单容水箱液位控制报告.docx
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单容水箱液位控制报告
湖南工程学院
系统综合训练报告
课题名称液位控制系统
专业班级
姓名
学号
指导教师
一 概述………………………………………………………………1
二 硬件介绍说明……………………………………………………4
2.1 电动调节阀……………………………………………………4
2.2 扩散硅压力液位变送器……………………………………5
2.2 扩散硅压力液位变送器……………………………………5
2.4 远程数据采集模块 ICP-7017、ICP-7024 面板……………5
三.软件介绍说明…………………………………………………7
3.1工 艺 流 程 … … … … … … … … … … … … … … … … … …7
3.2 制作总体回路………………………………………………8
3.2 制作总体回路………………………………………………9
四.调试结果与调试说明………………………………………11
4.1调试说明:
………………………………………………11
4.2调试结果…………………………………………………12
五.实训心得………………………………………………………12
第 1 章系统总体方案
在工业生产过程中,液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲
器、水箱等设备应用十分普遍,为了保证生产正常进行,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。
例如,锅炉系统汽包的液位控制,自流水生产系统过
滤池、澄清池水位的控制等等。
根据课题要求,设计一个单容水
箱的液位过程控制系统,该系统能对一个单容水箱液位的进行恒
高度控制。
单容水箱是个比较简单的控制系统,因为在该设计中,
只要控制一个液位的高度,初步设计采用水泵恒定抽水,改变电
动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。
本设
计选用压力传感器对液位高度进行测量,将测量的值与系统的给
定值进行比较,来确定阀的开度。
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
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
给定扰动
控制器
电动调节阀
单容水箱
检测变送器
图 1 控制系统方框图
1.6 控制系统的简图
2
图 2 控制系统的简图
3
第 2 章系统各模块
根据设计要求本次设计系统要通过 MCGS 监控软件来控制
两个水箱的液位。
大致可以分成以下几个部分:
1)计算机系统
使用 MCGS 工程组态软件创建液位控制系统。
并利用计算
机对其进行液位控制以及数据和曲线的读取。
2)传感器检测单元
对水箱底部进行压力检测,通过通讯线将所测的模拟量输
送的实验台的压力变送器。
在调试中,该设计选择的是应变式压
力传感器。
3)ICP-7017 远程数据采集模拟量输入模块
将压力变送器的模拟信号进行模/数转换变成数字信号,然后
通过通讯线将数字信号传给计算机。
将压力变送器的模拟信号进行模/数转换变成数字信号,然后
通过通讯线将数字信号传给计算机。
ICP7017 模块是利用 RS485 和上位机进行通讯的 8 通道模拟
输入采集模块,如图 2.1 示
输入类型:
电压、电流;
输入范围:
150—150mv,-500—500mv,-1—1v,-5—5v,
-10—10v,-20—20mA
4
图 2.1 ICP7017 接口图
接线方式:
图 2.2
4)ICP-7024 远程数据采集模拟量输出模块
将计算机传送过来的数字信号转换成模拟信号,并控制水箱
液位控制系统的电动调节阀。
ICP70244 路电压型、电流型模拟输出。
电流输出范围:
0—20mA 或 4—20Ma
电压输出范围:
-10—10V,0—10V,-5—5V,0—5V
5
图 2.3 ICP7024 接口图
接线方式:
①、电压型输出接线方式:
