贮槽液位控制系统设计.docx
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贮槽液位控制系统设计
前言
随着工业技术的更新，特别是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化仪表已经进入了计算机控制装置时代。
在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、物位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”系统。
液位是工业过程生产中经常遇到的控制对象之一，对所需要的液位控制对象进行精确的控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。
因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。
近年来，随着控制理论的深入研究，出现了许多新的控制算法。
但是，以PID为原理的各种控制器仍然是过程控制中不可或缺的基本控制单元。
根据液位控制系统的特点，设计合适的PID控制器对其进行液位控制，不仅成本低而且控制效果很好，具有较高的价值。
本文通过实验的方法，确立的被控对象的数学模型。
并采用多种方法确定被控对象的传递函数。
主要完成了以下工作：
首先建立系统的整体方案，是单回路还是串级或者还是前馈反馈等等，然后机理法建模对水箱进行数学建模确定控制方式，是P控制还是PI控制还是PID控制，设计出整个系统的方框图，根据方框图选定各个环节的设备，然后进行硬件连接，软件组态MCGS后和硬件设备进行通讯连接，根据调节规律进行调试，并对实验结果进行分析。
【关键词】：
过程控制PID控制软件组态MCGS
第1章概述
1.1课题设计的目的
在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡，因此工艺要求贮槽内的液位需维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出，要求设计一个液位控制系统。
1.2课题设计的要求
假设贮槽设备是一水箱，生产工艺要求水箱液位应保持在
，设计控制系统满足该要求。
●确定系统设计方案；
●选择相应的仪器设备；
●MCGS软件组态相应的监控画面；
●完成控制算法程序设计；
●在DDC控制装置中进行调试
第2章系统方案选择与设计
2.1系统方案选择
根据课题设计的目的，了解到此贮槽液位控制系统的生产工艺比较简单，要求并不高，所以采用单回路控制系统进行设计。
单回路控制系统是最基本的控制系统，其结构简单、投资少、易于调整，操作维护比较方便，又能满足多数工业生产的控制要求，是最简单、最基本、最成熟的一种控制方式，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系统占控制回路的绝大多数。
单回路闭环反馈控制系统由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。
其方框图如下图2-1所示。
2.2系统的设计
（1）首先确定控制方式。
包含调节规律的确定和调节方式的选择。
1调节规律的确定
贮槽液位控制系统模拟贮槽液位控制过程的示意图如下图2-2所示。
工作过程：
一个贮槽，水经过阀门Ql不断地流入贮槽，贮槽内的水又通过阀门2不断流出。
设计要求贮槽的液位h保持
。
这里的贮槽为被控对象，液位h就是被控变量，即输出量，Q1为控制变量，即输入量。
分析阀门1的开度与液位h之间的动态关系，根据物料平衡，建立增量的形式输入与输出的数学模型如下式（2-1）所示。
（2-1）
而流入量Ql的变化量
只取决于阀门1的开度变化量
，当阀门1的前后压差不变时，两者之间的关系表示为式（2-2）。
为流量比例系数。
（2-2）
流出量Q2的变化量取决于阀门2的流体阻力Rs，两者之间表达式（2-3）。
（2-3）
将式（2-1）和（2-1）代入式（2-3）中得到的方程为式（2-4）。
（2-4）
取拉氏变换后得到传递函数模型为式（2-5）。
其中T=ARs，K=KuRs。
（2-5）
分析以上数学模型得出：
K为放大系数，受液阻和阀门1流量比系数的影响，T受容量系数和液阻的影响，表征液位h过程响应快慢的参数。
由调节规律比例积分微分的调节方式的广义传递函数：
得出，调节规律可选择PID调节。
2调节方式的选择。
因为数字计算机的控制编程灵活，能够很方便地对PID规律进行各种调节，实现多种形式的PID算法控制算法修改方便，无需硬件改变。
采用直接数字控制（DDC）系统能够按照预先规定的控制算法（如PID、内回流等）计算出控制量，并通过输出通道，直接作用在执行机构上，实现对整个生产、实验过程的闭环控制，通常它有几十个控制回路。
它用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生产过程中经输入通道获取信息，其结构图如下图2-3：
（2）系统的方框图以及工作原理
