水箱液位控制系统设计毕业设计.docx

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水箱液位控制系统设计毕业设计

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：

水箱液位控制系统设计

学生姓名：

吴云鹏

学号：

2231

专业：

测控技术与仪器

班级：

测控08-2班

指导教师：

李刚助教

水箱液位控制系统设计

摘要

液位是工业工程中的常见变量，在各类进程控制中的应用愈来愈普遍。

例如在食物加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工进程中，通常需要利用蓄液池，而蓄液池中的液位需要维持必然的高度，既不能太满溢出造成危险，也不能过少而无法知足生产需求。

因此液位高度是工业控制进程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方式对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。

本文以实验室自制的双容水箱作为液位控制研究对象，通过上位机、研华的PCI-1710L板卡、电动调节阀、压力液位变送器组成的控制系统和压力液位变送器、变频器、水泵组成的控制系统别离实现了单容水箱的远程控制和当场控制，并在文章最后理论性的论述了双容水箱的控制方式。

设计中以组态软件--组态王为开发工具，开发了系统的监视与控制界面，而且自己编程实现PID控制程序，使系统具有了对现场进程数据的动态监视功能、历史数据的归档功能、异样信号的报警功能和现场操作的指导功能。

关键词：

水箱液位；PID控制；组态王；变频器；

Thedesignofthetanklevelcontrolsystem

Abstract

TheliquidlevelisoneofthecommonvariablesinIndustrialEngineering,theprocesscontrolismoreandmorewidelyused.Forexample,intheproductionprocessoffoodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustries,liquidstoragetankisusuallyused,andmakingtheliquidlevelofliquidstoragetankatacertainheightisveryimportant,neithertoooverflowtorisknortooshortnottomeettheproductiondemand.Therefore,theheightofliquidlevelintheindustrialcontrolprocessisoneoftheimportantparameters,especiallyinthedynamiccondition.Ifadopttheappropriatemethodforthecontroloftheliquidleveldetection,wecangetgoodeffect.

Theresearchobjectisbasedontheself-madedoubletanklevelcontrolsystem,throughthehostcomputer,theAdvantechPCI-1710Lcard,theelectriccontrolvalve,thepressureliquidleveltransmitter,thefrequencyconverterandthewaterpumpwegettwodifferentkindsofthecascadecontrolsystemforthesinglewatertankoftheliquidlevelcontrol,respectivelyrealizedtheeffectoftheremotecontrolandlocalcontrol.Andatlast,thisarticleexpoundsthetheoryofdoublewatertankcontrolmethod.

Choosethedesignofconfigurationsoftware–Kingviewfordevelopmenttools,wehavehadthedevelopmentofthesystemtomonitorandcontrolinterface,andalsohaveprogrammedPIDcontrolproceduresthatmadethesystemhasafieldprocessdata,dynamicmonitoringhistoricaldataarchivingfunction,abnormalsignalofthealarmfunctionandtheguidancefunctionoftheon-siteoperation.

Keywords:

Tanklevel;PIDcontrol;Kingview;Frequencyconverter;

第一章绪论

选题背景及意义

液位是工业生产进程控制中很重要的被控变量。

工业生产中的润滑油、冷却水、调速油、油质加工、液态燃料供给、废油净化、溶液加工与传输等场合，常需对容器中液位进行有效靠得住的控制，不然将不能使液体循环系统乃至整个机组正常运行。

另外，在这些生产领域里，极容易出现操作失误，引发事故，造成厂家的损失。

可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响工厂的生产本钱、经济效益乃至设备的安全系数。

所以，为了保证安全、方便操作，就必需研究开发先进的液位控制方式和策略。

工业生产进程中的液位系统一般是时变的，具有明显的滞后特性。

在热工生产与传输质量或能量的进程中，存在着各类形式的容积和阻力，加上对象多具有散布参数，恍如被不同的阻力和容积彼此分隔着一样。

生产实际中的被控对象往往是由多个容积和阻力组成的多容对象。

两个串联的单容对象组成的双容对象就比较典型。

人们生活和工业生产常常涉及到液位的控制问题，因此液位是工业控制进程中一个重要的参数。

液位控制系统一般指工业生产进程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。

在生产进程中，需要对液位的相关变量进行控制，使其维持为必然值或按必然规律转变，以保证生产的质量和安全。

液位的转变不但受到进程控制进程中内部干扰的影响，也受到外部的各类干扰的影响，而且影响液位转变的干扰一般不止一个，在进程控制中的作用也不同，这就增加了对变量进行控制的复杂性，因此形成了进程控制的下列特点[3]：

1）对象存在滞后

热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的贮存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在必然的阻力，而且往往具有自动转向平衡的趋势。

