基于组态的液位串级控制系统设计.docx

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基于组态的液位串级控制系统设计

毕业设计说明书

基于组态的智能仪表串级控制系统设计

专业

自动化

学生姓名

班级

学号

指导教师

完成日期

2011年6月5日

基于组态的智能仪表串级控制系统设计

摘要：

过程控制系统通常是指工业生产中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度等这样一些过程变量的系统，具有连续生产过程自动控制、由过程检测和控制仪表组成、被控过程多样，控制方案丰富的特点。

而串级控制系统是改善控制过程品质极为有效的方法，因而得到了较为广泛应用。

与简单控制系统相比，串级控制系统只是在结构上增加了一个内回路，却能收到显的控制效果。

这是因为在串级控制系统中，由于副回路具有快速作用，因此串级控制系统对进入内回路的扰动有很强的克服能力；同时由于有副回路的存在，改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率，且使系统具有一定的自适应能力。

水箱是一种时变性、大时滞的被控对象，所以用来作为串级控制系统来控制该对象较为合适。

根据水箱液位流量控制的原理，考虑各方面因素，对水箱控制进行系统构建。

本课题利用智能仪表做控制器，结合组态监控软件设计人机对话界面，实现水箱液位串级控制系统设计。

要求通过对现场系统数据的采集处理，在组态软件中实现动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线和报表输出等功能。

同时利用控制系统，在所设计的组态软件监控界面中，进行相关仪表调校和控制器参数整定。

最后向用户提供水箱液位串级控制系统的动态运行结果。

关键词：

液位串级控制；智能仪表；组态王

Basedonconfigurationofintelligentinstrumentcascadecontrolsystemdesign

Abstract:

Processcontrolsystemsusuallyreferstotheautomaticcontrolsystemofindustrialproductioninthechargedamountisthetemperature,pressure,flow,level,composition,viscosity,humidity,numberofprocessvariablessuchsystems,withcontinuousautomaticcontroloftheproductionprocess,theprocessoftestingAndcontrolinstrumentscomposedofmultiplecontrolledprocess,thecontrolprogramofrichfeatures.Cascadecontrolsystemistoimprovethequalitycontrolprocessextremelyefficientmethod,whichhasbeenmorewidelyused.Withsimplecontrolsystems,cascadecontrolsystemonlyaddsastructurewithintheloop,butitcanreceiveasignificantcontroleffect.Thisisbecausethecascadecontrolsystem,duetotheroleofVice-loopfast,socascadecontrolsystemintotheinnerloopofthedisturbancehasastrongcapacitytoovercome;thesametimeduetothepresenceofVice-looptoimprovethedynamiccharacteristicsoftheobject,Improvethesystemfrequency,andthesystemhasacertaindegreeofadaptivecapacity.Watertankisatime-varying,largetimedelayofthecontrolledobject,itisusedasacascadecontrolsystemtocontroltheobjectisappropriate.Accordingtotheprincipleofflowcontroltanklevel,considerationofvariousfactors,controlofthesystemconstructionofwatertanks.

Useofsmartmeterstodothisprojectcontroller,configurationmonitoringsoftwarewithinteractiveinterface,toachievethewatertanklevelcascadecontrolsystemdesign.Requirementsthroughon-sitedataacquisitionandprocessingsystem,implementedintheconfigurationsoftwareanimation,alarmprocessing,processcontrol,real-timecurveandthereportoutputandotherfunctions.Whiletakingadvantageofthecontrolsystem,designedtomonitorinterfaceconfigurationsoftware,therelatedinstrumentcalibrationandcontrollerparametertuning.Finally,thewatertanktoprovidecascadecontrolsystemleveldynamicoperationresults.

KeyWords:

Levelcascadecontrol;intelligentinstrument;Kingview

基于组态的智能仪表串级控制系统设计

1.绪论

1.1.课题研究背景、意义和目的

液位作为工业生产过程中重要工艺参数之一，在各个领域都有广泛的应用，诸如液体贮槽、进料罐、成品罐、中间缓冲容器及水箱等设备。

在自动化控制的工业生产过程中，液位是一个很重要的控制参数。

一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。

液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。

它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。

在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。

而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。

组态王是一款国产组态软件，具有：

①丰富的图库及图库开发工具，通过形象简单的组态工作，即可构成所需功能的界面；②大量的设备驱动接口，支持国内主流的各种PLC、智能仪表、板卡和现场总线等工控产品；③一种类似C语言的编程环境，便于建立命令语言文本，处理一些简单的算法和操作；④内嵌许多控件函数、命令语言函数供用户调用，另外支持自定义函数。

智能式仪表是以微处理器为中央控制单元,能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能,并可与外界通讯的仪器仪表。

