双容水箱水位控制系统设计毕业论文（可编辑）

双容水箱水位控制系统设计毕业论文（可编辑） 摘 要 双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统它在饮料食品加工溶液过滤化工生产等多种行业的生产加工过程中均有广泛应用在本设计中充分利用自动化仪表技术计算机技术通讯技术和自动控制技术以实现对水箱液位的串级控制首先对被控对象的模型进行分析并采用实验建模法求取模型的传递函数其次根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析然后设计并组建仪表过程控制系统通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制最后借助数据采集模块、MCGS组态软件和数字控制器设计并组建远程计算机过程控制系统完成控制系统实验和结果分析 关键词 液位模型PID控制仪表过程控制系统计算机过程控制系统 Abstract Double tank water level control system is the use of advanced control algorithm of process liquid level control system it is in the beverage food processing filtering solution chemical production and other industries in the production process has been widely used In the design of the full use of automation technology computer technology communication technology and automatic control technology in order to achieve the water tank liquid level cascade control Firstly the object model is analyzed and the experimental modeling method for model transfer function Secondly according to the controlled object model and the controlled process characteristic design of cascade control system using dynamic simulation technology to the control system performance analysis Then design and construction process control instrumentation system through the intelligent controller for liquid level cascade PID control Finally with the help of a data acquisition module MCGS configuration software and digital controller design and establishment of a remote computer process control system complete control system experiment and result analysis Keywords liquid levelmodel PID controlindicator process control systemcomputer process control system 目 录 摘 要 ? Abstract ? 1 绪论 1 2 被控对象建模 2 21 水箱模型分析 2 22 阶跃响应曲线法建立模型 3 3 系统控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计与仿真 7 31 液位串级控制系统介绍 7 32 PID控制原理 7 33 系统控制方案设计 10 34 控制系统仿真 12 4 建立仪表过程控制系统 17 41 过程仪表介绍 17 42 仪表过程控制系统的组建 19 43 仪表过程控制系统PID参数整定 23 5 模拟计算机过程控制系统 25 51 计算机过程控制系统硬件设计 25 52 MCGS软件工程组态 28 53 组态软件调试 38 6 结论 40 参考文献 41 致谢 42 附录 43 1绪论 双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统 在实际生产中 双容水箱控制系统在石油化工、环保、水处理、冶金等行业尤为常见通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当 经过比较和筛选串级控制系统PID控制无论是从操作性经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性因此采用串级控制系统PID控制对双荣水箱液位控制系统实现控制 论文以THJ-2高级过程控制实验系统为基础的实验数据作为出发点利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱下水箱的输出响应曲线对曲线进行处理求出各水箱的参数用所求出的参数列写出水箱的传递函数采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的PID的数值从而满足控制系统对各项性能的要求对于控制器的选择从经济以及控制效果考虑采用智能仪表实现控制并应用组态软件对系统实施监控 为了能够使双容水箱系统能实现远程的检测和控制本文又进一步的设计出计算机过程控制系统利用ICP-7017数据采集模块实现模拟量输入通道的功能 利用ICP-7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能自带485通讯接口通过RS232485ICP-7000系列采集模块的作用是将传感器检测到的被控参数标准信号通过AD转换送入计算机计算机将控制运算发出的控制信号通过DA转换发给执行机构调节阀变频器整个控制系统的控制算法及监控功能都在中实现 2被控对象建模 在控制系统设计工作中需要针对被控过程中的合适对象建立 