因此，当流入（流出）对象的质量或能量发生转变时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能当即产生响应，这种现象叫做滞后。

2）对象特性的非线性

对象特性大多是随负荷转变而转变，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。

大多数生产进程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。

3）控制系统较复杂

从生产安全方面考虑，生产设备的设计都力求使生产进程平稳，参数转变超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。

进程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生转变时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。

也有不能趋向平衡，被控量一直转变而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。

任何生产进程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统，而对水箱的液位的研究为以后进程控制方面的其他变量的研究打下了结实的基础。

液位控制系统的发展现状

目前在实际生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID控制算法为主。

PID控制是以对象的数学模型为基础的一种控制方式。

对于简单的线性、时不变系统，采用PID控制能够取得满意的控制效果。

但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以取得，通过简化、近似等手腕取得的数学模型不能正确地反映实际系统的特性。

对于此类问题，传统的PID控制方式显得无能为力。

液位控制由于其应用极为普遍，种类繁多，其中不乏一些大型的复杂系统。

但由于其时滞性很大、具有时变性和非线性等因素，严重影响PID控制的效果，目前，已经开发出来的控制策略很多，但其中许多算法仍然只是停留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业进程中的并有发展潜力的仍为数不多。

随着生产水平和科学技术的发展，现代控制系统的控制的规模日趋大型化，复杂化，对设备和被控系统的安全性、靠得住性、有效性的要求也愈来愈高，为了确保工业生产进程能够高效，安全的进行，同时提高产品的质量，对生产进程进行在线监测，及时准确地把握生产运行状况，已成为目前进程控制领域的一个研究热点。

近几十年来，液位控制系统已被普遍利用，在其研究和发展上也已趋于完备。

在轻工行业中，液位控制的应用超级普遍，从简单的浮球液位开关、非接触式的超声波液位检测到高精度的同位素液位检测系统，他们都无时无刻在为液位控制服务。

而控制的概念更是应用到周围的许多的事物上，而且液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的部份，如蓄水池，污水处置场等都需要液位控制系统的参与。

若是能通过必然的系统来自动维持液位的高度，那么操作人员即可轻易地在操作时获知这个设备的储水状况，这样不但降低了工作人员工作的危险性，同时更也提升了工作的效率。

液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分普遍，但国内生产的液位控制器同国外的日本、美国、德国等先进国家相较，仍然有差距。

目前，我国液位控制主要以常规的PID控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于实现对滞后、复杂、时变系统的控制。

而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并普遍应用的控制仪表较少。

由于工业进程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展和自动控制理论和设计方式发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得功效，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优良的液位控制器及仪器仪表，并在各行业普遍应用。

本文的主要工作

第一章绪论，主要介绍选题背景，液位控制的研究现状，液位控制的主要控制策略，国内外的发展形势，并总结了国内外在液位控制方面目前比较先进的技术与仪器和他们的原理，为接下来液位控制系统的设计打下良好的基础。

第二章按照设计要求咱们对控制参数和控制算法进行分析，并对所需硬件进行选型，使液位控制达到最佳的效果。

第三章针对单容水箱液位控制系统，对其在组态王中的开发进行介绍，开发了系统整体监控系统，设计开发了单容水箱的系统的总监控界面，概念了外部变量，用于和研华板卡PCI—1710模块的输入输出部份对应，来实时显示液位值的大小，成立的动画连接，编写了自动控制程序，实现了单容水箱控制系统的自动控制，而且实现了液位值实时曲线历史曲线和历史数据的实时报警历时报警的显示。

第四章针对单容水箱液位控制系统，对其在变频器中的开发进行了介绍，监控界面可以用第二章已经设计好的，本设计应用的是日本三菱公司的D700系列的变频器，通过在变频器中设置PID参数和控制目标值等参数最终实现对单容水箱的液位实现稳定控制。

第五章主要针对双容水箱液位控制系统的特点，对各类经典控制进行比较。

在本文中，液位控制系统中的水箱为控制对象，液位为控制量。

为了使液位的控制达到必然的精度，而且具有较好的动态性能，采用了区别于传统控制方式的串级控制。

这样使控制系统能够达到更好的控制要求，提高了系统的控制性能。

第二章控制对象及算法简介

被控制变量的选择

被控变量的选择是控制系统的核心问题，被控变量选择的正确与否会直接关系到生产的稳定性、产品产量和质量的提高和生产安全与劳动条件的改善。

对于任何一个控制系统，若是被控变量选择不妥，即便配备再好的自动化仪表，利用再复杂、先进的控制规律也不能达到预期的控制效果。

对于水箱液位控制系统，可直接选择液位作为其被控变量。

执行器的选择

执行器在控制系统中起着控制动作执行的作用。

控制系统的控制效果与执行器的性能有着十分密切的关系。

执行器接收控制信号并通过改变本身阀门得开度最终实现对操纵变量的改变，从而使被控变量加倍接近设定值。

[2]

