單容水箱液位控制系統(tǒng) 創(chuàng)新設(shè)計

1、創(chuàng)新設(shè)計與實踐題 目: 單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 成績：指導老師簽名： 日期： 摘 要“組態(tài)王”是運行于Win2000 /Win XP中文平臺的全中文界面的組態(tài)軟件，采用了多線程、COM組件等新技術(shù)，實現(xiàn)了實時多任務(wù)，軟件運行穩(wěn)定可靠。組態(tài)王具有一個集成開發(fā)環(huán)境“組態(tài)王工程瀏覽器”，在其中您可以查看工程的各個組成部分，也可以完成構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、定義外部設(shè)備等工作。畫面的開發(fā)和運行由工程瀏覽器調(diào)用畫面制作系統(tǒng)MAKE和畫面運行系統(tǒng)VIEW來完成的。MAKE是應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境，VIEW是“組態(tài)王”軟件的實時運行環(huán)境，在MAKE中

2、建立的圖形畫面只有在VIEW中才能運行。VIEW從工業(yè)控制對象中采集數(shù)據(jù)，并記錄在實時數(shù)據(jù)庫中。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，常需要對液位進行控制，這次課程設(shè)計就是運用組態(tài)軟件建立一個液位高度的監(jiān)控中心。監(jiān)控中心從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并以動畫方式直觀地顯示在監(jiān)控畫面上。監(jiān)控畫面還將顯示實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線并提供查詢歷史數(shù)據(jù)的功能，最后完成一個數(shù)據(jù)統(tǒng)計的報表，這次課程設(shè)計的內(nèi)容就是使用計算機及組態(tài)王軟件對單容水箱液位控制系統(tǒng)進行設(shè)計。 關(guān)鍵詞：組態(tài)王；單容水箱；液位控制系統(tǒng)目 次 1 引言12 設(shè)計方案22.1 控制方案22.2 PID控制框圖23 硬件部分設(shè)計33.1 液位變送器的選擇33.2 電動調(diào)

3、節(jié)閥的選擇33.3 水泵的選擇43.4 變頻器的選擇44 PID控制算法流程55 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計65.1 數(shù)字字典65.2 靜態(tài)畫面65.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序85.4 動畫連接9結(jié)論12致謝13參 考 文 獻141 引言工藝要求：(1)工藝管路流程如圖所示：(2)下水箱V103的液位需要監(jiān)視，對超限有報警。(3)現(xiàn)場監(jiān)視和操作。(4)水箱液位自動控制,要求控制在50%左右。(5)能實現(xiàn)歷史趨勢、實時趨勢、報表。(6)節(jié)能的考慮。圖 工藝管路流圖設(shè)計要求： (1)根據(jù)工藝要求，設(shè)計儀表的P&ID流程圖。 (2)選用變頻器調(diào)節(jié)2#水泵P102轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)水位，節(jié)能。 (3)液位變送器LT-10

4、3檢測液位。(4)控制邏輯在獨立運行的下位控制器上實現(xiàn)。 (5)HMI功能通過觸摸屏實現(xiàn)。變頻控制、流程圖、歷史趨勢、實時趨勢、報表均在觸摸屏上實現(xiàn)。 (6)采用計算計系統(tǒng)對下位控制器、觸摸屏進行編程組態(tài)。2 設(shè)計方案2.1 控制方案對于一個簡單的單容水箱的液位控制，因為系統(tǒng)只有一個液位變量，只需要簡單的單回路控制即可。而在實際的工業(yè)控制中多采用PID控制規(guī)律，PID算法實現(xiàn)簡單，控制效果好，穩(wěn)定性好,參數(shù)易于調(diào)整，在長期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗，所以本設(shè)計也采用PID控制。其主要特點：(1)技術(shù)成熟。PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實現(xiàn)常規(guī)的P

5、ID調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用PI、PD、帶死區(qū)的PID控制等；(2)不需求出系統(tǒng)的數(shù)學模型；(3)控制效果好。雖然計算機控制是非連續(xù)的，但由于計算機的運算速度越來越快，因此用數(shù)字PID完全可代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。2.2 PID控制框圖水箱液位控制框圖如下圖所示：計算機 控制器水泵上水箱液位檢測 傳感器_ Sp P v Pv1 圖 單容水箱液位控制框圖3 硬件部分設(shè)計3.1 液位變送器的選擇液位傳感器是用來對上位水箱和下位水箱的液位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，如圖所示。本變送器按標準的二線制傳輸，采用高品質(zhì)，低功耗精密器件，穩(wěn)定性和可靠性大大提高