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型被控对象的数学模型是设计过程控制系统确定控制方案分析质量指标整定调节器参数等的重要依据被控对象的数学模型动态特性是指过程在各输入量包括控制量和扰动量作用下其相应输出量被控量变化函数关系的数学表达式在液位串级控制系统中我们所关心的是如何控制好水箱的液位上水箱和下水箱是系统的被控对象必须通过测定和计算他们模型来分析系统的稳态性能动态特性为其他的设计工作提供依据上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱另有不锈钢储水箱负责供水与储水上水箱尺寸为d 25cmh 240mm下水箱尺寸为d 35cmh 240mm每个水箱分为三个槽缓冲槽工作槽出水槽 21水箱模型分析 图21液位被控过程简明原理图 系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程如图水箱的流入量为Q1流出量为Q2通过改变阀1的开度改变Q1值改变阀2的开度可以改变Q2值液位h越高水箱内的静压力增大Q2也越大液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程若Q1作为被控过程的输入量h为其输出量则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式 根据动态物料平衡 Q1-Q2 A dhdt ?Q1-?Q2 A d?hdt 在静态时Q1 Q2dhdt 0当Q1发生变化后液位h随之变化水箱出口处的静压也随之变化Q2也发生变化由流体力学可知液位h与流量之间为非线性关系但为了简便起见做线性化处理得 Q2 ?hR2经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W0 s H s Q1 s R2 R2Cs1 K Ts1 注?Q1 、?Q2、?h分别为偏离某一个平衡状态Q10、Q20、h0的增量R2阀2的阻力 A水箱截面积 T液位过程的时间常数 T R2C K液位过程的放大系数 K R2 C液位过程容量系数 22阶跃响应曲线法建立模型 在本设计中将通过实验建模的方法分别测定被控对象上水箱和下水箱在输 入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数通过磁力驱动泵供水手动控制电动调 节阀的开度大小改变上水箱下水箱液位的给定量从而对被控对象施加阶跃输入 信号记录阶跃响应曲线在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀对 被控对象施加阶跃信号 1 通过智能调节仪表改变调节阀开度增减水箱的流入水量大小从而改变 水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入 2 改变调节阀开度控制水箱进水量的大小从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入 图21 水箱模型测定原理图 221上水箱阶跃响应参数 记录阶跃响应参数 间隔30s采集数据 表21上水箱阶跃响应数据 1 2362 7 4477 13 4776 19 4764 2 3050 8 4556 14 4787 20 4709 3 3525 9 4617 15 4789 21 4652 4 3869 10 4706 16 4728 22 4641 5 4132 11 4725 17 4701 23 4628 6 4331 12 4746 18 4715 24 4590 222下水箱阶跃响应参数 记录阶跃响应参数 间隔30s采集数据 表22下水箱阶跃响应数据 1 5402 13 8461 25 9845 37 10393 49 10720 2 5719 14 8634 26 9919 38 10439 50 10728 3 6028 15 8771 27 9983 39 10484 51 10732 4 6353 16 8918 28 10043 40 10506 52 10738 5 6656 17 9044 29 10101 41 10553 53 10756 6 6952 18 9176 30 10142 42 10580 54 10766 7 7226 19 9304 31 10181 43 10608 55 10782 8 7479 20 9411 32 10226 44 10633 56 10767 9 7700 21 9518 33 10279 45 10641 57 10755 10 7907 22 9604 34 10319 46 10661 58 10739 11 8087 23 9696 35 10336 47 10665 59 10725 12 8288 24 9749 36 10365 48 10694 60 10710 由于实验测定数据存在误差直接使用计算法求解水箱模型会使 误差增大所以使用MATLAB软件对实验数据进行处理根据最小二乘法对响应曲线 进行最佳拟合后再计算水箱模型两组实验数据中将阶跃响应初始点的值作为Y 轴坐标零点后面的数据依次减去初始值处理作为Y轴上的各阶跃响应数据点 采样时间作为X轴[1] 223求取上水箱模型传递函数 在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令 x 030420 y [0 688 1163 1507 177 1969 2115 2194 2255 2344 2363 2384 2414 2425 2427 ] p polyfit xy4 xi 03420 yi polyval pxi plot xyboxiyir 图22上水箱拟合曲线 注图中曲线为拟合曲线圆点为原数据点数据点与曲线基本拟合 [1]上述测量数据来源姜秀英张翠宣过程控制系统实训 如图所示利用四阶多项式近似拟合上水箱响应曲线得到多项式的表达式 P t ?