本设计采用的是北京市乐维机电设备有限公的ML7420A，其特点为：

安装方便快速、无需连杆、标准导管式接线连接、无需调整、阀门定位准确、低功耗、高的关断压力、终端推力限位开关、0～10Vdc或2～10Vdc信号输入、带位置反馈信号输出、正反作用可选、同步马达、防腐设计、免保护。

图电动调节阀

压力液位变送器的选择

传感器是一种以必然精度把被测量转换为与之有肯定关系、便于应用的某种物理量的测量装置，其一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成。

传感器的精度直接影响到系统的控制效果，所以应按照不同的系统选择最适合的传感器是必要的[9]。

本设计选用的是由北京昆仑海岸传感技术中心研制生产的JYB-K型号的压力液位变送器，其主要技术参数如下：

1）输出形式：

4～20mADC、0～5VDC

2）供电电源：

24VDC（±10%）、12VDC

3）准确度：

±％FS、±％FS

4）介质温度：

－20～70℃

5）环境温度：

－10～60℃

6）响应时间：

<=100mS

7）负载能力：

电流型<=600Ω（不带显示），<=300Ω（带显示）；电压型>=3KΩ

8）可重复性：

<=±％FS

9）长期稳定性：

<=±％FS/年

10）非线性：

<=％FS

11）热力零点温漂：

<=％FS/℃

12）过载压力：

2倍量程

13）电气连接：

电缆连接

14）测量介质：

油、水、气体及其他与316不锈钢兼容介质

实验室中采用端子型二线制电流输出接线方式，其具体方式如图所示：

图端子型二线制接法

研华板卡PCI-1710L简介

研华（中国）公司生产的PCI-1710L多功能数据收集卡是一款功能壮大的低本钱多功能PCI总线数据收集卡。

用PCI-1710L板卡组成的控制系统框图如图所示。

使历时用PCL-10168电缆将PCI-1710L板卡与ADAM-3968接线端子板连接，这样PCL-10168的68个针脚和ADAM-3968的68个接线端子一一对应。

[7]

图基于PCI-1710L板卡的控制系统框图

接线端子板各端子的位置及功能如图所示，信号描述如表2-1所示。

图ADAM-3968接线端子板信号端子位置及功能

表2-1板卡对应端口功能

信号名称

参考端

方向

描述

AI<0～15>

AIGND

Input

模拟量输入通道：

0～15

AIGND

-

-

模拟量输入地

AOGND

-

-

模拟量输出地

DI<0～15>

DGND

Input

数字量输入通道：

0～15

DO<0～15>

DGND

Output

数字量输出通道：

0～15

DGND

-

-

数字地（输入或输出）

+12V

DGND

Output

+12V直流电源输出

+5V

DGND

Output

+5V直流电源输出

2.4.1模拟量输入连接

PCI-1710L卡既支持16路单端模拟量输入，又支持8路差分模拟量输入。

输入通道的配置可通过软件进行选择，这种方式比通过卡上的跳线选择配置更为简便。

在过去，若是通过开关将一个通道设置为单端输入，则其它通道也需设置为单端。

可是PCI-1710L卡与之不同—即便通过软件将一个通道设置为单端输入，其它通道也可保留原有配置。

单端输入配置只为每一个通道提供1根信号线，且被测量的电压以公共地为参考。

没有接地端的信号源称为“浮动信号源”。

将单端通道连接至浮动信号源尤其简单。

在这种模式下，PCI-1710L板卡为外部浮动信号源提供一个参考地。

如下图所示。

图单端输入通道连接

PID控制算法概述

2.5.1PID控制器的应用与发展

在过去的几十年里，控制器在工业控制中取得了普遍应用。

在控制理论和技术飞速发展的今天，工业进程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。

今天所熟知的控制器产生并发展于1915-1940年期间。

虽然自1940年以来，许多先进控制方式不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等长处，仍被普遍应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业进程控制中。

PID控制器作为最先实用化的控制器已有70连年历史，它的算法简单易懂、利用中参数容易整定，也正是由于这些长处，PID控制器此刻仍然是应用最普遍的工业控制器。

PID的发展进程，很大程度上是它的参数整定方式和参数自适应方式的研究进程。

最先的参数工程整定方式是在1942年由Ziegler和Niehols提出的简称为Z-N的整定公式，虽然时间已通过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普遍应用。

1953年Cohen和Coon继承和发展了Z-N公式，同时也提出了一种考虑被控进程时滞大小的Cohen-Coon整定公式。

自Ziegler和Nichols提出参数整定方式起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。

依照发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方式及智能PID参数整定方式：

依照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方式及多变量PID参数整定方式，前者包括现有大多数整定方式，后者是最近研究的热点及难点：