根据贮槽液位控制系统的方案和控制方式的选择设计出DDC控制的贮槽液位控制系统的结构方框图如下图2-4所示。
其工作原理是:
在贮槽通过液位检测变送装置将采集到的信号测量放大，统一变换为4~20mA（或1-5V）信号，通过ICP7017模数转换模块，作为DDC的输入，计算机按照预定的控制程序，对被测量进行必要的处理、分析和比较，并按一定的规律（如PID控制规律）进行运算，从而得出控制量的改变值，输出到ICP7024数模转换模块直接控制执行机构，从而完成对系统的控制。
（ICP7017是带通讯功能的AD采集卡，ICP7024是带通讯功能的DA输出卡。
）
第3章系统硬件的设计
3.1硬件设备的选择
根据图2-4结构方框图得出贮槽液位控制系统的硬件设备包含液位检测变送装置、ICP7017_A/D转换模块、工控PC机（计算机）、ICP7024_D/A转换模块、执行结构、贮槽和其它设备。
下面对这些设备进行详细说明。
3.1.1液位检测变送装置
本实验对象的检测装置为扩散硅压力液位传感器。
工作原理：
当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输V/A电压、电流转换器，转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4~20mA标准电流输出信号。
用途：
检测中水箱液位。
接线方式：
二线制接法，它的端子位于中继管内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接红线，白线/蓝线接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接24V-。
传感器输出4～20mA电流信号，通过负载电阻250/50Ω转换成电压信号。
当负载电阻接250Ω是信号电压为1～5V，当负载电阻切换成50Ω时信号为0.2～1V。
3.1.2ICP7017_A/D转换模块
ICP7017转换模块为8通道模拟量输入模块。
如图3-1所示。
图3-1ICP7017-A/D转换模块
相关参数：
（1）工作电源：
直流24V
（2）ICP7017模块：
8路电压型模拟量输入，8路电流型模拟量输入。
（3）电压输入范围：
150~150mv,-500~500mv,-1~1v,-5~5v,-10~10v
（4）电流输入范围：
-2~20mA
（5）通讯方式：
485通讯
CP7017模块外部接线图如下图3-2所示。
（任一通道接线方式）
ICP-7017-A/D转换模块，面板上提供了4通道的输入端口，每一通道根据功能表输入允许范围的电压或电流，其中a:
电源开关，b:
RS485接口，c:
ICP-7017模块，d:
4通道的输入接口。
图3-2ICP7017模块外部接线图
3.1.3ICP7024_D/A转换模块
ICP7024模块为4通道模拟量输入转换模块，如图3-3所示。
相关参数：
（1）工作电源：
直流24V
（2）ICP7024模块：
4路电压型模拟量输出，4路电流型模拟量输出。
（3）电流输出范围：
0~20mA,4~20mA。
（4）电压输出范围：
-10v~10v,0~10v,-5~5v,0~5v。
（5）通讯方式：
485通讯。
CP7024模块外部接线图如下图3-4所示。
（任一通道接线方式）ICP7024-D/A转换模块，面板上提供了4通道的输出端口，每一通道根据功能表输入允许范围的电压或电流，其中A:
电源开关，B:
RS485接口，C:
ICP-7024模块，D:
4通道的输出接口。
图3-4ICP7024-D/A转换模块外部接线图
3.1.4执行机构装置
在过程控制系统中，执行机构是自动控制系统中的操作环节，根据控制器送来的控制信号改变所操作介质的大小，将被控变量维持在所要求的数值上。
执行机构的工作原理：
从控制器计算出到的数字信号通过ICP7024_D/A转换模块输出所需要的模拟量信号输出给电动调节阀，将信号送给变频器控制水泵的转速，控制着阀门的开度大小，从而控制给水量的大小。
它包含电动调节阀、单相可控硅移相调压模块、变频器和水泵。
1、QSTP-16K智能电动单座调节阀技术参数如下:
（1）型式：
智能型直行程执行机构（气关式）
（2）输入信号：
0～10mA/4～20mADC/0～5mVDC/1～5VDC
（3）输入阻抗：
250Ω/500Ω
（4）输出信号：
4～20mADC
（5）输出最大负载：
＜500Ω
（6）信号断电时的阀位：
可任意设置为保持/全开/全关/0～100%间的任意值
（7）电源：
220V
10%/50Hz
2、变频器
系统中所用的变频器的为三菱变频调速器，其型号为：
FR-S520S-0.4K-CHR。
4-20mA控制信号输入，可对流量和压力进行控制，体积小、功率小是它的优点，它的更能非常强大，运行可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率，频率高达200Hz。
变频器的输出端与丹麦循环泵相连，实现丹麦循环泵支路的流量控制。
3、水泵
采用丹麦兰富水泵，变频器的输出端与丹麦循环泵相连，实现丹麦循环泵支路的流量控制。