图 2.4 7024 电压输出接线方式
②、电流型输出接线方式:
图 2.5 7024 电流输出接线方式
5)实验台系统
AE2000B2 型过程控制实验台,是根据我国工业自动化及相关
专业教学特点,吸取了国外同类实验装置的特点和长处,并与目
前大型工业装置的自动化现场紧密联系,采用了工业上广泛使用
并处于领先的 AI 智能仪表加组态软件控制系统、DCS(分布式集
散控制系统),经过精心设计、多次实验和反复论证后,推出的一
套基于本科生、研究生教学和学科基地建设的实验设备。
6
第 3 章实验系统图
7
第 4 章系统组态监控界面的设计
该设计要求采用 MCGS 组态软件设计出一个单容水箱的控制
界面并能在计算机上进行仿真及对实验台进行液位控制实验。
考
虑到要进行实验检测,所设计的界面中能显示水箱的设定值、测
量值、电动调节阀的开度、控制规律(PI 或 PID)中比例、积分、
微分系数的设置、实时曲线和历史曲线及实验数据等。
MCGS (Monitor and Control Generated System,通用监控系统)
是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够
在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行,通过对现场
数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出
等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在工业控制领
域有着广泛的应用。
MCGS 系统包括组态环境和运行环境两个部分。
组态结果数据库完成了 MCGS 系统从组态环境向运行环境的
过渡,它们之间的关系如图 4.1 所示。
组态环境:
组态生成
应用系统
组态结果:
数据库
运行环境:
解释执行
组态结果
图 4.1
由 MCGS 生成的用户应用系统,其结构由主控窗口、设备窗
口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。
具体步骤:
4.1 组态环境的进入
8
在 Windows 系统桌面上,鼠标双击 Windows 桌面上的“Mcgs
组态环境”图标进入 MCGS 组态环境。
4.2 组态工程的建立
进入 MCGS 组态环境后,单击工具条上的"新建"按钮,或
执行"文件"菜单中的"新建工程"命令,系统自动创建一个名为"单
容水箱液位控制系统.MCG"的新工程。
新工程是一个包含五个基
本组成部分的结构框架,接下来要逐步在框架中配置不同的功能
部件,构造完成特定任务的应用系统。
如图 4.2 所示,MCGS 用“工作台”窗口来管理构成用户
应用系统的五个部分,工作台上的五个标签:
主控窗口、设备窗
口、用户窗口、实时数据库和运行策略,对应于五个不同的窗口
页面,每一个页面负责管理用户应用系统的一个部分,用鼠标单
击不同的标签可选取不同窗口页面,对应用系统的相应部分进行
组态操作。
图 4.2
4.3 构造实时数据库
9
点击 MCGS “工作台”窗口的“实时数据库” 将代表工
程特征的所有物理量,作为系统参数加以定义,定义中不只包含
了数值类型,还包括参数的属性及其操作方法,这种把数值、属
性和方法定义成一体的数据就称为数据对象。
构造实时数据库的
过程,就是定义数据对象的过程。
在实际组态过程中,一般无法
一次全部定义所需的数据对象,而是根据情况需要逐步增加。
在实时数据库中新增数据“水箱 SV”“水箱 PV”等等。
选中
数据并点击有键,可以对数据进行属性设置。
对象的属性包括基
本属性、存盘属性和报警属性。
图 4.3
4.4 建立用户窗口
”
按“新建窗口”按钮,或执行菜单中的“插入”→“用户窗
口”命令,即可创建一个新的用户窗口,以图标形式显示。
选中
图标并单击右键,在对话框弹出后,可以分别对用户窗口的“基
本属性 、“扩充属性”、“启动脚本”、“循环脚本”和“退出脚本”
等属性进行设置。
10
根据设计方案,创建名为“单容水箱液位控制 2”“实时
曲线” 历史曲线”“存盘数据”“退出提示”等窗口。
如图 4.4
所示:
图 4.4
4.5 图形界面的生成