按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方式及非线性PID参数整定方式，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。

液面高度是工业控制进程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方式对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。

液位控制是工业生产中典型的进程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设备优质、高产、低耗和安全生产的重要指标。

由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、进程时间常数一般比较小、价钱低廉等特点，所以被普遍应用于工业测量。

在工业进程控制系统中，目前采用最多的控制方式仍然是PID控制。

即便在美国、日本等工业发达国家，PID控制的利用率仍达90%，可见PID控制在工业进程控制中占有异样重要的地位。

PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善与成熟。

尤其近十连年来，随着微处置技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业进程控制的重要组成部份。

由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有必然的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的进程缓慢，呈非线性。

因此液位控制装置的靠得住性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。

本课题针对液位控制设计了一个由压力传感器、PLC、电动调节阀等组成的系统，并采用了增量式PID算法对其控制。

随着科学技术的发展，在液位控制方面有很多不同的方式，而计算机控制技术在进程控制中占有十分重要的地位。

2.5.2PID算法类型[1]

PID（ProportionalIntegralDerivative）调节是持续控制系统中应用最多的一种控制调节规律。

其本身按照控制对象的动态特性，按需要可以分解成P、PI、PD调节模块，而且多数复杂控制（如串级调节，比值控制）中均采用了PID控制规律。

生产实际证明，PID控制能知足绝大多数工业进程被控对象的控制要求，至今仍然是一种最大体的控制方式。

比例控制：

就是对误差进行控制，误差一旦产生，控制器当即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小误差的方向转变，误差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大误差减小的越快，可是很容易引发振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下；Kp减小，发生振荡的可能性减小可是调节速度变慢。

比例调节的长处是调节及时，反映灵敏，当误差一旦出现，就可以及时产生与之成比例的调节作用，误差越大，调节作用越强，但单纯的比例控制存在静差不能被消除的缺点，因此就需要积分控制。

积分控制：

实质上就是对误差积累进行控制，直至误差为零。

积分控制作用始终施加指向给定值的作使劲，有利于消除静差，其效果不仅与误差大小有关，而且还与误差持续的时间有关。

简单来讲就是把误差积累起来，一路算总帐。

微分控制：

它能敏感出误差的转变趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调，增加系统的稳定性。

但微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。

因此，在实际应用中，应慎用微分控制。

2.5.3PID两种控制方式

1）位置型控制

（）

2）增量型控制

（）

为了方便编程进一步整理可得：

（）

其中：

；

；

；

图位置型PID算法流程图

图增量型PID算法流程图

图PID程序流程图

第三章基于组态王的单容水箱液位控制系统

组态王简介[8]

组态王软件由于其界面友好，利用简单等优势，最近几年来成为很受欢迎的上层组态软件。

组态王软件是在PC机上成立工业控制对象与人机接口的智能软件包，他以windows中文操作系统作为操作平台，充分利用了windows操作系统的图形完备，易学易用的特点。

由于其采用了PC机开发系统工程，因此，比利用工控机控制系统更具有通用性，减少了在重复性方面的工作量，可以方便进行二次开发。

具体来讲，组态王的主要特点有以下几方面：

1）主画面显示功能。

2）良好的开放性。

3）丰硕的功能模块。

4）壮大的数据库。

5）壮大地ODBC功能。

6）可编程的命令语言。

7）系统安全性。

3.1.1组态王软件的组成

组态王软件包由工程管理器、工程阅读器、画面运行系统、三大部份组成。

其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。

工程阅读器内嵌换面开发系统，及组态王开发系统。

工程阅读器和画面运行系统是各自独立的windows应用程序，都可单独利用；二者又彼此依存，在工程阅读器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必需在画面运行环境中才能运行。

在工程阅读器中可以查看工程的各个组成部份，也可以完成数据库的构建、概念外部设备的等工作；工程阅读器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理；画面的开发和运行由工程阅读器挪用画面制作系统和画面运行系统来完成。

画面制作系统是应用工程的开发环境，可以在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。

画面制作系统具有先进完善的图形生成功能；数据库提供多种数据的类型，能合理地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、进程记录、安全防范等重要功能都有间接的操作。

工程管理器是应用程序的管理系统。

它具有很壮大的管理功能，可用于新工程的创建和删除，并能对已有工程进行搜索备份及有效恢复，实现数据词典的导入导出。

画面运行系统是组态王软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中成立的图形画面只有在画面运行环境中才能运行。

画面运行系统从控制设备中收集数据，并保留在实时数据库中。

它还负责把数据的转变以动画的方式形象的表示出来，同时可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视工程，并按实际需求记录在数据库中。

3.1.2制作