优点：
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。
3.2硬件接线图及说明
如图3-5所示：
硬件说明：
根据软件的通信设备的通道号，选择7017A/D转换模块和7024D/A转换模块的通道号2，7017A/D采集信号从设备的中水箱获得，7024D/A输出信号连接的电动调节阀门，正负不要接反即可。
第4章软件设计
4.1MCGS工控组态系统
MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。
概念简单，易于理解和使用。
普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。
用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。
具有以下优点：
（1）功能齐全，便于方案设计。
（2）实时性与并行处理。
（3）“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。
（4）利用丰富的动画组态功能，快速构造各种生动的动态画面。
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
4.1主控窗口的设计
主控窗口：
是工程的主窗口或主框架。
在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
设计中包含贮槽液位控制系统菜单和退出试验菜单，表示如图4-1所示。
分别选择贮槽液位控制系统和退出实验系统的属性，然后在菜单操作中分别选择打开用户窗口和退出运行环境。
4.2设备窗口的建立
设备窗口：
是连接和驱动外部设备的工作环境。
在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
如图4-2所示。
计算机与设备进行通讯连接，当设备0串口通讯父设备中检测到7017和7024模块的驱动时，根据需要设置7017属性，最小周期（ms）为200，模块地址为4，输入范围为1-
5，通道连接为PV0（根据变量和编写的程序），通讯状态为数据库变量中mm1，基本属性的设置如图4-2所示，通道连接如图4-3所示。
图4-27017A/D基本属性设置图4-37017A/D通道连接设置
7024由7017类似的道理进行设置。
特别注意在选择通道号的时候要与数据库程序对应好。
4.3用户窗口的设计
用户窗口：
本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：
生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。
选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。
将窗口名称改为：
水位控制；窗口标题改为：
水位控制；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。
在“用户窗口”中，选中“水位控制”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。
根据需要创建了、和。
贮槽液位控制系统的组态动画表示如图4-4所示。
图4-4贮槽液位控制系统
在建立好各种动画和简历数据库变量基础上，将要控制的动画连接好相应的变量名，方便可控。
4.4实时数据库的建立
实时数据库：
是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。
在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
所有的动画连接都是在数据库建立之后才能连接的，在建立数据库变量的时候一定要根据实际确定该变量是开关量型还是数值量型。
数据对象变量名以及属性如图4-5所示。
4.5运行策略的设计
运行策略：
本窗口主要完成工程运行流程的控制。
包括编写控制程序（if…then脚本程序）。
MCGS提供五种策略类型供用户选择，分别是用户策略、循环策略、报警策略、事件策略、热键策略，其中这五种策略除策略的启动方式各自不同之外，其功能本质上没有差别，用户策略自己并不启动，需要其他策略、按钮、菜单等调用，循环策略是按设定的循环时间自动循环运行，事件策略是等待某事件的发生后启动运行，报警策略是当某个报警条件发生后启动运行，热键策略是响应某个热键按下时启动运行。
根据实际设计了三种策略，即：
启动策略、循环策略和退出策略。
如图4-6所示。
图4-6运行策略
策略MCGS提供的脚本程序构件是用来执行用户编制的脚本程序。
在用户窗口属性中设计启动脚本脚本、退出脚本和循环脚本等内容。
（1）启动脚本和退出脚本
启动脚本
退出脚本
!
setdevice（7024,1,""）
!
setdevice（7017,1,""）
Qp=0
Qi=0
Qd=0
FK=0
sv=0
pvx=0
run=0
!
