画效果。图形对象可以进行的“动画连接”包括：属性变更：包括线属性、填充属性、文本色位置与大小变更：包括水平和垂直移动、缩放、旋转、填充值输出：包括模拟值输出、离散值输出、字符串输出用户输入：包括模拟值输入、离散值输入、字符串输入滑动杆输入:包括水平滑动杆输入、垂直滑动杆输入特殊：包括闪耀、隐含两种吩咐语言连接：包括鼠标或等价键按下时、弹起时和按住时可执行的功能强大的吩咐语言程序提示文本：每个基本图素都可以定义一个提示信息条动画连接的定义特别简洁。以旋转连接为例，设计者只需给出旋转的偏转角度和对应的过程参数的数值即可。定义的全过程都反映在一个简洁的对话框中。(7).动画连接向导通过可视化图形操作，干脆完成移动、旋转的动画连接定义。(8).图形界面“监控和数据采集系统”必需有易于运用的图形界面。当今的应用系统变得越来越困难，操作者希望系统能供应简洁理解而且敏捷牢靠的操作方式。设计者也希望能有快速而强大的系统开发工具。数千次胜利的工程实践证明，组态王正是这样一种能满足多数设计者须要的系统开发工具。(9).大画面和导航图一个困难的工艺流程有时很难在一个屏幕大小的画面上体现出来，假如分开为多个画面，则首先是不能体现工艺流程的完整性，其次在操作和阅读上造成不便。组态王6.53支持大画面和导航图，设计者可以将画面制作成4个1024X768屏幕大小的画面，通过画面的滚动条或导航图来选择阅读的画面部分。(10).便利快捷的变量替换组态王6.53中，供应了多种变量替换方式，可以在工程的不同范围——如整个工程或画面——中运用不同的替换方式进行变量替换。变量替换方式可以有：变量运用替换、变量名称替换、站点名称替换和外来变量替换。替换的范围可以选择整个工程、画面组、画面或画面组中的图素。(11).画面管理功能面对大量纷繁困难的画面和变量列表，要找到一个想要运用的画面或变量实属不易。在组态王6.53中，不但供应了对设备列表、和变量列表的排序依据列表项的排序功能，而且还供应了变量的查找功能、画面依据名称、画面描述或画面文件名称的排序功能，画面的查找功能。为便利画面管理，供应了画面分组管理功能。用户可以创建9层，每层256个画面组的组列表。在画面组间可以进行画面的复制、移动和粘贴。 2.丰富的可扩充的图形库 设计者利用系统供应的图库，可以轻松构造自己须要的图形。(1).大量的标准工业元件组态王系统内部供应了一个全新的浩大的图形库，包含了大量预先建立好的组合图形对象，比如限制按钮、指示表、阀门、电机、泵、管路和其他标准工业元件。图库中的元素称为“图库精灵”，运用“图库精灵”将极大地加快应用系统的构造。(2).面对对象的设计图形库中的对象之所以称为“图库精灵”，因为它不仅仅是一组图形，更包含了丰富的动画连接。一个图形精灵事实上就是一个已定义对象全部条件的小型应用，它包括以下这些内容（对不同的精灵略有不同）：组成精灵的图形对象、触发动画效果的过程参数（变量）、动画连接。设计者可以简洁地从图库中取出图库精灵并放到自己的应用中，并依据须要的大小缩放它，图库精灵随意缩放也不会失真。图库精灵可作为一个整体来修改属性（包括动画连接），修改的全过程都在一个简洁的对话框中完成。(3).扩展图库为满足不同行业用户的须要，图库被设计成可扩充的。设计者可以创建图库精灵，把它们加入到图库中去，或者把不再须要的精灵从图库中删除。设计者还可以创建新的图库。创建一个新的图库精灵特别简洁：在画面上绘制精灵的外观，定义全部的动画连接，选择好对象，最终用菜单吩咐创建精灵，并把它放入图库。另外，组态王6.53供应功能：用户绘制图形，定义好动画连接后，可以生成关于图形的描述程序，通过编制程序，动态限制图形外观。创建一个新的图库也同样简洁，只需运用菜单吩咐并输入新图库的名称。设计者自己定义的图库精灵，其运用方法与系统定义的精灵相同。 系统组态图如图4.2所示：系统流程图如图4.1所示：图4.1系统流程图系统组态图如图4.2所示。图4.2系统组态图4.2组态画面建立新画面为建立一个新的画面请执行以下操作：1、在工程阅读器左侧的“工程书目显示区”中选择“画面”选项，在右侧视图中双击“新建”图标，弹出新建画面对话框，如图4.3所示：2、新画面属性设置如下：画面名称：串级流量限制对应文件：pic00001.pic（自动生成，也可以用户自己定义）画面风格：覆盖式画面位置：左边：0顶边：0显示宽度：1024显示高度：768画面宽度：1024画面高度：768标题杆：无效大小可变：有效3、在对话框中单击“确定”组态王软件将依据您指定的风格产生出一幅名为“串级流量限制”的画面。运用工具箱接下来在此画面中绘制各种图素。绘制图素的主要工具放置在图形编辑工具箱内。当画面打开时，工具箱自动显示。工具箱中的每个工具按钮都有“浮动提示”，帮助您了解工具的用途。1、假如工具箱没有出现，选择“工具”菜单中的“显示工具箱”或按F10键将其打开，工具箱中各种基本工具的运用方法和Windows中的“画笔”很类似，如图4.4所示：图4.42、在工具箱中单击文本工具，在画面上输入文字：串级流量限制3、假如要变更文本的字体，颜色和字号，先选中文本对象，然后在工具箱内选择字体工具。在弹出的“字体”对话框中修改文本属性。运用图库管理器选择“图库”菜单中“打开图库”吩咐或按F2键打开图库管理器，如图4.5所示：图4.51、选择工具箱中的立体管道工具，在画面上鼠标图形变为“+”形态，在适当位置作为立体管道的起始位置，按住鼠标左键移动鼠标到结束位置后双击，则立体管道在画面上显示出来。