6、，可方便的與其他DDZIIIX型儀表互換配置，并能直接交換同類儀表。校驗的方法是通電預熱十五分鐘后，分不在零壓力和滿程壓力下檢測輸出電流值。在零壓力下調(diào)整零電位器。使輸出電流為4mA，在滿程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為級，因為二線制，故工作時需串聯(lián)24V直流電源。 圖 液位變送器3.2 電動調(diào)節(jié)閥的選擇采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的液體的流量進行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，如圖所示，無需配伺服放大器，驅(qū)動電路。采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高。控制單元與執(zhí)行機構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并

7、可與計算機配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。由輸入控制信號420mA及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，420mA閥位反饋信號輸出雙導向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快 圖 電動調(diào)節(jié)閥開特性，閥門采用柔性彈簧連接，可預置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷防止泄漏。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。 3.3 水泵的選擇水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵，借動力設(shè)備和傳動裝置或利用自然能源將水由低處升至高處的水力機械，噪音低，壽命長，功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變

8、頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。 3.4 變頻器的選擇三菱FR-S520變頻器，420mA控制信號輸入，可對流量或壓力進行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強大，運行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制頻率。可單相或三相供電，頻率可高達200HZ。4 PID控制算法流程本系統(tǒng)的主要的實現(xiàn)是PID算法，運用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實現(xiàn)PID控制算法，PID算法流程圖如下圖所示。取Sp、水箱液位Pv形成偏差ek0取Ti、（ek0-ek1）做乘法得a取Kp、ek0做乘法得b取Td、（ek0+ek2-2*ek1）做乘法得c計算a+b+c得Uk輸出Uk數(shù)據(jù)

9、傳送ek0ek1、ek1ek2數(shù)據(jù)傳送Pv+UkPv結(jié)束開始圖4.1 PID算法流程圖5 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計 5.1 數(shù)字字典根據(jù)選擇的系統(tǒng)分析被控對象涉及的各個變量，在組態(tài)王軟件的數(shù)據(jù)詞典中建立這些變量和所需的中間變量，只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用，已備動畫連接和編程使用。建立的數(shù)據(jù)詞典用于定義開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量，參于PID運算的內(nèi)存實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下表所示：表5.1 數(shù)字字典5.2 靜態(tài)畫面 本課程設(shè)計共設(shè)計有四個界面：控制界面、歷史曲線界面、報警窗口、報表?？刂平缑嫒鐖D所示，當系統(tǒng)啟動后，我們進入控制界

10、面，上面有系統(tǒng)的名字“單容水箱液位控制系統(tǒng)”，系統(tǒng)的控制圖形，實時趨勢曲線，另外還有三個按鈕，是“歷史曲線”按鈕、“報表”按鈕和“退出”按鈕，需要退出控制界面時點擊“退出”按鈕。實時趨勢曲線包括設(shè)定值，水箱液位兩條曲線，當系統(tǒng)運行時這兩條曲線的變化會通過實時趨勢曲線界面表現(xiàn)出來。當我們要觀察歷史的曲線時，我們可以單擊歷史曲線按鈕，進入歷史曲線界面，它是通過ShowPicture("歷史曲線界面")命令語言與歷史曲線界面相連接，其功能是進入歷史曲線界面，歷史曲線界面如圖所示。歷史曲線中也主要包括水箱液位V103的曲線，設(shè)定值的曲線，歷史曲線中還有兩個按鈕，返回按鈕和退出按鈕，

11、返回按鈕也是通過ShowPicture("控制界面")命令語言與控制界面相連接，可以返回控制界面，退出按鈕具有退出系統(tǒng)的功能。當需要查看報表時，可以單擊報表按鈕，進入報表界面，如圖所示。數(shù)據(jù)報表是對生產(chǎn)過程中變量狀態(tài)的記錄和反映，它以一定格式輸出用戶指定的變量值和其他信息，因此，數(shù)據(jù)報表實際上就是一種簡單化的數(shù)據(jù)報表。我們使用組態(tài)王提供的實時數(shù)據(jù)報表：在組態(tài)王運行過程中，實時將當前數(shù)據(jù)變量按指定報表格式生成報表文件。我們?yōu)樗湟何缓妥冾l器系數(shù)的變化狀況制作實時報表，報表具有返回主界面，保存報表數(shù)據(jù)，打印報表數(shù)據(jù)和打印預覽的功能。 本次課程設(shè)計還制作了報警窗口，報警是指當系統(tǒng)