其可靠性高,稳定性好,长期工作维护量小。

可采用LCD显示,清晰直观,读数方便。

适用范围广,使用灵活:

可选择不同的测量值和输出值;可在线修改参数,流量小信号切除、失败模式电流输出等功能;具有内部计算、数据存储、自诊断、自校验等多种功能。

具有大量的非控制性信息（管理信息）,可供用户参考。

过程控制系统通常是指工业生产中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度等这样一些过程变量的系统，具有连续生产过程自动控制、由过程检测和控制仪表组成、被控过程多样，控制方案丰富的特点。

在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争力等方面起着越来越大的作用。

综上所述，液位控制在工业生产过程中非常重要。

本课题利用智能仪表控制系统，结合组态王监控软件设计人机对话界面，实现水箱液位串级控制系统设计，可以使液位控制在合适的范围内。

实现了系统的自动化，使操作员的劳动强度大大减小，提高了生产的效益和劳动成本。

1.2.过程控制的发展状况

进入90年代以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。

过程控制是自动化技术的重要组成部分。

在现代工业生产自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。

在本世纪40年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。

生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。

因此，当时的劳动效率是很低的。

40年代以后，生产自动化发展很快。

尤其是近年来，过程控制技术发展更为迅速。

纵观过程控制的发展历史，大致经历了下述几个阶段：

50年代前后，过程控制开始得到发展。

一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。

这是过程控制发展的第一阶段。

这阶段主要的特点：

检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分组合仪表；过程控制结构大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。

在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二阶段。

在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。

为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。

70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。

对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。

过程控制发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三阶段。

在新型的自动化技术工具方面，开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。

80年代以后，工业过程控制得到了一个飞跃的发展。

一方面现代控制理论从本质上解决了一般多变量系统的控制问题，包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分-差分系统等，从而大大促进了过程控制的发展。

另一方面，过程控制的结构已从包括许多手动控制的分散局部控制站改变为具有高度自动化的集中、远动控制中心。

使得过程控制的概念有了很大的发展，它不仅包括数据采集与管理、基本过程控制，而且包括先进的管理系统、调度和优化等。

柔性化、分散化和集成化的综合自动化系统，已被应用于实际工业过程。

专家系统、神经网络、模糊控制、过程监督和在线诊断等理论已经大大地促进了过程控制的发展。

目前，世界各工业发达国家，正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究。

所谓综合自动化，就是在自动化技术、信息技术、计算机控制和各种生产加工技术的基础上，从生产过程的全局出发，通过生产活动所需的各种信息的集成，把控制、优化、调度、管理、经营、决策融为一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求、多变性的、总体最优的高质量、高效益、高柔性的管理生产系统。

1.3.设计内容及要求

本课题利用智能仪表做控制器，结合组态监控软件设计人机对话界面，实现水箱液位串级控制系统设计。

要求通过对现场系统数据的采集处理，在组态软件中实现动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线和报表输出等功能。

同时利用控制系统，在所设计的组态软件监控界面中，进行相关仪表调校和控制器参数整定。

最后向用户提供水箱液位串级控制系统的动态运行结果。

2.控制方案设计

过程控制简介

过程控制系统通常是指工业生产中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度等这样一些过程变量的系统，具有连续生产过程自动控制、由过程检测和控制仪表组成、被控过程多样，控制方案丰富的特点。

在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争力等方面起着越老越大的作用。

自从进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要组成部分。

过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。

在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产效率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用。

过程控制的特点是与其它自动控制系统相比而言的，大致可归纳如下；

a.连续生产过程的自动控制

过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量地控制，而且应是连续可调的。

若控制动作时间上是离散的（如采样控制系统等），但是其被控量需要定量控制，也归入过程控制。

b.系统由过程检测、控制仪表组成

过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机（看作一台仪表）等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。

一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。

过程监测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器、调节阀等。

过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。

c.被控过程是多种多样的、非电量的

在现代工业生产过程中，工业过程很复杂。

由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品品种多样，因此过程控制中的被控过程是多种多样的。

诸如石油化工过程中的精馏塔、化学反应器、流体传输设备；热工过程中的锅炉、热交换器；冶金过程中的转炉、平炉；机械工业中的热处理炉等。

动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线性特性。

有些机理复杂（如发酵、化生过程等）的过程至今尚未背人们认识，所以很难用目前过程辨识方法建立其精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。

d.过程控制的过程多属慢过程，而且多半为参量控制

由于被控过程具有大惯性、大滞后等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。

另外，在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等工业生过程中，往往用一些物理量和化学量来表征其生产过程是否正常，因此要对上述过程参数进行自动检测和自动控制，故过程控制多半为参数控制。

e.过程控制方案十分丰富

随着现代工业生产的飞速法杖，工艺条件越来越复杂，对过程控制的要求越来越高。

过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。

由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。

为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方案是十分丰富的。

通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有仪表过程控制系统，也有计算机集散控制系统；有复杂控制系统，也有满足特定要求的控制系统。

f.定值控制是过程控制的一种常见形式

在石油、化工、电力、冶金、轻工、环保和原子能等现代工业生产过程中，过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低能耗的目的。