SetWindow（实时曲线,2）
!
setdevice（7024,2,""）
!
setdevice（7017,2,""）
Qp=0
Qi=0
Qd=0
FK=0
sv=0
pvx=0
run=0
!
SetWindow（实时曲线,3）
（3）循环脚本（采样周期200ms）
序号
程序
释义
1
CL水箱=（PV0-1000）*0.02
ifCL水箱>38then
CL水箱=38
endif
7017转换模块采集到的信号PV0转化为数值量信号方便PID控制，水箱的液位最大值为38cm。
2
SV水箱=sv
AOch2=（FK+25）/6.25
将控制器计算出的阀门数值量信号转换为7024接收信号。
3
ifrun=0then
Qp=0
Qi=0
Qd=0
pvx=0
endif
手动运行状态时，PID控制不起作用。
4
ifrun=1then
e=sv-（PV0-1000）*0.02
偏差值e=设定值—测量值（CL水箱）
5
ifK=0andTi=0andTd=0then
Qp=0
Qi=0
Qd=0
endif
PID无控制信号
6
ifK<>0andTi<>0then
Qp=K*e
Txi=K*0.2*e/Ti
Qd=K*Td*（（PVX-PV0）*0.02）/0.2
endif
PID控制
7
ifK=0then
Qp=0
Txi=0.2*e/Ti
Qd=Td*（（PVX-PV0）*0.02）/0.2
endif
ID控制（一般不用）
8
ifTi=0then
Qp=K*e
Qi=0
Txi=0
Qd=K*Td*（（PVX-PV0）*0.02）/0.2
endif
PD控制
9
ifTxi>5then
Txi=5
Endif
ifTxi<-5then
Txi=-5
endif
积分前项的限值
10
ife>0andFK>=100then
Qi=Qi
else
Qi=Qi+Txi
endif
ife<0andFK<=0then
Qi=Qi
else
Qi=Qi+Txi
endif
偏差大于0或者阀门开度大于100和偏差小于0或者阀门开度小于100，积分项等于前次的积分加上当前积分项
11
PVX=PV0
FK=Qp+Qi+Qd
阀门的开度值（输出）=比例项+积分项+微分项
12
ifFK<0then
FK=0
endif
ifFK>100then
FK=100
endif
endif
阀门极限值
注释：
PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。
（1）比例项：
根据P控制规律，在比例项中只要合理的设定K的大小，就能因根据采样偏差e值的变化规律来控制调节幅度。
Qp=e*K
（2）积分项：
从第一个采样周期到当前采样周期所有偏差项的函数。
（3）微分项：
QTd=Td*de/dt
PI控制：
PD控制：
PID控制：
CPU（计算机中央芯片）实际计算中使用的是简化算式比例项、积分项和微分项和的形式计算PID输出。
PID控制输出各项CPU算法：
比例项：
Qp=K*e
积分项：
Txi=K*0.2*e/Ti（没有偏差时）、Qi=Qi+Txi（有偏差时）
微分项：
Qd=K*Td*（（PVX-PV0）*0.02）/0.2
输出=比例项+积分项+微分项=Qp+Qi+Qd
①0.2（200ms）采样周期时间
②K比例系数
③e为偏差
④Txi积分前项
⑤Ti为积分时间
⑥Td为微分时间
⑦PVX前次测量值
⑧PV0为当前测量值
第5章系统调试与分析
5.1通讯连接
在系统软件设计完善的情况下，要进行系统的调试，首先要完成通讯连接。
MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。
包括数据采集和发送设备指令。
设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。
建立的相应的数据变量，根据脚本程序确定通讯变量以及通道号，相关的设备属性设置在第4章软件设计中有详细的介绍，这里不再复述。
5.2系统调试与整定
组态检查无误后，进入运行状态，进入贮槽液位控制系统的动画控制主界面。
调节参数的整定有理论计算法和工程整定法，以下采用的工程整定法进行的调节。
