基于计算机的单容水箱液位控制系统.docx
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基于计算机的单容水箱液位控制系统
内蒙古科技大学信息工程学院
测控专业毕业实习报告
题目：
基于计算机的单容水箱液位控制系统
学生姓名：
学号：
专业：
测控技术与仪器
班级：
测控09-1班
指导教师：
李文涛教授
引言
工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下，按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。
自动化技术就是探索和研究实现自动化过程的方法和技术。
它是涉及机械、微电子、计算机、机器视觉等技术领域的一门综合性技术。
工业革命是自动化技术的助产士。
正是由于工业革命的需要，自动化技术才冲破了卵壳，得到了蓬勃发展。
同时自动化技术也促进了工业的进步，如今自动化技术已经被广泛的应用于机械制造、电力、建筑、交通运输、信息技术等领域，成为提高劳动生产率的主要手段。
本文介绍了组态王6.51软件的组成及应用,数据输入PCI1710板卡与数据输出PCI1720板卡、JYB-G型压力变送器的计算机控制实验装置,此次设计采用增量型PI算法控制水箱液位，使水箱液位的高度稳定在给定值。
本文论述了基于组态王的单容水箱液位控制系统的原理，该设计由水箱、JYB-G型压力变送器、研华PCI1710输入与PCI1720输出板卡、电动调节阀以及组态王6.51软件组成的控制系统，进行了单容水箱对象特性的测试，从而求得其数学模型，并利用MATLAB软件进行了控制系统的仿真及分析。
本设计通过安装在水箱底部的JYB-G型压力变送器测量液位，PCI板卡接收来自压力变送器的测量信号以及输出送给调节器的控制信号，电动调节阀为执行器接收来自计算机的控制信号改变阀门的开度，改变进水量。
用组态软件设计了一个很好的人机交互界面，通过该界面，我们可以实现启动、监控、设置PID参数、报警、历史及实时曲线的读取。
运用计算机实现工业自动的虽然成本较高，但可以大大减少运用员工的成本以及对员工产生的意外事故。
综上所述，本系统可以应用与实际生产中。
虽然有些地方还不够完善，但我们会继续努力，在日后将其完善。
第一章单容水箱液位控制系统概述
1.单容水箱液位控制系统的组成
基于计算机的单容水箱液位的控制系统是一个简单的单闭环控制系统，该系统由水箱、JYB-G型压力变送器、研华PCI1710输入与PCI1720输出板卡、电动调节阀以及计算机等组成其结构图如图1.1所示。
图1.1单容水箱液位控制系统结构图
2.单容水箱液位控制系统原理
单容水箱控制系统中阀门3保持一个开度不变，当水箱液位实际值PV小于给定值SV时，通过计算机进行PID运算之后，把控制信号送给电动执行器，使其阀门开度增大，从而使水箱液位上升；当水箱液位实际值PV大于给定值SV时，通过计算机进行PID运算之后，把控制信号送给电动执行器，使其阀门开度减小，从而使水箱液位下降；当水箱液位实际值PV等于给定值SV时，则执行器保持一定的阀门开度不变，此时进水速度等于出水速度。
单容水箱控制系统采用典型的简单负反馈控制回路,通过压力变送器将水箱液位转换为电压信号（1—5V），我们串联一个精密的250Ω精密电阻将（1—5V）电压信号转换成（4—20mA）电流信号传给PCI1710输入板卡,经采集卡A/D转换后送入PC机中，与给定值进行比较得出偏差值,这些偏差值经过PID算法处理后得到一个输出指令，PC机输出的控制信号给PCI1720输出采集卡，经过D/A还原成电压信号，将电压信号经过V/I转换，通过电流信号调节电动调节阀的阀门开度,从而改变进水流量,以实现对水箱液位的控制。
其数据采集框图与工作原理框图如图1.2和1.3所示。
图1.2数据采集框图
图1.3工作原理框图
第二章硬件介绍
2.1变送器选型
测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。
在模拟仪表中，标准信号通常采用4～20mADC、1～5VDC的电流（电压）信号，或20～100kPa的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是指数字信号。
因在水箱液位控制系统中测量的是水箱液位，所以实验室选用的是压力液位变送器。
其特点是小巧精致，安装简便，采用国际先进技术进口传感器，适用于工业现场过程控制参数压力、液位的测量。
如图2.1所示。