-18753e -009 t422734e -006 t3 -00010761t2024707t013991 式 21 根据曲线采用切线作图法计算上水箱特性参数当阶跃响应曲线在输入量x t 产生阶跃的瞬间即t 0时其曲线斜率为最大然后逐渐上升到稳态值该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述需确定K和T而斜率K为P t 在t 0的导数P 0 024707以此做切线交稳态值于A点映射在t轴上的B点的值为T 图23上水箱模型计算曲线 阶跃响应扰动值为10静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值与阶跃扰 动值之比所以上水箱传递函数为 式22 224下水箱模型建立 在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令 x 0 301650 y [0 317 626 951 1254 155 184 2077 2298 2505 2685 2886 3059 3232 3369 3516 3642 3774 3902 4009 4116 4202 4294 4347 4443 4517 4581 4641 4699 474 4779 4824 4877 4917 4934 4965 4991 5037 5082 5104 5151 5178 5206 5231 5239 5259 5263 5292 5318 5326 533 5336 5354 5364 538 538] p polyfit xy4 xi 031650 yi polyval pxi plot xyboxiyir 在MATLAB中绘出曲线如下 图24下水箱拟合曲线 注图中曲线为拟合曲线圆点为原数据点数据点与曲线基本拟合 如图所示利用四阶多项式近似拟合下水箱的响应曲线得到多项式的表达式 P t -11061e -011 t457384 e-008 t3 -000011849t2 012175t-031385 式23 根据曲线采用切线作图法计算下水箱特性参数当阶跃响应曲线在输入量x t 产生阶跃的瞬间即t 0时其曲线斜率为最大然后逐渐上升到稳态值该响应曲线可 用一阶惯性环节近似描述需确定K和T而斜率K为P t 在t 0的导数P 0 012175 以此做切线交稳态值于A点映射在t轴上的B点的值为T 图25下水箱模型计算 曲线 阶跃响应扰动值为10静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值与阶跃扰 动值之比 所以下水箱传递函数为 在实验建 模的过程中实验测取的被控对象为广义的被控对象其动态特性包括了调节阀和 测量变送器即广义被控对象的传递函数为为调节阀的传递函数Gm s 为测量变送 器的传递函数 3系统控制方案设计与仿真 控制方案设计是过程控制系统设计的核心需要以被控过程模型和系统性能要求为依据合理选择系统性能指标合理选择被控参数合理设计控制规律选择检测变送器和选择执行器选择正确的设计方案才能使先进的过程仪表和计算机系统在工业生产过程中发挥良好的作 31液位串级控制系统介绍 在工业实际生产中液位是过程控制系统的重要被控量在石油、化工、环保、水处理、冶金等行业尤为重要在工业生产过程自动化中常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制通过液位的检测与控制了解容器中的原料、半成品或成品的数量以便调节容器内的输入输出物料的平衡保证生产过程中各环节的物料搭配得当通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程即时地监视或控制容器液位保证产品的质量和数量如果控制系统设计欠妥会造成生产中对液位控制的不合理导致原料的浪费、产品的不合格甚至造成生产事故所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义 在液位串级控制系统的设计中采用THJ-2高级过程控制实验系统的实验数据作为基础展开设计控制系统及工程实现的工作串级控制系统从总体上看是定 值控制系统因此主被控变量在扰动作用下的过度过程和单回路定值控制系统的过度过程具有相同的品质指标和类似的形式但是串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路因此与单回路相比有以下几个优点 串级控制系统对进入副回路的扰动具有较强的克服能力 由于副回路的存在明显改善了对象的特性提高了系统的工作频率 串级控制系统具有一定的自适应能力 除上述优点外串级控制系统在有些场合应用效果显著它主要应用于以下4中场合 对象的容量滞后比较大 调节对象的纯滞后比较长 系统内存在激烈且幅值较大的干扰作用 调节对象具有较大的非线性特性而且负荷变化较大 而双容水箱均有上述缺点因此可以看出串级控制系统很适合应用于双容水箱液位控制系统的设计 32 PID控制原理 目前随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用PID控制技术日趋成熟先进的PID控制方案和智能PID控制器仪表已经很多并且在工程实际中得到了广泛的应用现在有利用PID控制实现的压力温度流量液位控制器能实现PID控制功能的可编程控制器 PLC 还有可实现PID控制的计算机系统等 在工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制简称PID控制又称PID调节PID控制器问世至今已有近70年历史它以其结构简单稳定性好工作可靠调整方便而成为工业控制的主要技术之一 图31 PID控制基本原理图 PID控制器是一种线性负反馈控制器根据给定值r t 与实际值y t 构成控制偏差 式31 控制规律为 式 32 或以传递函数形式表示 式33 KP比例系数 TI积分时间常数 TD微分时间常数 PID控制器各控制规律的作用如下 1比例控制P比例控制是一种最简单的控制方式其控制器的输出与输入误差信号成比例关系能较快克服扰动使系统稳定下来但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 2积分控制I在积分控制中控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系对一个自动控制系统如果在进入稳态后存在稳态误差则称此控制系统是有差系统为了消除稳态误差在控制器中必须引入积分项积分项对误差的累积取决于时间的积分随着时间的增加积分项会越大这样即便误差很小积分项也会随着时间的增加而加大它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小直到等于零但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度出现发散的振荡过程比例积分 PI 控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差 