基于MCGS的液位控制系统设计.docx

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基于MCGS的液位控制系统设计

第1章系统总体方案选择

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。

对分析设计的要求，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。

单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控系统、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。

单回路控制系统是最简单、最基本、最成熟的一种控制方式。

单回路控制系统根据被控量的系统、液位单回路控制系统等。

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1-1控制系统方框图

1.6控制系统的简图

图1-2控制系统的简图

第2章系统结构框图与工作原理

2.1系统结构框图

将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的基于计算机的控制系统，如图2-1所示。

图2-1储槽液位控制系统框图

过程控制系统，简单的说，就是采用计算机来实现的过程工业控制（含管理）系统。

从控制系统引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务实现复杂东芝规律。

由于计算机只能处理数字信号，因此给定值和反馈要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。

但计算机接受了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）在经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。

单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛。

2.2工作原理

单回路过程控制系统亦称单回路调节系统，一般是指正对一个被控过程（调节对象），采用一个检测变松器检测被测过程，采用一个控制（调节器）来保持参数恒定（或在很小范围变化），其输出也只控制一个执行机构（调节阀）。

从系统的款图看，只有一个闭环回路。

单回路过程控制系统

是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。

单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。

因此，学习和掌握单回路系统的工程设计方法是非常重要的。

第3章各单元软硬件

3.1模拟控制对象系统

模拟控制对象系统由上、中、下三个水箱、热交换器及相应管路（含手动阀、转换阀）组成，上、中水箱由水泵供水。

上、中两个水箱装有液位传感器；上水箱是一个复合式水箱，其中水箱内装有电加热器，电动搅拌器和PT100温度传感器。

下水箱内置潜水泵。

热交换器冷热流体管路上均装有涡轮流量计、温度传感器、阀门和水泵。

水箱中的水位、水温以及供水的流量和热交换器冷热流体管路上的温度、流量、压力都可以用于构成控制系统的被控参数。

管路任一个手动阀都可以作为干扰源，用以产生干扰信号，整个被控对象组成了一个复杂控制系统。

单回路控制系统主要包括实验台上的上水箱、中水箱、回水泵、循环泵、电子比例阀以及相应的管路和阀门。

3.2控制台整体运行方法

控制台有手动控制按钮、智能仪表组成。

图3-1上水箱液位PID参数整定控制接线图

1）.将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到1～5V位置。

2）.将上水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的正极），将上水箱液位－（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。

3）.将智能调节仪的4~20mA输出端的7端（即正极）接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的4~20mA输出端的5端（即负极）接至电动调节阀的4~20mA输入端的－（即负极）。

4）.智能调节仪的~220V的电源开关打在关的位置。

5）.电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。

1、启动实验装置

1）.将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2）.打开电源带漏电保护空气开关。

3）.打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。

4）.开启24VDC电源开关，调整好仪表各项参数（仪表初始状态为手动且为0）和液位传感器的零位。

5）.启动智能仪表，设置好仪表参数。

3.3上位机及控制软件系统

THJ-2型过程控制系统综合实验台上位机可以根据用户的要求配置不同的组件。

模拟对象系统的控制软件系统是基于MCGS工控软件的实验控制软件系统。

MCGS是一套基于windows平台的、用于快速结构和生成上位机监控系统的姿态软件，可以运行于windows95/98/NT/2000及以上系统。

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、趋势显示和报表输出以及企业监控网络等功能。

3.4模拟量输入模块ICP-7017

面板如图3-2所示，ICP-7017模块24V供电，面板上提供了4通道的输入端口，每一通道根据功能表壳输入允许范围的电压或电流。

图3-2ICP7017面板

图中，A:

电源开关B:

RS485接口C:

ICP-7017模块D:

4通道的输入接口

ICP7017模块的功能介绍：

ICP7017模块：

8通道模拟量输入模块。

工作电源：

直流24V

输入类型：

电压、电流。

输入范围：

150~150mv,-500~500mv,-1~1v,-5~5v,-10~10v,-2~20mA

通讯方式：

485通讯

3.5模拟量输出模块ICP-7024

面板如图3-3所示，24V供电，提供了4通道的输出端口，每一通道根据功能表壳输入允许范围的电压或电流。

图3-3ICP-7024面板

图中，A:

电源开关B:

RS485接口C:

ICP-7024模块D:

4通道的输出接口

ICP7017模块的功能介绍：

4路电压型模拟量输出，4路电流型模拟量输出。

工作电源：

直流24V

电流输出范围：

0~20mA,4~20mA

电压输出范围：

-10v~10v,0~10v,-5~5v,0~5v

通讯方式：

485通讯

3.6电动调节阀

这里用的是QSTP-16K智能电动单座调节阀，其主要技术参数如下:

型式：

智能型直行程执行机构

输入信号：

0～10mA/4～20mADC/0～5mVDC/1～5VDC

输入阻抗：

250Ω/500Ω

输出信号：

4～20mADC

输出最大负载：

＜500Ω

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

电源：

220V

10%/50Hz

3.7液位传感器

被控参数以及其他一些参数、变量的检测和将测量信号传送至控制器（调节器或计算机）是设计过程控制系统的重要一环。

选择变送器要注意以下几个问题：

尽可能选择测量误差小的测量元件；

尽可能选择快速响应的测量元件与变松设备；

对测量信号做必要的处理。

本实验对象的检测装置为扩散硅压力液位传感器。

分别用于检测上水箱、中水箱和下水箱液位。

接线说明：

传感器为二线制接法，他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。

第4章软件设计与说明

主控窗口就是在开始运行时出现的窗口，可以选择需要运本课程设计中，用到的软件就是MCGS组态软件。

主要就是设计出单容水箱液位控制系统的组态监控画面，对各个模块的属性设置要准确。

同时，要写出PID算法的程序。

具体内容如下：

4.1用户窗口

这就是整个单容水箱液位控制系统的组态画面图，左半部分主要就是一个实验现场模拟图，可以清楚地看到在运行过程中，水的流向及过程。

右半部分，主要是各个参数的调节设置，并且在参数设置好后，可以看过水箱的设定值，以及输出值的变化。

还可以将整个变化过程通过曲线表示出来，清晰明了。

D实时曲线：

D历史曲线：

以下这个界面，可以记录下在运行过程中所出现的曲线，这样便于记录，以免丢失。

并且也可以把多次测量结果拿来作对比，可以清晰地看出，当比例，积分，微分各项参数发生变化时，输出值的变化情况。

4.2实时数据库

对整个设计中所需要的变量进行定义。

第5章系统调试

5.1设备连接

本设计调试时，要用到组态软件MCGS。

运行MCGS,打开设备窗口，添加通用串口父设备驱动程序7017和7024。

7017用于采集现场数据到计算机，7024为输出设备，把计算机的控制信息输出到阀门。

按照通讯状态设置，连线控制回路个模块（7017、7024、传感器、电动阀）。

5.2系统调试

打开实验设备和远程数据采集控制台的电源，水泵启动，在MCGS组态环境下，按F5进入运行环境，静茹自动状态。

设定值为22，比例系数为80，观察运行状态。

在运行环境下，通讯标志显示通讯成功。

但监控画面上没有水箱液位测量值，同时发现调节电动阀的输出，电动阀无反应，阀门开度无变化。

这可能是线路或组态有问题，先把实验设备和远程数据采集控制台的线路连接检查了一遍，没有错误，那就可能是组态问题。

关闭运行环境，关闭试验台电源。

进入组态环境，查看7017和7024设备组态窗口模块地址，发现7017模块地址和控制台连线不对应，重新连线，重新加载运行，液位采集成功，调试完成。

5.3调试结果

图5-1液位控制系统调试画面

图5-2实时曲线

图5-3历史曲线

图5-4存盘数据

5.4注意事项