假如立体管道须要拐弯，只需在折点出单击鼠标，然后接着移动鼠标，就可实现折线形式的立体管道绘制。2、选中所画的立体管道，在调色板上按下“对象选择按钮区”中“线条色”按钮，在“选色区”中选择某种颜色，则立体管道变为相应的颜色。选中立体管道，在立体管道上单击右键在弹出的右键菜单中选择“管道宽度”来修改立体管道的宽度。3、打开图库管理器，在阀门图库中选择图素，双击后在反应车间监控画面上单击鼠标，则该图素出现在相应的位置，移动到原料油罐和成品油罐之间的立体管道上，并拖动边框变更其大小。重复以上的操作在画面上最终生成的画面如图4.6所示：至此，一个简洁的串级流量限制画面就建立起来了。4、选择“文件”菜单的“全部存”吩咐将所完成的画面进行保存。图4.64.3数据字典变量名变量类型连接设备寄存器液位1I/O实型A/DAI0流量I/O实型A/DAI2阀1I/O离散D/AAI1阀2I/O离散D/AAI3泵内存实型电磁阀I/O实型D/AAI5Kp内存整型Ti内存整型Td内存整型SP内存整型U内存整型PV内存整型Kp1内存整型Ti1内存整型Td1内存整型SP1内存整型U1内存整型PV1内存整型频率I/O实型D/AAO24.4应用程序If(流量<SP){频率=频率+(KP流量=频率+电磁阀-55;PV=流量;U=频率+30;}else{频率=频率-(KP流量=频率+电磁阀-55;PV=流量;U=频率+30;}If(液位1<SP1){电磁阀=电磁阀+(KP液位1=电磁阀+流量-30;PV1=液位1;U1=电磁阀+40;}else{电磁阀=电磁阀-(KP液位1=流量+电磁阀-30;PV1=液位1;U1=电磁阀+40;}if(液位1>SP1-10){阀2=1;液位3=液位1+流量-50;}else{阀2=0;液位3=液位3-3;}4.5动画连接首先依据系统流程图在系统开发界面画好组态图面，然后对各个器件逐一完成动画连接，最终在工程阅读界面中的吩咐语言中输入程序，即完成了动画。当系统运行时，首先设定PID调整参数，依据要求设定给定值，视察连接图，依据须要调整PID参数。最给达到所要的稳定的限制效果。4.6常见限制规律的类型及优缺点比较 一、比例调整（P调整） 在P调整中，调整器的输出信号u(t)与偏差信号e(t)成比例，即u(t)=KIe(t)（式中Kc称为比例增益（视状况可设置为正或负）,u(t)为调整器的输出，是对调整器起始值u(0)的增量，u(0)的大小可以通过调整调整器的工作点加以变更。 在过程限制中习惯用比例增益的倒数表示调整器输入与输出之间的比例关系：ut=1δe(t)其中δ称为比例带。 比例调整的显著特点就是有差调整。比例调整的余差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调整系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环限制系统的首要要求，比例带的设置必需保证系统具有肯定的稳定裕度。此时，假如余差过大，则需通过其它的途径解决。 δ很大意味着调整阀的动作幅度很小，因此被调量的变更比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调整时间也很长。减小δ就加大了调整阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的状况，进一步减小系统就不稳定了。 二、积分调整(I调整）的特点 在I调整中，调整器的输出信号的变更速度du(t)/dt与偏差信号e成正比， 即：du(t)dt=KIe(t)或ut=KI0tetdt（4.4） 式中KI称为积分速度，可视状况取正值或负值。上式表明，调整器的输出与偏差信号的积分成正比。 I调整的特点是无差调整，与P调整的有差调整形成显明对比。式（4.3）表明，只有当被调量偏差e为零时，I调整器的输出才会保持不变。然而与此同时，调整器的输出却可以停在任何数值。这意味着被控对象在负荷扰动的调整过程结束后，被调量没有余差，而调整阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。 I调整的另一特点是它的稳定作用比P调整差。例如，依据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采纳P调整时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；假如采纳I调整则不行能得到稳定的系统。对于同一个被控对象，采纳I调整时其调整过程的进行总比采纳P调整时缓慢，表现在振荡频率较低。把它们各自由稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道，在稳定边界上若采纳P调整则被控对象须供应180°相角滞后。若采纳I调整采纳I调整时，限制系统的开环增益与积分速度KI成正比。因此，增大积分速度将会降低限制系统的稳定程度，直到最终出现发散的振荡过程。因为KI愈大，则调整阀的动作愈快，就愈简洁引起和加剧振荡。但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。被调量最终都没有余差，这是I调整的特点。三、比例积分调整（PI调整）