3微分控制D在微分控制中控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节具有抑制误差的作用其变化总是落后于误差的变化解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前即在误差接近零时抑制误差的作用就应该是零所以在控制器中仅引入比例项往往是不够的比例项的作用仅是放大误差的幅值而目前需要增加的是微分项它能预测误差变化的趋势这样具有比例微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零甚至为负值从而避免了被控量的严重超调特别对于有较大惯性或滞后环节的被 控对象比例积分控制能改善系统在调节过程中动态特性PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数积分时间和微分时间的大小 PID控制器参数整定的方法分为两大类 一是理论计算整定法它主要是依据系统的数学模型经过理论计算确定控制器参数由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特理论计算的参数整定值可靠性不高还必须通过工程实际进行调整和修改 二是工程整定方法它主要依赖工程经验直接在控制系统试验中进行控制器参数整定且方法简单易于掌握在工程实际中被广泛采用PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法反应曲线法和衰减曲线法三种方法都是通过试验然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数都需要在实际运行中进行最后调整与完善 1临界比例法 在闭合控制系统中把调节器的积分时间TI置于最大微分时间TD置零比例度δ置于较大数值把系统投入闭环运行将调节器的比例度δ由大到小逐渐减小得到临界振荡过程记录下此时的临界比例度δk和临界振荡周期Tk根据以下经验公式计算调节器参数 表31临界比例整定计算公式 调节器参数 控制规律 δ TI TD P 2δk PI 22δk TK12 PID 16δk 05Tk 025Tk 2阻尼振荡法 在闭合控制系统中把调节器的积分时间TI置于最大微分时间TD置零比例度 δ置于较大数值反复做给定值扰动实验并逐渐减少比例度直至记录曲线出现41的衰减为止记录下此时的41衰减比例度δ和衰减周期Tk根据以下经验公式计算调节器参数 表32阻尼振荡整定计算公式 调节器参数 控制规律 δ TI TD P δS PI 12δS 05TS PID 08δS 03TS 01TS 3反应曲线法 若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算在调节阀的输入端加一阶跃信号记录测量变送器的输出响应曲线并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数 33系统控制方案设计 331控制系统性能指标 1 静态偏差系统过渡过程终了时的给定值与被控参数稳态值之差 2 衰减率闭环控制系统被施加输入信号后输出响应中振荡过程的衰减指标即振荡经过一个周期以后波动幅度衰减的百分数为了保证系统足够的稳定程度一般衰减率在075-09 3 超调量输出响应中过渡过程开始后被控参数第一个波峰值与稳态值之差占稳态值的百分比用于衡量控制系统动态过程的准确性 4 调节时间从过渡过程开始到被控参数进入稳态值-55范围所需的时间 332方案设计 设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成每一个回路又有自己的调节器和控制对象主回路中的调节器称主调节器控制主对象副回路中的调节器 称副调节器控制副对象主调节器有自己独立的设定值R他的输出m1作为副调节器的给定值副调节器的输出m2控制执行器以改变主参数c2通过针对双容水箱液位被控过程设计串级控制系统将努力使系统的输出响应在稳态时系统的被控制量等于给定值实现无差调节并且使系统具有良好的动态性能较块的响应速度当有扰动f1 t 作用于副对象时副调节器能在扰动影响主控参数之前动作及时克服进入副回路的各种二次扰动当扰动f2 t 作用于主对象时由于副回路的存在也应使系统的响应加快使主回路控制作用加强 图32串级控制系统框图 1 被控参数的选择 应选择被控过程中能直接反映生产过程能够中的产品产量和质量又易于测量的参数在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数因为下水箱的液位是整个控制作用的关键要求液位维持在某给定值上下如果其调节欠妥当会造成整个系统控制设计的失败且现在对于液位的测量有成熟的技术和设备包括直读式液位计 图33 SIMULINK仿真框图 在时间为0时对系统加入大小为30的阶跃信号设置主控制器PID参数KP 60 TI 50 TD 3 副控制器P参数为KP 50观察阶跃响应曲线如下 图34 双闭环阶跃响应仿真曲线 通过手动切换开关将副回路切除成单闭环可得其仿真图像 图35单闭环阶跃响应仿真曲线 由图34和图35相比较可以看出引入副回路的双闭环串级系统能够更好的提高系统的响应速度使系统更加的稳定稳态误差更小 343抗扰动能力 维持初始阶跃信号不变并在副回路中加入扰动信号观察响应曲线 在100s 经过惯性环节向副回路加入阶跃值为70的扰动信号控制器参数不变 图36 加入扰动后的SIMULINK仿真框图 图37 加入扰动后的双闭环阶跃响应仿真曲线 图38 加入扰动后的单闭环阶跃响应仿真曲线 由图37和图38可以看出串级控制通过副回路能够很有效的把干扰抑制到最小能够满足系统各项参数的需要同时也解决了双容水箱大滞后的缺点使系统稳定快速的运行同时也进一步验证了选择串级PID来控制双容水箱能够达到比较理想 4 建立仪表过程控制系统 41过程仪表介绍 411检测、变送装置 采用工业用的BP800型扩散硅压力变送器对水箱液位变化进行测量含不锈钢隔离模片同时采用信号隔离技术对传感器温度漂移跟随补偿当水箱中注水导致液位变化时BP800压力变送器对被控过程中的流体压力进行测量过程压力通过压力传感器将压力信号转换成电信号经差分放大器输出放大器放大后再经过VA转换器转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号BP800型压力变送器技术指标如下 表41压力变送器技术指标 被测介质 液体 机械保护 IP65 测量范围 -100KPa,100MPa 防爆等级 Ia?CT5 输出 4,20mA DC二线制 关联设备 EXZ231B安全栅 准确度 05级 温度极限 -10,80C 40,120C 零点温度系数 小于002C 过载极限 额定量程的15,3倍 满程温度系数 小于002C 相对湿度 小于95 电源电压 