1、开始实验前，先检查仪表/计算机是否拨到计算机位置。

2、实验结束后，应先将控制台回到初始位置，将试验台红色按钮按下断电后，在关闭计算机。

3、实验暂停时，应将阀门关闭，防止水箱内的水回流。

第6章总结

通过本次课程设计，我对MCGS组态软件的设计方法和PID调节设计有了初步的认识，这对我以后系统设计有很大的作用。

虽然两周的时间很短暂，但这两周的每一天都值得回忆，因为这两周的每一天我们都收获颇丰，每一天我们都过得很充实，每一天我们都感受到一种紧迫同时又感受到了自己实实在在的进步，更让我们明白了一个道理：

理论只有结合实践才能更加清晰深刻，学习只有付出才能有收获。

任何理论学习都需要实践，通过实践，才能加深对理论理解和运用。

这次的课程设计部仅提高了自己的动手能力、操作能力，而且自己也可以从中学习了不少知识，使我深深的认识到实践能力的重要性。

在这次课程设计中我遇到了很多困难，对MCGS的不熟悉，PID控制的不熟悉，在实验设计和调试中，通过查资料，同学之间相互讨论才有今天的结果，要特别感谢梁霞林同学的帮助，才使我很快的找到调试的参数，也要感谢沈老师多多教导。

总体来说，这次储槽液位控制系统的课程设计使我受益匪浅。

在摸索该如何设计单回路系统控制使之实现最优控制功能的过程中，培养我的思维能力，动手能力。

让我体会到设计控制系统的艰辛时，更让我体会到成功的喜悦和快乐

程序清单

启动脚本

!

setdevice（7024,1,""）

!

setdevice（7017,1,""）

Qp=0

Qi=0

Qd=0

OPA=0

sv=0

pvx=0

run=0

!

SetWindow（D实时曲线,2）

循环脚本

A水箱PV=（pv1-1000）*0.02

ifA水箱PV>38then

A水箱PV=38

endif

A水箱SV=sv

AOch0=（OPA+25）/6.25

ifrun=0then

Qp=0

Qi=0

Qd=0

pvx=0

endif

ifrun=1then

ei=sv-（pv1-1000）*0.02

ifk=0andTi=0andTd=0then

Qp=0

Qi=0

Qd=0

endif

ifk<>0andTi<>0then

Qp=k*ei

mx=k*0.2*ei/Ti

Qd=k*Td*（（pvx-pv1）*0.02）/0.2

endif

ifk=0then

Qp=0

mx=0.2*ei/Ti

Qd=Td*（（pvx-pv1）*0.02）/0.2

endif

ifTi=0then

Qp=k*ei

Qi=0

mx=0

Qd=k*Td*（（pvx-pv1）*0.02）/0.2

endif

ifmx>5then

mx=5

endif

ifmx<-5then

mx=-5

endif

ifei>0andOPA>=100then

Qi=Qi

else

Qi=Qi+mx

endif

ifei<0andOPA<=0then

Qi=Qi

else

Qi=Qi+mx

endif

pvx=pv1

OPA=Qp+Qi+Qd

ifOPA<0then

OPA=0

endif

ifOPA>100then

OPA=100

endif

Endif

退出脚本

!

setdevice（7024,2,""）

!

setdevice（7017,2,""）

Qp=0

Qi=0

Qd=0

OPA=0

sv=0

pvx=0

run=0

!

SetWindow（D实时曲线,3）

电气信息学院课程设计评分表

项目

评价

优

良

中

及格

差

设计方案合理性与创造性（10%）

硬件设计或软件编程完成情况（20%）

硬件测试或软件调试结果*（10%）

设计说明书质量（20%）

答辩情况（10%）

完成任务情况（10%）

独立工作能力（10%）

出勤情况（10%）

综合评分

指导教师签名：

________________

日期：

________________

注：

表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：

封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。