基于MGCS的双容液位控制系统分析研发.docx

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基于MGCS的双容液位控制系统分析研发

题目：

基于MCGS的双容

液位控制系统研究

目录

1绪论2

1.1课题的提出2

1.2液位控制器的特点及作用2

1.2.1液位控制器的特点2

1.2.2液位控制器的作用2

1.3液位控制的意义及发展前景2

2THSA-1型过控综合自动化控制系统简介3

2.1概述3

2.2系统总体说明3

2.2.1被控对象4

2.2.2检测装置5

2.2.3执行机构6

2.3系统实验平台6

2.3.1控制屏组件7

2.3.2智能仪表控制组件8

3MCGS组态软件的介绍10

3.1什么是MCGS组态软件10

3.2MCGS组态软件的系统构成10

3.3MCGS组态软件的功能和特点11

3.4MCGS组态软件的工作方式12

3.5本章总结12

4双容液位控制系统分析13

4.1基于MCGS的双容液位控制实验原理13

4.2基于MCGS的双容液位控制系统建模13

4.3 实验内容与步骤15

4.4基于MCGS的双容液位控制系统实验截图16

4.5实验结论18

5系统的PID参数整定19

5.1PID概述19

5.2控制器参数整定19

5.3PID参数的确定20

5.3.1选择参数20

5.3.2实验凑试法20

5.3.3整定比例控制21

5.3.4整定积分环节21

5.3.5整定微分环节21

5.4系统特性测试22

5.5本章小结22

6基于MCGS的双容液位控制系统研究结论23

6.1双容液位控制系统的特点23

6.2将来可能改进的方法23

参考文献：

24

谢辞25

基于MCGS的双容液位控制系统研究

摘要：

在化学工业生产中，液位控制是一项非常重要的环节。

本论文以过程综合自动化控制系统实验平台为研究背景，以智能仪表控制方法为主要工具，进行双容液位控制方法研究。

随着科学技术的不断发展人们开始利用各种先进的仪器和技术组成计算机控制系统来代替人工复杂的控制操作，智能仪表控制便是其中一种非常好的控制方法。

集自动控制技术、计算机技术、通信技术为一体的数字式控制智能控制一般具有极其丰富的运算功能，且使用灵活方便、图形或数字显示形象直观、运行安全可靠等优点，智能控制仪表越来越广泛的被应用于工业控制领域。

在控制算法方面，通过该实验平台并用智能仪表构成控制系统回路。

然后根据系统具体的控制要求选择不同的控制算法，主回路选择PI调节器，副回路选择P调节器来实现对系统的整体控制，并通过工程整定法对调节器参数进行整定，使系统在正常工作的情况下很快进入稳定状态，达到令人满意的效果。

本课题的研究，有利于使我们掌握过程控制的一些基本知识和算法，为理论联系实际提供了良好的试验环境。

关键词：

液位控制智能仪表控制双容位液控制PID控制

Abstract:

Inthechemicalindustrialproduction,liquidlevelcontrolisaveryimportantlink.Thisthesistoprocessintegratedautomationcontrolsystemexperimentalplatformfortheresearchbackground,intelligentinstrumentcontrolmethodforthemaintools,carriesonthedoubleletlevelcontrolmethod.Alongwiththescienceandtechnologyunceasingdevelopmentpeoplebegantouseallsortsofadvancedequipmentandtechnologyofcomputercontrolsystemtoreplaceartificialcomplexcontroloperation,intelligentinstrumentcontrolisoneoftheverygoodcontrolmethod.Integratingautomaticcontroltechnology,computertechnology,communicationtechnologyfortheintegrationofdigitalcontrolintelligentcontrolisextremelyrichoperationscommonlyfunctionanduseagileandconvenient,graphicsordigitaldisplayimageintuitive,safeandreliableoperation,theintelligentcontrolinstrumentadvantagesarewidelyappliedintheindustrialcontrolarea.