24DC二线制 负载电阻 ?750欧姆 412执行机构 1水泵 采用16CQ,8P型磁力驱动泵流量为32升分扬程为8米功率为180W为三相380恒压供水输入 2调节阀 采用QSVP,16K型电动调节阀实现对双容水箱液位系统进水量的控制其由QSL智能型电动执行机构与阀门组合构成通过将压力变送器检测到的电压电流 信号输入到QSL电动执行机构的智能放大器和来自位置信号发生器产生的开度 信号相比较并放大后向消除其偏差的方向驱动并控制电机转动以改变调节阀的 开度同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统当其偏差值达到零时电机停 表42电动调节阀技术指标 阀开关形式 电开式 动作速度 025mms 输入控制信号 4,20mA DC1,5V DC 流量特性 直线 输出信号 4,20mA DC 额定流量系数Kv 12 输入阻抗 250Ω500Ω 介质温度 -4,200C 输出最大负载 500Ω 死区 ??10 电源 220V50Hz 回差 ??10 公称直径 20mm 可调范围 501 公称压力 16MPa 防护等级 IP65 行程 10mm 功耗 5VA 413(控制器 在仪表过程控制系统中使用智能调节仪表作为控制器采用上海万讯仪表有限公司的AI-808型仪表采用AI人工智能调节方式内含PID调节算法其可以在误差较大时运用模糊算法进行调节以消除PID积分饱和现象当误差趋小时采用改进后的PID算法调节调节优化效果选用的AI-808P型仪表技术指标如下 表43 智能仪表技术指标 热电偶输入 K、S、R、E、J等 响应时间 ?05s 热电阻输入 Cu50、Pt100 调节方式 位式调节方式AI人工智能调节 线性电压输入 0,5V 输出规格 4,20mA 线性电流输入 420mA 报警功能 上限、下限、正负偏差 测量范围 -1999,9999 电源 100,240VAC50Hz 测量精度 02级 环境温度 0,50C 表44 AI-808P引脚说明 引脚号 引脚名称 引脚定义 1 Vin 0-5V 1-5V输入 2 Iexec 作为Vin的地 3 Sense 0-5V 1-5V输入 4 Sense- 作为Sense的地 5 Iout- 4-20mA输出负端 7 Iout 4-20mA输出正端 9 ACL 电源火线 10 ACN 电源地线 11 13 AL1 AL1- 与 AL1- AL2- 构成报警 14 16 AL2 AL2- 与AL1 AL2 构成报警 18 17 Data Data- RS-485接口数据线 19 20 IV变换 内接电阻将电流变为电压 6 12 15 无 分别与5 13 16 形成常闭触点 42仪表过程控制系统的组建 421仪表控制系统电路设计 根据电路原理图可以连接出实际的仪表串级PID负反馈控制通过三相380V10A交流电源向三相磁力泵和2205A交流电源向调节仪表供电压力变送器测定的下水箱液位值电压反馈信号送到主调节器 智能调节仪1 输入端调节器的给定值可由仪表控制面板或MCGS监控界面设定与反馈信号相比较后输出调节信号由于其输出的信号为4,20mA的电流信号需要经IV转换电路转化为1,5V电压信号送到副调节仪的输入端与压力变送器测定的上水箱液位值电压反馈信号相比较后输出4,20mA的电流信号到电动调节阀控制信号输入端控制电动调节阀的开度消除下水箱液位的测量值与给定值的偏差 图41 仪表系统电路原理图 422仪表参数设定 1 Sn 输入规格 调节仪1中Sn 33 表示15V电压输入调节仪2中Sn 32 表示021V电压输入 2 ADDR通讯地址 用于定义仪表地址有效范围是0100调节仪1中ADDR 1调节仪2中ADDR 2 3 diH输入上限显示值用于定义线性输入信号上限刻度值调节仪1中diH 50 调节仪2中diL 0 4 diL输入下限显示值 用于定义线性输入信号下限刻度值调节仪1中diH 50 调节仪2中diL 0 5 CF系统功能选择CF A1B2C4D8E16F32G64 调节仪1中CF 0表示A 0调节仪1为反作用调节方式输入增大时输出趋向减小B 0仪表报警无上电D 0不允许外部给定程序时间以分为单位E 0无分段频率限制功能F 0仪表光柱指示输出值G 0仪表为AI-808P工作模式调节仪2中CF 8表示A 0调节仪1为反作用调节方式输入增大时输出趋向减小B 0仪表报警无上电D 1允许外部给定程序时间以秒为单位E 0无分段功率限制功能F 0仪表光柱指示输出值G 0仪表为AI-808P工作模式 6 SV下水箱液位给定值根据需要设置 7 P调节器比例系数根据需要设置 8 I调节器积分时间根据需要设置 9 D调节器微分时间根据需要设置 423计算机与仪表通讯设置 通过在AI808型仪表的内部安装RS485通讯接口模块可利用计算机实现对仪表的监控和操作采用AIBUS通讯 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 8个数据位12个停止位无校验位需要在计算机的MCGS软件的用户窗口添加脚本程序以实现计算机对仪表系统的监控时在设备窗口中完成设备通道连接设置 1 启动脚本程序 setdevice 调节仪11" " setdevice 调节仪16"write 00 " setdevice 调节仪16"write 240 " setdevice 调节仪21" " setdevice 调节仪26"write 00 " setdevice 调节仪26"write 240 " 2 循环脚本程序 下水箱液位SV1 SV1 下水箱液位PV1 PV1 上水箱液位SV1 20OP1100 上水箱液位PV1 PV2 if 下水箱液位PV1 20 then 下水箱液位PV1 20 endif if 上水箱液位PV1 20 then 上水箱液位PV1 20 3 退出脚本程序 SetDevice 调节仪12" " SetDevice 调节仪22" " endif 程序注释 SetDevice DevNameDevOpCmdStr 函数意义按照设备名字对设备进行操作 返 回 值数值型返回值 0调用正常 0调用不正常 参 数DevName设备名字符型 DevOp设备操作码数值型 CmdStr设备命令字符串只有当DevOp 6时CmdStr才有意义 DevOp取值范围及相应含义 1启动设备开始工作 2停止设备的工作使其处于停止状态 3测试设备的工作状态 4启动设备工作一次 5改变设备的工作周期CmdStr中包含新的工作周期单位为ms 6执行指定的设备命令CmdStr中包含指定命令的格式 424计算机设备窗口设置 表45 AI-808P智能仪表设置 设备名称 调节仪1 调节仪2 