单容水箱液位控制报告 2Word下载.docx
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根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。
单容水箱是个比较简单的控制系统，因为在该设计中，只要控制一个液位的高度，初步设计采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。
本设计选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。
1.1被控参数的选择
根据设计要求可知，水箱的液位要求保持在一恒定值。
所以，可以直接选取水箱的液位作为被控参数。
1.2控制参数的选择
影响水箱液位有两个量，一是流入水箱的流量。
二是流出水箱的流量。
调节这两个流量的大小都可以改变液位高低，这样构成液位控制系统就有两种控制方案。
对两种控制方案进行比较，假如系统在停电或者失去控制作用时，第一种通过控制水箱的流入量的方案将出现的情况是：
水箱的水将流干；
第二种通过控制水箱的流出量的方案则会形成水长流或者水溢出的情况，因此，选择流入量作为控制参数更加合理。
1.3调节阀的选择
在工程中，当系统的控制作用消失时，如果调节阀没有关闭则会造成水的浪费甚至出现事故，因此，需要关闭调节阀。
故选择电动气开式调节阀。
1.4控制规律的选择
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
系统设计要求将水箱的液位控制在一恒定的高度，说明了系统的控制精度比较高。
为了消除余差，该控制系统应采用比例积分控制或者比例积分微分控制。
1.5控制系统的方框图
图1控制系统方框图
1.6控制系统的简图
图2控制系统的简图
第2章系统各模块
根据设计要求本次设计系统要通过MCGS监控软件来控制两个水箱的液位。
大致可以分成以下几个部分：
1）计算机系统
使用MCGS工程组态软件创建液位控制系统。
并利用计算机对其进行液位控制以及数据和曲线的读取。
2）传感器检测单元
对水箱底部进行压力检测，通过通讯线将所测的模拟量输送的实验台的压力变送器。
在调试中，该设计选择的是应变式压力传感器。
3）ICP-7017远程数据采集模拟量输入模块
将压力变送器的模拟信号进行模/数转换变成数字信号，然后通过通讯线将数字信号传给计算机。
ICP7017模块是利用RS485和上位机进行通讯的8通道模拟输入采集模块，如图2.1示
输入类型：
电压、电流；
输入范围：
150—150mv，-500—500mv，-1—1v，-5—5v，-10—10v，-20—20mA
图2.1ICP7017接口图
接线方式：
图2.2
4）ICP-7024远程数据采集模拟量输出模块
将计算机传送过来的数字信号转换成模拟信号，并控制水箱液位控制系统的电动调节阀。
ICP70244路电压型、电流型模拟输出。
电流输出范围：
0—20mA或4—20Ma
电压输出范围：
-10—10V，0—10V，-5—5V，0—5V
图2.3ICP7024接口图
①、电压型输出接线方式：
图2.47024电压输出接线方式
②、电流型输出接线方式：
图2.57024电流输出接线方式
5）实验台系统
AE2000B2型过程控制实验台，是根据我国工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业装置的自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS（分布式集散控制系统），经过精心设计、多次实验和反复论证后，推出的一套基于本科生、研究生教学和学科基地建设的实验设备。
第3章实验系统图
第4章系统组态监控界面的设计
该设计要求采用MCGS组态软件设计出一个单容水箱的控制界面并能在计算机上进行仿真及对实验台进行液位控制实验。
考虑到要进行实验检测，所设计的界面中能显示水箱的设定值、测量值、电动调节阀的开度、控制规律（PI或PID）中比例、积分、微分系数的设置、实时曲线和历史曲线及实验数据等。
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的各种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，在工业控制领域有着广泛的应用。
MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。
组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图4.1所示。
图4.1