Attheappearancecalculationroadthatcontrol,hasbeenshouldexperimenttheflatgroundgoestooffsettheintelligencetoappeartodrawuptocontrolthesystembehindoftrack.Thenrequesttochoosethedifferentcontrol calculationroadaccordingtothesystemofconcretecontrol,themainpart trackchoice PImodulatorofbehind,badhabit-thetrackchoicethePmodulatorofbehindarrivetocompleteallcontrolstowardsystem,andcarryonthebackthelongmethodofarrivetocontinuetoopentheexhibitiontoallofthemodulatorparameterstocarryonthebackthelongthroughalloftheengineering,makethesysteminputthestableemergenceverysoonundertheregularworkofcondition,attainthevirtuousresult.

Theresearchofthistopic,isbeneficialtomakewecontrolsomebasicknowledgeandthecalculationroadthatprocesscontrols,thecontactarrivesthesupplyforthesakeofthetheoriesgoodandtryatcourttheenvironmentbodylast.

Keyword:

thecontroloftheliquid;thestringclasscontrol;theintelligenceappearsthecontrol;thePIDcontrol

1绪论

1.1课题的提出

人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄液池。

蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。

因此，需要设计合理的控制器自动调整蓄液池的进出流量。

这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。

因此液位是工业

控制过程中一个重要的参数。

液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。

单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。

基于此，本论文提出并将对双容液位控制系统做一个系统研究。

1.2液位控制器的特点及作用

1.2.1液位控制器的特点

外形小巧紧凑，适合柜内导轨安装。

就地液位控制或报警。

可以检测调节阀的工作状态，关闭严不严（有无泄漏）。

用于给排水控制的双电极液位控制器　

1.2.2液位控制器的作用

　进液控制液位低于下限时,继电器吸合,红色报警灯亮；液位高于上限时,继电器断开,红色报警灯灭

排液控制液位高于上限时,继电器吸合,红色报警灯亮；液位低于下限时,继电器断开,红色报警灯灭

1.3液位控制的意义及发展前景

在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。

随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效的减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。

　随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的PID控制必将得到更加广泛的应用。

2THSA-1型过控综合自动化控制系统简介

2.1概述

“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。

本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。

该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。

具有如下特点：

真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。

被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。

具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号。

具有控制参数和控制方案的多样化。

通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管路的组合可构成几十种过程控制系统实验项目。

各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。

实验数据及图表在上位机软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。

多种控制方式：

可采用AI智能仪表控制、DCS分布式控制、S7-200或S7-300PLC可编程控制、DDC远程数据采集控制等多种控制方式。

充分考虑了各大高校自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。

同时本实验装置具有如下安全保护体系：

1．三相四线制总电源输入经带漏电保护装置的三相四线制断路器进入系统电源之后又分为一个三相电源支路和三个不同相的单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。

总电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表，三相带灯熔断器作为断相指示。

2．控制屏上装有一套电压型漏电保护和一套电流型漏电保护装置。

3．控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。

4．各种电源及各种仪表均有可靠的自保护功能。

5．强电接线插头采用封闭式结构，以防止触电事故的发生。

6．强弱电连接线采用不同结构的插头、插座，防止强弱电混接。

2.2系统总体说明

本实验装置[1]对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。

供水系统有两路：

一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

2-1实验对象总貌图

2.2.1被控对象

由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成）、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。

2.2.1.1水箱：

包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。

上、中水箱尺寸均为：

D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：

D=35cm，H=20cm。

水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。

水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。

上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。

储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：

长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

2.2.1.2模拟锅炉：

利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。

做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。

模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。

盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。

它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。

整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

有效提高了实验装置的使用年限。

其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。

2.2.2检测装置

2.2.2.1压力传感器、变送器：

三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。

采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：

4～20mADC。

2.2.2.2温度传感器：

装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。

Pt100测温范围：

-200～+420℃。

经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。

Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

2.2.2.3流量传感器、变送器：

三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。

它的优点是测量精度高，反应快。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。

流量范围：

0～1.2m3/h；精度：

1.0%；输出：

4～20mADC。

2.2.3执行机构

2.2.3.1电动调节阀：

采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。

电动调节阀型号为：

QSVP-16K。

具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

2.2.3.2水泵：

本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。

泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。

本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

2.2.3.3电磁阀：

在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

电磁阀型号为：

2W-160-25；工作压力：

最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；工作温度：

－5～80℃；工作电压：

24VDC。

2.2.3.4三相电加热管：

由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。

2.3系统实验平台

“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”主要由控制屏组件、智能仪表控制组件、远程数据采集控制组件、DCS分布式控制组件、PLC控制组件等几部分组成。