设备注释 宇光-AI808P仪表 宇光-AI808P仪表 初始工作状态 1-启动 1-启动 最小采集周期ms 500 500 模块地址 1 2 设置小数点位数 1-1位小数 1-1位小数 输入范围 10-1,5V 10-1,5V 连接通道 通道类型 数据对象1 数据对象2 0 通讯状态 mm1 mm2 1 PV值液位测量值 pv1 pv2 2 SV值液位给定值 sv1 sv2 3 MV值调节器输出值 op1 op2 18 CTRL控制方式 ctrl1 ctrl2 23 Sn输入规格 sn1 sn2 25 dil下限显示 dil1 dil2 26 dih上限显示 dih1 dih2 32 CF系统功能 cf1 cf2 34 通讯地址 addr1 addr2 为了能够使计算机与智能仪表顺利通信智能仪表的采样周期必须与串行接口有相同的采样周期这里设定采样周期为500ms 43 仪表过程控制系统PID参数整定 在组建仪表系统设备构件实现计算机与仪表系统通讯后完成仪表液位控制 系统的调试运行完成PID参数的整定完成仪表控制系统的实验 根据液位串级控制系统的设计原则和被控过程模型主副被控过程的时间常数之比在451左右主副回路的工作频率和操作周期相差较大其动态联系很小可忽略不计所以副调节器按单回路系统方法整定后可以将副回路作为主回路的一个环节按单回路控制系统的整定方法整定主调节器的参数而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响而且在液位控制系统的设计中对于主参数下水箱液位的质量指标要求较高对副参数上水箱液位没有严格的要求设置副参数的目的是为了进一步提高主参数的控制质量只要通过主调节器参数整定保证主参数质量副参数的控制质量可以牺牲一些 采用两步整定法整定调节仪表PID参数 1在工况稳定、主回路闭合主副调节器都在纯比例作用的条件下主调节器的比例度置于100用单回路控制系统的阻尼振荡法整定求取副调节器比例度和操作周期 2将副调节器的比例度置于1中所求得的数值上把副回路作为主回路的一个环节用同样的方法整定主回路求取主回路的比例度和操作周期 3根据以上求得的数据按单回路系统阻尼振荡法整定公式计算主副调节器的比例度、积分时间和微分时间的数值 4按先副后主、先比例后积分、适当加入微分的整定程序设置主、副调节器的参数再观察过渡过程曲线必要时进行适当调整直到系统质量达到最佳为止 主副调节器参数整定结果如下主调节器比例系数P 20积分时间I 80微分时间D 10副调节器比例系数P 40 对仪表控制系统设置下水箱液位给定值为50mm待系统稳定后突加阶跃扰动 型号设定下水箱液位值为70mm得到下水箱液位输出响应曲线 图42 下水箱液 位阶跃响应曲线 5 模拟计算机过程控制系统 以下将设计组建远程数据采集过程控制系统实现对双容水箱液位系统的控制虽然仍然是基于THJ-2高级过程控制系统实验装置组建但是远程数据采集过程控制系统不同于以智能仪表带上位机监控为主的仪表过程控制系统 远程数据采集过程控制系统属于计算机DDC控制系统它是将模拟量输入AI模块和模拟量输出AO模块开关量输入输出DIDO模块置于计算机之外计算机通过RS232485通讯转换装置同ICP-7000系列模块自带485通讯接口通讯ICP-7000系列采集模块的作用是将传感器检测到的被控参数标准信号通过AD转换送入计算机计算机同时也将通过控制运算发出的控制信号通过DA转换发给执行机构调节阀变频器整个控制系统的控制算法及监控功能都在中实现–5V,5V -1,1V –500mV,500Mv -150mV,150mV -20mA,20mA 对应8000,7FFF电源输入10,30VDC 电源功耗13W 图51 7017内部示意图 图52 7024内部示意图 513模拟量输出通道 在计算机控制系统中模拟量输出通道一般包括接口电路、DA转换器、VI变换等模拟量输出通道的任务是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号以便驱动相应的执行机构电动调节阀 在远程数据采集过程控制系统将使用ICP-7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能7024DA 转换模块数据采集程序存储在EEPROM中计算机将数据通过RS-485接口送给7024DA 转换模块由内部控制器按控制程序将数据送入对应DAC通道转换为模拟电压电流输出 7024DA 转换模块技术指标 模拟量输出类型VmA 带宽157Hz 准确率?01 波特率9600bps零点漂移?30μV? ?20μA? 量程0,20mA 4mA,20mA 0V,10V -10V,10V 0V,5V -5V,5V 电源输入10,30VDC 电源功耗23W 514计算机控制系统硬件电路设计 图53采集模块电路原理图 52 MCGS软件工程组态 通过MCGS组态软件在控制计算机上构建一个人机交互界面经过RS232485转换器实现计算机与数据采集模块的通讯将检测变送装置的信号传送到控制计算机中从而在人机交互界面中可以对水箱液位对象进行监控、控制器设计改造、数据浏览和存储、记录实验曲线等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MCGS组态软件的工作方式MCGS与设备通讯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MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序将数据传送到工程中各个部分完成整个系统的通讯过程每个驱动程序独占一个线程达到互不干扰的目的 2 MCGS产生动画效果MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性每一种动画属性都会产生一定的动画效果所谓动画属性是反映图形大小颜色位置可见度闪烁性等状态的特征参数在图形的每一种动画属性中都有一个表达式设定栏其中设定一个与图形状态相联系的数据变量连接到实时数据库中以此建立相应的对应关系MCGS称之为动画连接 3 当工业现场中测控对象的状态如水箱液位高度等发生变化时通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中该变量是与动画属性相关的变 量数值的变化使图形的状态产生相应的变化如高低变化现场的数据是连续被采集进来的这样就会产生逼真的动画效果如水箱液面的升高和降低用户也可编写程序来控制动画界面以达到满意的效果 4 