由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。
具体步骤：
4.1组态环境的进入
在Windows系统桌面上，鼠标双击Windows桌面上的“Mcgs组态环境”图标进入MCGS组态环境。
4.2组态工程的建立
进入MCGS组态环境后，单击工具条上的"
新建"
按钮，或执行"
文件"
菜单中的"
新建工程"
命令，系统自动创建一个名为"
单容水箱液位控制系统.MCG"
的新工程。
新工程是一个包含五个基本组成部分的结构框架，接下来要逐步在框架中配置不同的功能部件，构造完成特定任务的应用系统。
如图4.2所示，MCGS用“工作台”窗口来管理构成用户应用系统的五个部分，工作台上的五个标签：
主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略，对应于五个不同的窗口页面，每一个页面负责管理用户应用系统的一个部分，用鼠标单击不同的标签可选取不同窗口页面，对应用系统的相应部分进行组态操作。
图4.2
4.3构造实时数据库
点击MCGS“工作台”窗口的“实时数据库”将代表工程特征的所有物理量，作为系统参数加以定义，定义中不只包含了数值类型，还包括参数的属性及其操作方法，这种把数值、属性和方法定义成一体的数据就称为数据对象。
构造实时数据库的过程，就是定义数据对象的过程。
在实际组态过程中，一般无法一次全部定义所需的数据对象，而是根据情况需要逐步增加。
在实时数据库中新增数据“水箱SV”“水箱PV”等等。
选中数据并点击有键，可以对数据进行属性设置。
对象的属性包括基本属性、存盘属性和报警属性。
图4.3
4.4建立用户窗口
按“新建窗口”按钮，或执行菜单中的“插入”→“用户窗口”命令，即可创建一个新的用户窗口，以图标形式显示。
选中图标并单击右键，在对话框弹出后，可以分别对用户窗口的“基本属性”、“扩充属性”、“启动脚本”、“循环脚本”和“退出脚本”等属性进行设置。
根据设计方案，创建名为“单容水箱液位控制2”“实时曲线”历史曲线”“存盘数据”“退出提示”等窗口。
如图4.4所示：
图4.4
4.5图形界面的生成
定义了用户窗口并完成属性设置后，就开始在用户窗口内使用系统提供的绘图工具箱，创建图形对象，制作液位控制系统的图形界面。
根据设计要求，在绘图工具栏中选择“插入元件”的图标或点击编辑菜单中的查元件，在图形对象库中选择所需的元件，如水箱、抽水泵、电动调节阀、管道、传感器等等。
并在绘图工具箱中选择“流动块”，根据系统水流的流向用绘图工具箱中的“流动块”按键，画出系统的水流的流动。
编辑完控制系统图形对象后，继续使用绘图工具栏增加液位显示的“矩形图“和“实时”曲线及“自动和手动的切换按钮”等。
例外要添加水箱设定值（SV）、测量值（PV）、输出值（OP）、比例系数（K）、积分系数（Ti）、微分系数（Td）的设置。
生成的液位控制系统界面如图4.5所示：
图4.5
4.6动画构件的连接
在组态时，只需要建立动画构件与实时数据库中数据对象的对应关系，就能完成动画构件的连接，如对实时曲线构件，需要指明该构件运行时记录水箱SV和水箱PV的变化曲线。
在该设计中。
要求能观察实时曲线和历史曲线，因此应对实时曲线和历史曲线进行动画连接。
连接步骤：
双击实时曲线表格，弹出如图4.5所示对话框：
图4.6
在基本属性页中，Y轴主划线设为：
5；
其它不变。
在标注属性页中，时间单位设为：
秒钟；
小数位数设为：
1；
最大值设为：
10；
在画笔属性页中，将：
曲线1对应的表达式设为：
水箱SV；
颜色为：
红色；
曲线2对应的表达式设为：
水箱PV；
绿色。
点击“确认”即可。
即可类似的对历史曲线进行设置。
4.7图形对象的动画连接
为了使系统在运行过程中，产生形象逼真的动画效果，应对图形对象的状态属性设置。
对照图一所示，双击“进入自动运行状态”即可跳出对话框如图4.7所示：
图4.7
弹出的“标准按钮构件属性设置”对话框后，点击“操作属性”，将“进入自动状态”按钮中的“数据对象值操作”设置为1，点击？
在？
的下拉菜单中，选择实时数据库中的数据对象“run”。
类似的将“进入手动状态”按钮设置为0。
在图4.5中“SV”“PV”“OP”矩形是分别用来显示水箱的设定值SV、水箱的测量值PV、电动调节阀的开度（OPA）。
分别对他们进行属性设置，以“SV”为例：
双击SV的矩形，弹出如下的对话框，点击对话框属性设置中的大小变化，将大小边变化表达式一栏选择？
下拉菜单中的“水箱SV”，然后单击“确定”按钮，“SV”举矩形图的属性设置完毕。
采用相同的方法设置“PV”“OP”。
如图4.8所示：
图4.8
选中图示输入输出连接中的显示输入，然后单击标题栏中的“显示输出”，在显示输出出现的对话框中将“表达式”选择为“水箱SV”。
以此类推，输出值（OP）、比例系数（K）、积分系数（Ti）、微分系数（Td）设置好。