2.3.1控制屏组件

2.3.1.1SA-01电源控制屏面板

充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

图1-2为电源控制屏示意图。

合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。

此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。

按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。

图2-2电源控制屏示意图

2.3.1.2SA-02I/O信号接口面板

该面板的作用主要是通过航空插头（一端与对象系统连接）将各传感器检测信号及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，便于学生自行连线组成不同的控制系统。

2.3.1.3SA-11交流变频控制挂件

采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH（R）型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。

变频器常用参数设置：

P30＝1；P53＝1；P62＝4；P79＝0

2.3.1.4三相移相SCR调压装置、位式控制接触器

采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。

输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

位式控制接触器和AI-708仪表一起使用，通过AI-708仪表输出继电器触点的通断来控制交流接触器的通断，从而完成锅炉水温的位式控制实验。

2.3.2智能仪表控制组件

2.3.2.1AI智能调节仪表挂件

采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818型，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。

AI-818型仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号；而AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关量信号。

AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

AI仪表常用参数设置：

CtrL：

控制方式。

CtrL＝0，采用位式控制；CtrL＝1，采用AI人工智能调节/PID调节；CtrL＝2，启动自整定参数功能；CtrL＝3，自整定结束。

Sn：

输入规格。

Sn＝21，Pt100热电阻输入；Sn＝32，0.2～1VDC电压输入；Sn＝33，1～5VDC电压输入。

DIL：

输入下限显示值，一般DIL＝0。

DIH：

输入上限显示值。

输入为液位信号时，DIH＝50.0；输入为热电阻信号时，DIH＝100；输入为流量信号时，DIH＝100。

OP1：

输出方式，一般OP1＝4为4～20mA线性电流输出。

CF：

系统功能选择。

CF＝0为内部给定，反作用调节；CF＝1为内部给定，正作用调节；CF＝8为外部给定，反作用调节；CF＝9为外部给定，正作用调节。

Addr：

通讯地址。

单回路实验Addr＝1；串级实验主控为Addr＝1，副控为Addr＝2；三闭环实验主控为Addr＝1，副控为Addr＝2，内环为Addr＝3。

实验中各仪表通讯地址不允许相同。

P、I、D参数可根据实验需要调整，其他参数请参考默认设置。

有关AI系列仪表的使用请参考说明书上相关的内容。

2.3.2.2SA-14比值、前馈补偿及解耦装置挂件

比值、前馈补偿装置同调节器一起使用，其原理如图1-3所示。

上面一路作为比值器，输入电压经过电压跟随器、反相比例放大器、反相器输出0～5V电压，可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验；当上面一路作为干扰输入，下面一路作为调节器输出时，两路相加或相减（通过钮子开关切换），再经过I/V变换输出4～20mA电流，这部分构成一个前馈补偿器，可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-反馈控制系统实验。

图2-3比值、前馈补偿器原理图

解耦装置同调节器一起使用，其原理如图1-4所示。

上面一路的输入对输出的影响，以及下面一路的输入对输出的影响均为1：

1的关系；两路之间相互的影响通过可调比例放大器及加法器实现。

值得注意的是上面一路对下面一路的影响可通过钮子开关选择相加或相减，可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口水温的解耦控制系统实验。

图2-4解耦装置原理图

3MCGS组态软件的介绍

3.1什么是MCGS组态软件

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。

MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。

MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。

目前，MCGS组态软件已经成功推出了MCGS通用版组态软件、MCGSWWW网络版组态软件和MCGSE嵌入版组态软件。

三类产品风格相同，功能各异，三者完美结合，融为一体，形成了整个工业监控系统的从设备采集、工作站数据处理和控制、上位机网络管理和web浏览的所有功能，很好的实现了自动控制一体化的功能。

3.2MCGS组态软件的系统构成

MCGS组态软件的整体结构

MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。

组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。

运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。

两部分互相独立，又紧密相关。

MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录