MCGS实施远程多机监控MCGS提供了一套完善的网络机制可通过TCPIP网Modem网和串口网将多台计算机连接在一起构成分布式网络测控系统实现网络间的实时数据同步历史数据同步和网络事件的快速传递同时可利用MCGS提供的网络功能在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件MCGS把各种网络形式以父设备构件和子设备构件的形式供用户调用并进行工作状态端口号工作站地址等属性参数的设置 5 MCGS控制工程运行 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 MCGS开辟了专用的运行策略窗口建立用户运行策略MCGS提供了丰富的功能构件供用户选用通过构件配置和属性设置两项组态操作生成各种功能模块使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库实现对动画窗口的任意切换控制系统的运行流程和设备的工作状态所有的操作均采用面向对象的直观方式避免了烦琐的编程工作 在MCGS组态环境下的工程组态流程如下 521主控窗口设计 主控窗口是工程的主窗口或主框架是所有设备窗口和用户窗口的父窗口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并调度用户策略的运行同时主控窗口又是组态工程结构的主框架可在主控窗口内建立菜单系统创建各种菜单命令展现工程的总体概貌和外观设置系统运行流程及特征参数方便用户的操作在MCGS单机版中一个应用系统只允许 有一个主控窗口主控窗口是作为一个独立的对象存在的其强大的功能和复杂的操作都被封装在对象的内部组态时只需对主控窗口的属性进行正确地设置即可 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 图54主控窗口组态结构图 522设备窗口设计 设备窗口是MCGS系统的重要组成部分在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态实现对工业过程的实时监控 在MCGS中实现设备驱动的基本方法是在设备窗口内配置不同类型的设备构件并根据外部设备的类型和特征设置相关的属性将设备的操作方法如硬件参数配置数据转换设备调试等都封装在构件之中以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接系统运行过程中设备构件由设备窗口统一调度管理通过通道连接向实时数据库提供从外部设备采集到的数据从实时数据库查询控制参数发送给系统其它部分进行控制运算和流程调度实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制 MCGS的这种结构形式使其成为一个与设备无关的系统对于不同的硬件设备只需定制相应的设备构件放置到设备窗口中并设置相关的属性系统就可对这一设备进行操作而不需要对整个系统结构作任何改动 MCGS设备中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道MCGS把这样的物理通道称为设备通道如模拟量输入装置的输入通道模拟量输出装置的输出通道开关量输入输出装置的输入输出通道等等这些都是设备通道设 备通道只是数据交换用的通路而数据输入到哪儿和从哪儿读取数据以供输出即进行数据交换的对象则必须由用户指定和配置 1通用串口父设备设置 通用串口父设备是提供串口通讯功能的父设备下面可以挂接所有通过串口连接的设备提供通过Modem进行远程采集或远程监听的功能并可以在运行时动态改变拨出的电话号码在基本属性页中设置了串口的基本属性包括端口号通讯波特率数据位位数停止位位数数据校验方式这些设置可以按照设备的要求来设置 数据采集方式规定了串口父设备下的子设备的采集方式使用同步采集时所有子设备都按照父设备的采集周期依次采集使用异步采集时每个子设备可以设置自己的采集时间在需要的时候采集甚至子设备可以把采集时间设置为0使得此子设备在一般情况下不采集只在使用设备命令采集一次的时候才采集数据 在MCGS中父设备的含义凡是使用计算机串口采集数据的设备如PLC仪表变频器智能模块等都必须挂在父设备下面统一由父设备来管理通信 表51 串口父设备参数设置 设备名称 通用串口父设备 初始工作状态 1-启动 最小采集周期 500ms 串口端口号 1-COM2 通讯波特率 6-6900 数据位位数 1-8位 停止位位数 0-1位 数据校验方式 0-无校验位 数据采集方式 1-异步采集 2 ICP-7017设备设置 表52 ICP-7017设备参数设置 设备名称 ICP-7017 通道 对应数据对象 通道类型 周期 初始工作状态 1-启动 0 mm1 通讯状态标志位 1 最小采集周期 500ms 1 PV1 AD0 1 设备地址 2 2 PV2 AD1 1 数据格式 0-工程单位 3 PV3 AD2 1 是否要求校验 0-无校验 滤波 3 ICP-7024设备设置 表53 ICP-7024设备参数设置 设备名称 ICP-7024 通道 对应数据对象 通道类型 周期 初始工作状态 1-启动 0 通讯状态 1 最小采集周期 500ms 1 OP2 DA0 1 设备地址 1 2 OP4 DA1 1 是否要求校验 0-无校验 523用户窗口设计 用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面 在用户窗口下通过MCGS组态的各种功能可以实现以下子窗口的设计 1双容水箱液位串级控制窗口 通过动画组态和属性设置完成人机对话主界面实现模拟工程界面、数据显示、参数设置、报警显示、通讯状态显示、工程曲线显示、控制按钮等功能 2历史数据浏览窗口 提供所需采样时刻对应的液位数据下水箱PV2下水箱PV1下水箱SV电动阀门OP可以实现实时数据浏览、数据存盘用于工程分析计算 3历史曲线浏览窗口 显示整个一段液位总体变化情况的曲线下水箱PV2下水箱SV上水箱PV1电动阀门OP对应的变化曲线可以显示和保存长时间的变化曲线 5报警记录 对液位的报警实施监控 图55用户窗口组态结构图 利用MCGS软件设计计算机控制界面如下 图56计算机控制界面组态结构图 524实时数据库设计 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实时数据库是MCGS的核心各部分之间的数据交换均须通过实时数据库所有的设备通道都必须与实时数据库连接 在MCGS中数据不同于传统意义的数据或变量以数据对象的形式来进行操作与处理数据对象它不仅包含了数据变量的数值特征还将与数据相关的其它属性如数据的状态报警限值等以及对数据的操作方法如存盘处理报警处理等封装在一起作为一个整体以对象的形式提供服务这种把数值属性和方法定义成一体的数据称为数据对象 