2.2执行器选型
执行器接受来自控制器输出的控制信号，进而实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。
本设计所使用的执行器为控制阀（即调节阀）。
控制阀接收来自控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度达到控制流量的目的。
控制阀包括执行机构和调节机构两部分。
执行机构是控制信号产生推力或位移的装置；调节机构是根据执行机构的输出信号改变能量或物料输送量的装置。
本设计的执行器选用电动调节阀。
如图2.2所示。
图2.1压力变送器图2.2电动调节器
2.3变频器的选型
变频器是变频技术和微电子技术的应用，通过改变电机的电源频率来控制交流电机控制设备的电源。
变频器主要由整流（交流，直流），滤波，再次整流（直流交流），制动单元，驱动单元，检测单元，和微处理单元等组成。
通过改变电源频率达到改变电源电压的目的，从而实现速度控制，节约能源的目的，他们需要的电源电压根据电机的实际需要;此外，该变频器也具有保护功能，如过流，过，过载，过压等。
由于工业自动化的不断提高，驱动器也已经非常广泛的被应用。
本方案选用的变频器是三菱通用变频器FR-D700系列，将变频器调为内控状态，通过变频器控制水泵抽水。
此变频器的作用是通过控制电机的电源频率来控制电机的转数，从而达到控制电机速度的目的[23]。
其操作步骤如下：
在变频器内控状态（即A:
接通电源时显示监视器画面；B：
同时按住
键和MODE键0.5秒以上显示79--；C：
旋转黑色旋钮，将设定值设为79-4；D:
按
键一次再按MODE键显示P后,旋转黑色旋钮设为1，再按SET,显示频率后，再旋转黑色旋钮设为50后再按两次MODE。
其效果图如下图2.3所示。
图2.3变频器效果图
2.4输入输出板卡选型
2.4.1PCI1710输入板卡
PCI-1710/1710HG是一款PCI总线的多功能数据采集卡。
其先进的电路设计使得它具有更高的质量和更多的功能。
这其中包含五种最常用的测量和控制功能：
12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能。
特点：
1.16路单端或8路差分模拟量输入,或组合方式输入；
2.12位A/D转换器,采样数率可达100KHz；
3.每个通道的增益可编程；
4.单端或差分输入自由组合；
5.卡上4K采样FIFO缓冲器；
6.2路12位模拟量输出；
7.16路数字量输入及16路数字量输出；
8.可编程触发器/定时器；
9.板卡ID
10.PCI总线数据传输
图2.4PCI1710输入板卡
图2.5PCI1710输入板卡引脚图
2.4.2PCI1720输出板卡
研华PCI-1710数据采集卡，具有32路单端或16路差分模拟量输入或单端、差分组合方式输入，它带有VDC隔离保护；采用12位A/D转换器，采样速率可达100kHZ；板载4K采样FIFO缓冲器；每个输入通道的增益可编程。
特点：
1.4路12位D/A转换输出
2.多种输出范围
3.PCI总线和输出之间2500VDC直流隔离
4.系统重启动后保存输出设置和输出值
5.便于接线的DB-37接口
图2.6PCI1720输出板卡引脚图
第三章软件及程序设计
3.1MCGS组态软件简介
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，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（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、实时曲线、历史曲线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，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
组态王由工程浏览器、工程管理器和画面运行系统三部分组成。
（1）工程浏览器。
工程浏览器是工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。
（2）工程管理器。
工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实限数据词典的导入和导出功能。
（3）画面运行系统。
工程运行界面从采集设备中获得通信数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。