工程的PID调节方法有很多中，比如稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法、经验法。
根据实际调试方法进行调节规律的最佳选择
1、采用稳定边界法，设置K的值为15，Ti设置无穷大，Td为0时，通过改变K的值直到出现临界振荡后，在历史曲线上取临界振荡周期值T和比例度P，但是由于周期时间测量不精准，很难确定其它参数，所以在调试中失败。
分析得出：
理论的计算和实际应用有比较大的差别。
2、采用衰减曲线法，由于设定值阶跃扰动信号的加入，要观察整个过度过程，时间上非常长，但同时也很难精准获得衰减比例度Ps和震荡周期时间Ts，难以实现，调试失败。
3、采用响应曲线法，要断开数字控制器，使系统工作在手动操作状态，比较适用于模拟控制系统，不适用与数字控制系统，而且系统要开环控制，所以此方法不适用予以排除。
4、采用经验法，即：
试凑法，不需要试凑和计算，但是首先得把比例系数调整好，在没有经验的调试下，可能时间花费稍微久，有一点点的盲目性，但是经验也是在多次的试验然后才有的，此液位控制系统所采用的调节方法是试凑法调节。
下面详细介绍试凑法的的调节步骤。
①经过多次调节后，设置比例系数K=25时的图形如图5-1所示。
图5-1K=35曲线图
分析：
比例调节的目的是得到反应快、超调小的曲线。
观察此曲线，存在一定的静差值（e=20—17.8=2.2），不符合，根据比例系数对系统的影响，逐渐调大比例度，确定最佳比例系数为32。
②加入积分时间，根据调节规律，首先将比例系数减小为原来的10%—20%，逐渐减小积分时间。
计算得出K=32*20%=6.4，逐渐减小积分时间，微分时间为0。
当积分时间为200时，响应变慢。
当积分时间为100时，振荡次数增多。
当积分时间为150时，曲线最佳。
比较当积分时间为150的时候的K=6.4、K=6.8、K=7时的曲线，
当K=6.4的时候输出值最后稳定在18cm左右，偏差较大。
当K=7的时候，有点小振荡。
由此：
最佳比例和积分参数分别为6.8和150。
曲线如图5-2所示。
③从小到大逐渐加入微分时间，Td=5时的偏差为0.3，达到20的时间相比上图有缩短一点，取的最佳曲线如图5-3所示。
5.3调试问题分析
在整个的调试过程中，遇到了很多的问题，并一一分析了解决的方法。
1、建立动画后，通讯不成功。
解决方法：
将通讯相关的参数中有一个地址模块号改为4，并将同通道号与控制台的通道号一一对应。
7017的A/I0、A/I1、A/I2和A/I3分别对应通道号1、2、3和4，7024的A/O0、A/O1、A/O2和A/O3分别对应通道号1、2、3和4。
2、在动画建立并通讯连接成功后，并没有按照预期的效果进水。
解决方法：
在循环脚本程序中的输入信号变量是PV0，将设备属性中的连接变量名PV1改为PV0。
3、系统运行中，实时曲线没有曲线。
解决方法：
在主窗口界面中创建实时曲线和历史曲线，并选择变量连接和颜色，在按钮中选择打开实时曲线或者历史曲线窗口，在贮槽液位控制系统的动画界面实时曲线中选择相应变量名和曲线颜色的变化，方便区分。
第6章总结
通过此次的课程设计，不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中了解许多课外知识，开拓了视野，在调试中，认识到很多的问题，认真细心很重要，自己在专业知识方面和动手能力方面提升很大，对这种过程控制专业的学习，如果只是一味的学习理论知识很难发挥其作用，那也就等于没有学。
一直都觉得弄课程设计是一种挑战，挑战你是否真的能够学以致用。
从确定方案、建立系统、调试监控以及数据分析都让我让我更加能深入理解过程控制系统，在设计系统的方法上步骤更加明朗清晰，再也不是以前那样，思维一片混乱。
这些对我来说是将课本所学知识应用到具体实践中的考验。
虽然在这个过程中我们遇到了很多困难，通讯故障问题，动画连接问题和显示问题，但是最后都一一得以解决，调试花费了我大把的时间和精力，通过查阅资料、在同学和老师的帮助下，最终基本解决这些问题，了解了调试方法，收获不小哦，基本完成了课程设计的要求。
在这个过程中我们
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