在MCGS中用数据对象来描述系统中的实时数据用对象变量代替传统意义上的值变量把数据库技术管理的所有数据对象的集合为实时数据库 开关型数据对象记录开关信号0或非0与外部设备的数字量输入输出通道连接用来表示某一设备当前所处的状态 数值型数据对象存放数值及参与数值运算提供报警信息并能够与外部设备的模拟量输入输出通道相连接数值型数据对象的数值范围是负数是从 -3402823E38 到 -1401298E-45正数是从 1401298E-45 到 3402823E38 数据组对象是MCGS引入的一种特殊类型的数据对象类似于一般编程语言中的数组和结构体用于把相关的多个数据对象集合在一起作为一个整体来定义和处理 液位串级系统实时数据库 表54 实时数据库参数设置 inputETime 字符型 jf 数值型 inputSTime 字符型 lastwz 数值型 inputUser1 字符型 method 数值型 InputUser2 字符型 op 数值型 a 数值型 op 1 数值型 b 数值型 op 2 数值型 c 数值型 op 3 数值型 d 数值型 q00 数值型 e 数值型 p 数值型 e0 数值型 p1 数值型 e1 数值型 pf 数值型 e2 数值型 pv 开关型 Com1 数值型 pv1 数值型 alarm 开关型 pv2 数值型 alarm1 开关型 Pv3 数值型 alarmsv 数值型 Pv4 数值型 df 数值型 组 组对象 difference 数值型 sv 数值型 t1 数值型 sv1 数值型 td 数值型 sv2 数值型 thisop 数值型 sv3 数值型 ti 数值型 ti1 数值型 ts 数值型 wz 数值型 Zlpid 数值型 存盘数据 字符型 方式显示 字符型 通信 字符型 525数字PID控制器设计 在双容水箱液位控制系统中被控对象的液位变化是连续的在远程数据采集系统中计算机利用的是离散的信号所以要对模拟PID控制器进行离散化处理在模拟控制系统中PID控制规律的表达式为 式51 将积分与微分项分别改写为差分方程 式52 式53 T采样周期 k采样序号 e k-1 e k 第k-1和第k次采样所得偏差信号 得到数字PID控制器算式 式54 u k 第k时刻的控制输出则递推可的从而得出增量式PID 式55 将模拟PID控制器的结构图改造为数字PID结构图得 图57 数字PID控制结构图 由于双容水箱液位控制系统中执行机构采用电动式调节阀控制量对应阀门的开度表征了执行机构的位置在远程数据采集系统中采用上述形式的数字PID位置式控制算法 组态中脚本程序的流程图如下 手动控制仅以上水箱为例 图58 控制流程图 在MCGS组态环境的用户窗口中添加控制程序实现PID算法 1添加启动脚本程序 setdevice 7024 1" " 启动7024数据采集模块 setdevice 70171" " 启动7017数据采集模块 sv1 0 sv2 0 set 0初始运行状态 下水箱pv2 0 上水箱pv1 0 下水箱sv 0 OP 0 2添加退出脚本程序 setdevice 70242" " 关闭7024数据采集模块 setdevice 70172" " 关闭7017数据采集模块 sv1 0 sv2 0 set 0 下水箱pv2 0 上水箱pv1 0 下水箱sv 0 op 0 3(添加循环脚本程序 if method 0 then 方式显示 "手动方式" sv1 pv1 sv3 op24 pv pv1 a 9916 b 100 c 245 setstgy ZOP pv1 pv else 方式显示 "自动方式" sv3 sv pv pv2 setstgy 主PID sv1 thisop sv3 sv1 pv pv1 p p1 setstgy 副PID op thisop24 e op sv3 e a 9916 b 100 c 245 setstgy ZOP pv1 pv24 sv3 pv1 a 44763 b 1 c 545 setstgy ZOP pv2 pv24 endif if GetDevicestate 设备1 1 and com1 0 and GetDevicestate 设备2 1 then 通信 "设备工作正常" else 通信 "设备停止状态" endif difference abs pv2-sv if difference alarmsv then alarm1 1 else alarm1 0 endif setdevice 设备16"write 10采样周期 " setdevice 设备26"write 10采样周期 " op2 op sv2 sv pv3 pv2 op3 op1 pv4 pv1 53 组态软件调试 根据采集系统电路原理图完成硬件电路接线工作完成MCGS软件的调试运行工作通过三相380V10A交流电源向三相磁力泵和2205A交流电源向电动调节阀供电压力变送器输出的4,20mA标准电流信号上下水箱液位检测信号串联250Ω电阻转变为1,5V的标准电压信号分别送入智能采集模块ICP-7017的第一输入通道AI0和第二输入通道AI1经AD转化将液位参数送到计算机智能采集模块ICP-7024接受计算机离散控制信号经DA转换为模拟信号其第二输出通道的AO1 与24V开关电源电动调节阀信号输入端口相串联从而输出4,20mA标准电流信号上下水箱液位控制信号给电动调节阀控制其开度仍采用两步整定法整定调节仪表PID参数 1在工况稳定、主回路闭合主副调节器都在纯比例作用的条件下主调节器的比例度置于100用单回路控制系统的阻尼振荡法整定求取副调节器比例度和操作周期 2将副调节器的比例度置于1中所求得的数值上把副回路作为主回路的一个环节用同样的方法整定主回路求取主回路的比例度和操作周期 3根据以上求得的数据按单回路系统阻尼振荡法整定公式计算主副调节器的比例度、积分时间和微分时间的数值 4按先副后主、先比例后积分、适当加入微分的整定程序设置主、副调节器的参数再观察过渡过程曲线必要时进行适当调整直到系统质量达到最佳为止 主副调节器参数整定结果如下主调节器比例系数P 50积分时间I 40微分时间D 8副调节器比例系数P 38 在远程数据采集系统中设定下水箱液位设定值为50mm等待系统稳定后突加阶跃扰动将设定值增加60将给定值加到80mm得到下水箱液位输出响应曲线 图59水箱液位阶跃响应曲线 结果分析计算机系统中的控制器工作方式为正作用输入增大时输出趋向越大位置式PID算法通过测量位置信号的采样反馈与给定值相比较调节偏差根据PID控制的特性再调节参数使系统达到较满意的状态加阶跃信号后观察系统的动态性能由曲线和响应数据得延迟时间T