画面运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
组态软件功能强大,操作简单,易学易用。
使用组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题,该设计结合仪表过程控制实验系统设备的实际情况,制作了多个控制界面。
主要完成通用工作站的数据采集、实时和历史数据的显示、报警、流程控制、动画显示、趋势曲线、报表输出等事件，系统稳定可靠，能够自动的完成监控和报警，并且，随时能够打印各种报表，反映了控制现场的状况，节省了人力，提高了效益。
因此，被广泛的应用于工业生产中。
3.2水箱液位控制系统的监控界面
分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，然后建立工程，构建实时数据库。
利用MCGS进行组态建立一个应用工程一般包括以下几个过程：
创建新工程；定义硬件设备并添加工程变量；制作图形画面并定义动画链接；编写命令语言；运行系统的配置，对运行系统、报警、历史数据记录、用户等进行设置；保存工程运行并调试。
图3.1水箱液位整体监控画面图
3.3基于PCI板卡及组态王的数据采集
连线要正确，包括水箱和输入输出板卡的连线。
输入、输出全选择了0通道，差分式输入引脚选择PCI1710输入板卡的68、34引脚；输出选择PCI1720输出板卡的5、6引脚。
3.4人机交互界面设计
3.4.1创建新工程
建立新工程项目：
在运行组态王程序时，弹出组态王工程管理器画面，此时建立一个新工程，执行以下的操作步骤：
（1）在工程管理器中选择菜单“文件/新建工程”，弹出“新建工程向导一欢迎使用本向导”对话框。
（2）点击“下一步”，弹出“新建工程向导二选择工程所在路径”对话框。
从对话框中选择或指定工程所在路径，倘若用户需要更改工程路径，请单击“浏览”按钮；如果路径或文件夹不存在，请选择创建。
（3）点击“下一步”，弹出“新建工程向导三工程名称和描述”对话框。
往对话框中输入工程名称：
水箱液位控制界面，自己可以根据自己的需求输入工程名称；在工程描述中输入：
模拟电压输入（可写可不写），如下图3.2所示。
图2.2创建工程界面
（4）点击“完成”，再点击“是”，将新建的工程设为组态王当前工程，此时组态王工程管理器中出现新建的工程。
3.4.2制作图形画面
按照实际工程的要求绘制监控画面，并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。
选择工程目录区的画面，双击新建后进入组态王开发系统，如图3.3所示：
图3.3组态王开发系统新画面
单容水箱液位控制，选择画面风格“大小可变”和“覆盖式”。
单击确定后进入开发系统新画面进行设计如图2.4。
点击工具栏中的“打开图库”，单击反应器，选择需要的图素。
双击该图素到绘图区，在单击放下该图素。
画面名称可根据目标自己随意定；从工具箱中找到图库，打开图库，在图形画面里添加一个仪表对象、一个“实时趋势曲线”、一个“历史曲线”、一个“报表数据”、一个“报警窗口”和一个“退出界面”。
用同样方法可以选择管道、阀门、泵等组合成一幅完整的画面；选择工具箱的“文本”后可以在画面中添加文本，选择添加的文本，单击工具箱中的“字体”可以改变文本的格式；选择工具箱中的“显示调色板”可以对文本和图形进行颜色编辑。
图3.4开发系统设计画面
对于已建立的实验主画面中的单容水箱可以在计算机监控界面上直接看到，单容水箱液位随控制信号变化而变化的图像。
结合实验现场系统的实际单容水箱的液位,可以将监控画面中的水箱液位动态变化与实际现场的水箱液位进行比较,有助于我们从理论和实际两方面,打开“水箱液位控制系统”主画面,如图2.5所示，双击“水箱”弹出动画连接对话框,如这样建立连接后水箱液位的高度随变量“水箱液位”的值变化而变化。
图3.5水箱液位控制系统主画面
3.5PID算法程序设计
我们知道，在模拟系统中，PID算法的表达式[1]为：
（4-1）
式中p（t）—调节器的输出信号；
e（t）—调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差；
kp—调节器的比例系数；
Ti—调节器的积分时间；
Td—调节器的微分时间。
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差来计算控制量。