定义了用户窗口并完成属性设置后,就开始在用户窗口内使
用系统提供的绘图工具箱,创建图形对象,制作液位控制系统的
图形界面。
定义了用户窗口并完成属性设置后,就开始在用户窗
口内使用系统提供的绘图工具箱,创建图形对象,制作液位控制
系统的图形界面。
根据设计要求,在绘图工具栏中选择“插入元
件”的图标或点击编辑菜单中的查元件,在图形对象库中选择所
需的元件,如水箱、抽水泵、电动调节阀、管道、传感器等等。
并在绘图工具箱中选择“流动块”,根据系统水流的流向用绘图
工具箱中的“流动块”按键,画出系统的水流的流动。
编辑完控
制系统图形对象后,继续使用绘图工具栏增加液位显示的“矩形
图“和“实时”曲线及“自动和手动的切换按钮”等。
例外要添
加水箱设定值(SV)、测量值(PV)、 输出值(OP)、比例系
数(K)、积分系数(Ti)、微分系数(Td)的设置。
11
生成的液位控制系统界面如图 4.5 所示:
图 4.5
4.6 动画构件的连接
在组态时,只需要建立动画构件与实时数据库中数据对象的
对应关系,就能完成动画构件的连接,如对实时曲线构件,需要
指明该构件运行时记录水箱 SV 和水箱 PV 的变化曲线。
在该设计
中。
要求能观察实时曲线和历史曲线,因此应对实时曲线和历史
曲线进行动画连接。
连接步骤:
双击实时曲线表格,弹出如图 4.5 所示对话框:
12
图 4.6
在基本属性页中,Y 轴主划线设为:
5;其它不变。
在标注属性页中,时间单位设为:
秒钟;小数位数设为:
1;
最大值设为:
10;其它不变。
在画笔属性页中,将:
曲线 1 对应的表达式设为:
水箱 SV;颜色为:
红色;
曲线 2 对应的表达式设为:
水箱 PV;颜色为:
绿色。
点击“确认”即可。
即可类似的对历史曲线进行设置。
4.7 图形对象的动画连接
为了使系统在运行过程中,产生形象逼真的动画效果,应对
图形对象的状态属性设置。
对照图一所示,双击“进入自动运行
13
状态”即可跳出对话框如图 4.7 所示:
图 4.7
弹出的“标准按钮构件属性设置”对话框后,点击“操作属
性”,将“进入自动状态”按钮中的“数据对象值操作”设置为
1,点击?
在?
的下拉菜单中,选择实时数据库中的数据对象
“run”。
类似的将“进入手动状态”按钮设置为 0。
在图 4.5 中“SV”“PV”“OP”矩形是分别用来显示水箱
的设定值 SV、水箱的测量值 PV、电动调节阀的开度(OPA)。
分
别对他们进行属性设置,以“SV”为例:
双击 SV 的矩形,弹出
如下的对话框,点击对话框属性设置中的大小变化,将大小边变
化表达式一栏选择?
下拉菜单中的“水箱 SV”,然后单击“确定”
按钮,“SV”举矩形图的属性设置完毕。
采用相同的方法设置“PV”“OP”。
如图 4.8 所示:
14
图 4.8
选中图示输入输出连接中的显示输入,然后单击标题栏中
的“显示输出”,在显示输出出现的对话框中将“表达式”选择
为“水箱 SV”。
以此类推,输出值(OP)、比例系数(K)、积
分系数(Ti)、微分系数(Td)设置好。
4.8 其他按键的设置
如图 4.5 中,右下方的“实时曲线”、“历史曲线”等按键
的设置步骤为:
双击所要设置的按键,弹出如图 4.9 所示对话框:
单击动话对话框中的标准按钮,将出现 >按键,点击该按键,弹出
个“标准按钮构件属性设置”对框,在该对话框中选择所需的动
作。
15
图 4.9
4.9 组态设备窗口的设置
为了实现 MCGS 系统与外部设备建立联系驱动外部设备,控
制外部设备的工作状态。
系统通过设备与数据之间的通道,把外
部设备的运行数据采集进来,送入实时数据库,供系统其它部分
调用,并且把实时数据库中的数据输出到外部设备,实现对外部
设备的操作与控制。
选择设备构件
设置构件属性
连接设备通道
在连接设备通道时,i7017 远程数据采集模拟量输入模块和 i7024
远程数据采集模拟量输出模块的通道连接,见附录()
16
第 5 章系统脚本程序编写
脚本程序可以应用在运行策略中,把整个脚本程序作为一个
策略功能块执行,也可以在菜单组态中作为菜单的一个辅助功能
运行。
本系统设计为了能实现对水箱液位的控制,须对“单容水
箱液位控制”属性设置中的“启动脚本”、“循环脚本”、“退