定值控制仍是目前过程控制的一种常见形式。

要分析、设计和应用好一个过程控制系统，首先应对被控过程做全面了解，对工艺过程、设备等深入的分析，然后应用自动控制原理与技术，拟定一个合适正确的控制方案，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降耗节能、保护环境和提高管理水品等目的。

过程控制系统可分为单回路控制系统、串级控制系统、前馈控制系统、大滞后补偿控制系统、比值控制系统、模糊控制系统等一些复杂控制系统。

由于本设计是要求对于水箱液位的串级控制，所以采用串级控制来控制此系统。

2.1.串级控制的系统结构

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

结构图如图2-8所示。

图2-1串级控制系统结构框图

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。

副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

一次扰动：

作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。

二次扰动：

作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

2.2.串级控制系统的特点

串级控制系统是改善控制过程品质极为有效的方法，因而得到了较为广泛应用。

与简单控制系统相比，串级控制系统只是在结构上增加了一个内回路，却能收到显的控制效果。

这是因为在串级控制系统中，由于副回路具有快速作用，因此串级控制系统对进入内回路的扰动有很强的克服能力；同时由于有副回路的存在，改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率，且使系统具有一定的自适应能力。

其特点有以下几点：

一、改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。

二、能迅速克服进入副回路的二次扰动。

三、提高了系统的工作频率。

四、对负荷变化的适应性较强。

2.3.串级控制系统的设计

A主回路的设计

串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。

这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。

主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。

B副回路的设计

由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。

归纳如下。

（1）在设计中要将主要扰动包括在副回路中。

（2）将更多的扰动包括在副回路中。

（3）副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。

（4）要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。

（5）在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。

在这里要注意

（2）和（3）存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾

（2）和（3）的综合。

C主、副回路的匹配

1）主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配

设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。

副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。

如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。

原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在3～10之间。

比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。

严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。

2）主、副调节器的控制规律的匹配、选择

在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。

主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。

系统对二个回路的要求有所不同。

主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或D控制。

如果引入I控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入D控制，因为副回路采用P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。

3）主、副调节器正反作用方式的确定

一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈，及其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。

串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。

确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。

各环节放大系数极性的正负是这样规定的：

对于调节器KC，当测量值增加，调节器的输出也增加，则KC为负值（即正作用调节器）；反之，KC为正（即反作用调节器）。

调节阀为气开。

则KV为正，气关KV为负。

过程放大系数极性是：

当过程的输入增大时，即调节阀开大，其输出也增大，则K0为正，反之，K0为负。

在图2-8的串级控制系统框图中可以看到，由于副回路可以简化成一个正作用方式环节，主对象作用方式为正，主测量变送环节为正。

根据单回路控制系统设计中介绍的闭合系统必须为负反馈控制系统设计原则，即闭环各环节比例度乘积必须为正，故主调节器均选用反作用调节器，副调节器均选用反作用调节器。

常见的双容液位串级控制系统，其主要控制目的是保证下水箱的液位高度不变，克服外界干扰对水箱液位的影响。

系统是以下水箱液位为主被控参数，主调节器采用PI或PID调节器，以中水箱的液位为副被控参数，副调节器采用比例调节器，构成串级控制系统，下水箱压力传感器检测到的液位信号与给定值进行比较后送入主调节器，其输出作为副调节器的给定值，与中水箱的压力传感器检测到的液位信号进行比较后送入副调节器，其输出控制电动调节阀的开度，从而调节中水箱的进水流量，实现水箱液位的控制。

电动调节阀用于调节上水箱的进水量的大小，液位变送器用于检测上水箱和下水箱的液位。

3.硬件选型

3.1智能仪表概述及选型

A.智能仪表介绍

智能式仪表是以微处理器为中央控制单元,能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能,并可与外界通讯的仪器仪表。

与其他常规仪表相比，有以下几个优点：

a.先进的微机技术,高性能的集成芯片,功能强大,性能优越；

b.可靠性高,稳定性好,长期工作维护量小；

c.可采用LCD显示,清晰直观,读数方便；

d.适用范围广,使用灵活:

可选择不同的测量值和输出值;可在线修改参数,流量小信号切除、失败模式电流输出等功能;具有内部计算、数据存储、自诊断、自校验等多种功能；

e.具有大量的非控制性信息管理信息,可供用户参考。

B.智能仪表的起源

为了实现模拟信号的远距离传送,并将多个现场变送器的模