12、中某些量的值超過了所規(guī)定的界限時，系統(tǒng)自動產(chǎn)生相應(yīng)警告信息，表示該量的值已經(jīng)超限，提醒操作人員。本次課程設(shè)計主要對上水箱液位作了超底限和超高限的報警，當系統(tǒng)運行過程中有超限現(xiàn)象時會彈出報警窗口。 圖 控制界面圖5.2 歷史趨勢曲線界面圖 報表界面5.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序本次課程設(shè)計所使用的程序主要是控制界面運行時的應(yīng)用程序，根據(jù)系統(tǒng)控制要求設(shè)置最佳系數(shù)，編輯程序如下：本站點Ti=2;本站點Kp=7;本站點Td=1;if(本站點水泵P102=1)本站點ek0=本站點Sp-本站點水箱液位V104; 本站點微分液位差=本站點ek0+本站點ek2-2*本站點ek1; 本站點Uk=(本站點Ti*(本站點ek

13、0-本站點ek1)+本站點Kp*本站點ek0+本站點Td*本站點微分液位差)/500; 本站點水箱液位V104=本站點水箱液位V104+本站點Uk; 本站點液位傳遞值=本站點ek1; 本站點ek1=本站點ek0; 本站點ek2=本站點液位傳遞值; 本站點水箱液位V103=100-本站點水箱液位V104;5.4 動畫連接當系統(tǒng)設(shè)計完成便要進行動畫連接，編輯系統(tǒng)應(yīng)用程序，設(shè)定好參數(shù)數(shù)值，當系統(tǒng)啟動后，進入主界面，如圖所示，系統(tǒng)輸出水箱液位的數(shù)值，畫面中的管道模擬液體的流動，它是與水泵相關(guān)聯(lián)的，只要水泵是有開度的，管道就能模擬液體的流動，流量計示數(shù)，變頻器數(shù)值也在圖中顯示。界面右側(cè)各參數(shù)數(shù)值也顯示出

14、來，方便觀察。實時曲線中設(shè)定值，水箱液位隨著示數(shù)的變化而變化，可以清楚的看到液位的變化趨勢，如液位變化不穩(wěn)定可以調(diào)整應(yīng)用程序中的參數(shù)，達到最佳效果。當水箱液位有超限現(xiàn)象時會彈出報警窗口，如圖所示，觀察員可以及時對系統(tǒng)進行操作，歷史報警也會被記錄下來，方便查閱。按下“歷史曲線”按鈕可以進入歷史曲線界面，如圖所示，液位的歷史變化趨勢都可以在這里看到，需要返回控制界面則按下“返回”按鈕。按下“報表”按鈕可以進入報表界面，如圖所示，可以對報表進行保存、打印、打印預覽等操作，按下“退出”按鈕可以退出系統(tǒng)，本次設(shè)計基本實現(xiàn)了水箱液位的控制。 圖 動畫連接控制界面圖 動畫連接報警界面圖 動畫連接歷史趨勢曲線

15、界面圖5.7 動畫連接實時報表界面 結(jié)論本次工業(yè)過程控制課程設(shè)計，我們小組做的是單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計，以PID控制規(guī)律作為控制算法，經(jīng)過幾天的努力，我們基本完成了系統(tǒng)的控制要求，監(jiān)控界面清晰美觀，功能較為完善，這是我們參考資料自己獨立設(shè)計的結(jié)果。經(jīng)過本次課程設(shè)計，我對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的開發(fā)控制流程有了較全面的了解，在查閱相關(guān)資料的同時，增長了不少知識，學到了一些書本以外的應(yīng)用性的東西。設(shè)計過程中，了解了一些從前沒有多少接觸的硬件設(shè)備，如電動調(diào)節(jié)閥、液位變送器、變頻器。初步了解了PID控制規(guī)律在實際控制工程中的應(yīng)用，進一步加深了對PID控制算法理解，除此之外，還對在實際工程中應(yīng)用極為廣泛的組

16、態(tài)王軟件有了較好的掌握。這次的做課程設(shè)計的過程，我學到了很多，從軟件編寫、調(diào)試到軟硬件聯(lián)機調(diào)試，我們投入了大量的時間和精力。不僅讓我們增長了見識，開闊了視野，更讓我們懂得了過程的重要。也讓我們認識到了不足，在硬件上的水平比較差，知識面太窄，學習知識不牢固，而且我們學的都是課本知識，理論知識，實踐要和理論結(jié)合，而這次我們正好通過這次實踐把學過的知識進行鞏固。致謝我要感謝我的指導老師張杰老師，是他在我設(shè)計的過程中給予指導，讓我能順利完成設(shè)計任務(wù)。在以后的學習中，我會努力完善自己，牢固掌握知識，積極動手，將理論與實踐結(jié)合，使自己的知識水平有進一步提高。參 考 文 獻1 覃貴禮，吳尚慶組態(tài)軟件控制技術(shù)M北京：北京理工大學出版社，20072 曹立學基于組態(tài)軟件的流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計J北京