出脚本”进行脚本程序的编辑。
根据设计中采用的 PI 或 PID 控制,
在循环脚本中编写 PID 控制脚本程序。
具体的脚本程序如下所示:
启动脚本:
见附录(3)
循环脚本:
见附录(3)
退出脚本:
见附录(3)
17
第 6 章系统控制运行调试
编辑完脚本程序,对总个系统组态界面的各图形对象及其连
接进行检查、存盘。
若检查和存盘无误时,按键盘的 F5 进入 MCGS
组态软件的运行环境。
在运行环境中检查,各图形对象的动作是
否正确,若不正确,则退出运行环境,继续检查。
若正确,则开
始实验台操作。
6.1 根据设备窗口中的设备通道的连接情况,实验台连
线如图 6.1 所示:
图 6.1
6.2 启动实验装置
18
将实验装置电源插头接到 220V 的单相交流电源→打开电源带
漏电保护空气开关→打开电源总开关,电源指示灯点亮,即可开
启电源→开启 24VDC 电源开关。
打开 7017、7024 的电源开关。
6.3 系统调节控制
启动计算机 MCGS 组态软件,进入实验系统选择“单容水箱
液位控制”实验→打开电动调节阀和单相电源泵开关,开始实验→
设定给定值,调整比例系数(K)→进入自动运行状态→观察稳定
时水箱测量值曲线(水箱 PV)是否与设定值曲线(水箱 SV)是
否重叠。
若不重叠,则继续加入积分作用。
如果才,存在滞后则
加入微分作用。
测量值曲线与设定值曲线基本重合且曲线比较平
稳,则调试成功;否则重新调试。
6.4 系统控制运行调试结果
经过多次调试,所得的最佳比例系数和曲线如图示(见附录
(2))
19
第 7 章总结与体会
在过程控制系统设计开始时,尤其是 MCGS 组态软件的使用
我觉得这是一个比较难完成的任务,为了能完成这次设计,我在
图书馆查阅了相关的资料,初步的了解了设计的步骤。
在随后我
根据设计的要求在老师的指导下,确立了系统的设计方案。
20
附录 1
系统组态监控界面
附录 2
实验调试界面
实时曲线
附录 3
启动脚本程序:
!
setdevice(7024,1," ")
!
setdevice(7017,1," ")
Qp=0
Qi=0
Qd=0
OPA=0
sv=0
21
pvx=0
run=0
!
SetWindow(实时曲线,2)
退出脚本程序:
!
setdevice(7024,2," ")
!
setdevice(7017,2," ")
Qp=0
Qi=0
Qd=0
OPA=0
sv=0
pvx=0
run=0
!
SetWindow(实时曲线,3)
循环脚本程序:
水箱 PV=(pv1-1000)*0.02
if水箱 PV>38 then
水箱 PV=38
endif
水箱 SV=sv
AOch0=(OPA+25)/6.25
if run=0 then
Qp=0
Qi=0
Qd=0
22
pvx=0
endif
if run=1 then
ei=sv-(pv1-1000)*0.02
if k=0 and Ti=0 and Td=0 then
Qp=0
Qi=0
Qd=0
endif
if k<>0 and Ti<>0 then
Qp=k*ei
mx=k*0.2*ei/Ti
Qd=k*Td*((pvx-pv1)*0.02)/0.2
endif
if k=0 then
Qp=0
mx=0.2*ei/Ti
Qd=Td*((pvx-pv1)*0.02)/0.2
endif
if Ti=0 then
Qp=k*ei
Qi=0
mx=0
Qd=k*Td*((pvx-pv1)*0.02)/0.2
endif
if mx>5 then
23
mx=5
endif
if mx<-5 then
mx=-5
endif
if ei>0 and OPA>=100 then
Qi=Qi
else
Qi=Qi+mx
endif
if ei<0 and OPA<=0 then
Qi=Qi
else
Qi=Qi+mx
endif
pvx=pv1
OPA=Qp+Qi+Qd
if OPA<0 then
OPA=0
endif
if OPA>100 then
OPA=100
endif
endif
24
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