因此，在计算机控制系统中，必须首先对式（4-1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示[16]：
（4-2）
（4-3）
将式（4-2）和式（4-3）代入式（4-1），则得到离散化的PID表达式：
（4-4）式中△t=T—采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度；
E（k）—第k次采样时的偏差值；
E（k-1）—第（k-1）次采样时的偏差值；
k—采样序号，k=0，1，2，…；
p（k）—第k次采样时的调节器的输出。
由式（4-4）可以看出，要想计算p（k），不仅需要本次与上次的偏差信号E（k）和E（k-1），而且还要在积分项中把历次的偏差信号E（j）进行相加，即
E（j）。
这样，不仅计算烦琐，而且为保存E（j）还要占用很多内存。
因此，用式（4-4）直接进行控制很不方便。
为此，我们做如下改动
（4-5）
用式（4-4）减去式（4-5），可得：
（4-6）
式中，
----积分系数；
----微分系数。
由式（4-6）可知，要计算第k次输出值p（k），只需知道p（k-1），E（k），E（k-1），E（k-2）即可。
在很多控制系统中，由于执行机构式采用步进电机或多圈电位器进行控制的，所以，只要给一个增量信号即可。
=
（4-7）
式（4-7）表示第k次输出的增量△p（k），等于第k-1次调节器的输出值，即在第（k-1）次的基础上增加（或减少）的量，所以式（4-7）叫增量型PID控制式。
由式（4-7）可知，增量型PID算式为：
（4-8）
=
设
所以，有
（4-9）
上式为离散化的增量型PID编程表达式。
如图3.6PID程序流程图
PID控制界面展示：
图2.18水箱液位PID参数控制界面
命令语言如下：
if（\\本站点\阀门1==1）
{\\本站点\PV1=\\本站点\Pv;
\\本站点\EK0=SV1-\\本站点\PV1;
\\本站点\feedbackP=KP1*（\\本站点\EK0-\\本站点\EK1）;
\\本站点\feedbackpI=KI2*\\本站点\EK0;
\\本站点\feedbackpD=KD1*（\\本站点\EK0-2*\\本站点\EK1+\\本站点\EK2）;
\\本站点\UK=\\本站点\feedbackP+\\本站点\feedbackpI+\\本站点\feedbackpD;
\\本站点\EK2=\\本站点\EK1;
\\本站点\EK1=\\本站点\EK0;
if（\\本站点\水源==10）\\本站点\水源=380;
if（\\本站点\Pv>100）\\本站点\$新报警=1;
elseif（\\本站点\Pv<70）\\本站点\$新报警=1;
if（\\本站点\阀门1==1）
{\\本站点\闪烁0=0;\\本站点\闪烁1=1;\\本站点\闪烁0=1;}
else
{\\本站点\闪烁1=0;\\本站点\闪烁0=0;}
if（\\本站点\阀门3==1）
{\\本站点\闪烁2=0;\\本站点\闪烁3=1;\\本站点\闪烁2=1;}
else
{\\本站点\闪烁3=0;\\本站点\闪烁2=0;}
}
第四章设计结果图片展示
总结
本设计是一个计算机直接控制水箱液位的简单项目,虽然比较简单,但其原理与大型企业中复杂的工控系统基本相同,它把数据采集与编程技术结合起来实现对实验装置中的单容水箱液位进行监控。
我们一组个人，在一起合作把此项目做完，在这个项目中我负责的是单容水箱PID程序的设计，在设计的过程中遇到了许多难题，通过自己的努力与同组人交流并把问题解决。
同时我还利用了上学期对组态王的学习，这次加入了自己的想法，把流水效果做出来了，同时自己也凭着经验去尝试调节PID参数，使误差稳定的±3之间。
感到十分高兴。
设计的重点是确定总体方案及实现方法。
难点是如何将组态王监控界面与实际水箱信号变化链接起来。
系统调试时如何能够使水箱液位回到稳定值。
虽然这次设计没有预期的那么理想，许多地方还有待欲改进，但是总体上达到了预期的目的,调整某些控制参数系统能比较迅速并准确地做出响应,改变进水流量使水箱液位达到给定值。
能够完成水箱液位的控制。
这次设计不仅锻炼了我们如何学习新知识，而且培养了我独立解决问题的能力，同时在对硬件设计的过程中，也加强了我们的动手操作能力。
巩固了我的专业课知识，使我受益匪浅。
我们愉快的合作完成了此次项目，感谢同组的同学，再次感谢李文涛老师。
参考文献
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