4.8其他按键的设置
如图4.5中，右下方的“实时曲线”、“历史曲线”等按键的设置步骤为：
双击所要设置的按键，弹出如图4.9所示对话框：
单击动话对话框中的标准按钮，将出现>
按键,点击该按键,弹出个“标准按钮构件属性设置”对框，在该对话框中选择所需的动作。
图4.9
4.9组态设备窗口的设置
为了实现MCGS系统与外部设备建立联系驱动外部设备，控制外部设备的工作状态。
系统通过设备与数据之间的通道，把外部设备的运行数据采集进来，送入实时数据库，供系统其它部分调用，并且把实时数据库中的数据输出到外部设备，实现对外部设备的操作与控制。
l
选择设备构件
设置构件属性
连接设备通道
在连接设备通道时，i7017远程数据采集模拟量输入模块和i7024远程数据采集模拟量输出模块的通道连接，见附录（）
第5章系统脚本程序编写
脚本程序可以应用在运行策略中，把整个脚本程序作为一个策略功能块执行，也可以在菜单组态中作为菜单的一个辅助功能运行。
本系统设计为了能实现对水箱液位的控制，须对“单容水箱液位控制”属性设置中的“启动脚本”、“循环脚本”、“退出脚本”进行脚本程序的编辑。
根据设计中采用的PI或PID控制，在循环脚本中编写PID控制脚本程序。
具体的脚本程序如下所示：
启动脚本：
见附录（3）循环脚本：
见附录（3）退出脚本：
见附录（3）
第6章系统控制运行调试
编辑完脚本程序，对总个系统组态界面的各图形对象及其连接进行检查、存盘。
若检查和存盘无误时，按键盘的F5进入MCGS组态软件的运行环境。
在运行环境中检查，各图形对象的动作是否正确，若不正确，则退出运行环境，继续检查。
若正确，则开始实验台操作。
6.1根据设备窗口中的设备通道的连接情况，实验台连线如图6.1所示：
图6.1
6.2启动实验装置
将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源→打开电源带漏电保护空气开关→打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源→开启24VDC电源开关。
打开7017、7024的电源开关。
6.3系统调节控制
启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统选择“单容水箱液位控制”实验→打开电动调节阀和单相电源泵开关，开始实验→设定给定值，调整比例系数（K）→进入自动运行状态→观察稳定时水箱测量值曲线（水箱PV）是否与设定值曲线（水箱SV）是否重叠。
若不重叠，则继续加入积分作用。
如果才，存在滞后则加入微分作用。
测量值曲线与设定值曲线基本重合且曲线比较平稳，则调试成功；
否则重新调试。
6.4系统控制运行调试结果
经过多次调试，所得的最佳比例系数和曲线如图示（见附录
（2））
第7章总结与体会
在过程控制系统设计开始时，尤其是MCGS组态软件的使用我觉得这是一个比较难完成的任务，为了能完成这次设计，我在图书馆查阅了相关的资料，初步的了解了设计的步骤。
在随后我根据设计的要求在老师的指导下，确立了系统的设计方案。
附录1
系统组态监控界面
附录2
实验调试界面
实时曲线
附录3
启动脚本程序：
!
setdevice（7024,1,"
"
）
setdevice（7017,1,"
Qp=0
Qi=0
Qd=0
OPA=0
sv=0
pvx=0
run=0
SetWindow（实时曲线,2）
退出脚本程序：
setdevice（7024,2,"
setdevice（7017,2,"
SetWindow（实时曲线,3）
循环脚本程序：
水箱PV=（pv1-1000）*0.02
if水箱PV>
38then
水箱PV=38
endif
水箱SV=sv
AOch0=（OPA+25）/6.25
ifrun=0then
endif
ifrun=1then
ei=sv-（pv1-1000）*0.02
ifk=0andTi=0andTd=0then
ifk<
>
0andTi<
0then
Qp=k*ei
mx=k*0.2*ei/Ti
Qd=k*Td*（（pvx-pv1）*0.02）/0.2
ifk=0then
mx=0.2*ei/Ti
Qd=Td*（（pvx-pv1）*0.02）/0.2
ifTi=0then
mx=0
ifmx>
5then
mx=5
ifmx<
-5then
mx=-5
ifei>
0andOPA>
=100then
Qi=Qi
else
Qi=Qi+mx
ifei<
0andOPA<
=0then
pvx=pv1
OPA=Qp+Qi+Qd
ifOPA<
ifOPA>
100then
OPA=100
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