水箱液位控制系统设计-毕业论文.pdf
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1、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 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)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,在各种过程控制中的应用越来越广泛。例如 在食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中,通常需要使用 蓄液池,而蓄液池中的液位需要维持一定的高度,既不能太满溢出造成危险,也 不能过少而无法满足生产需求。因此液位高度是工业控制过程中一个重要的参 数,特别是在动态的状态下,采用合适的方法对液位进行检测、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
2、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分别实现了单容水箱的远程控制和就地控制,并在文章最后理论性的阐述了双容水箱的控制方法。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,并 且自己编程实现PID控制程序,使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、历史数据的归档功能、异常信号的报警功能以及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;内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)The design of the tank level control systemAbstractThe liquid level is o
3、ne of the common variables in Industrial Engineering,the process control is more and more widely used.For example,in the production process of food processing,filtering solution,chemical production and other industries,liquid storage tank is usually used,and making the liquid level of liquid storage
4、 tank at a certain height is very important,neither too overflow to risk nor too short not to meet the production demand.Therefore,the height of liquid level in the industrial control process is one of the important parameters,especially in the dynamic condition.If adopt the appropriate method for t
5、he control of the liquid level detection,we can get good effect.The research object is based on the self-made double tank level control system,through the host computer,the Advantech PCI-1710L card,the electric control valve,the pressure liquid level transmitter,the frequency converter and the water
6、 pump we get two different kinds of the cascade control system for the single water tank of the liquid level control,respectively realized the effect of the remote control and local control.And at last,this article expounds the theory of double water tank control method.Choose the design of configur
7、ation software-King view for development tools,we have had the development of the system to monitor and control interface,and also have programmed PID control procedures that made the system has a field process data,dynamic monitoring historical data archiving function,abnormal signal of the alarm f
8、unction and the guidance function of the on-site operation.Keywords:Tank level;PID control;King view;Frequency converter;ii内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)目录摘要.IAbstract.II第一章绪论.11.1 选题背景及意义.11.2 液位控制系统的发展现状.21.3 本文的主要工作.3第二章控制对象及算法简介.52.1 被控制变量的选择.52.2 执行器的选择.52.3 压力液位变送器的选择.52.4 研华板卡PCI-1710L简介.62.4.1 模拟量输入连接
9、.82.5 PID控制算法概述.92.5.1 PID控制器的应用与发展.92.5.2 PID算法类型.102.5.3 PID两种控制方式.11第三章基于组态王的单容水箱液位控制系统.133.1 组态王简介.133.1.1 组态王软件的组成.133.1.2 制作工程的一般步骤.143.1.3 组态王与外部设备通信.143.2 控制方案选取.153.3 上位机组态软件的开发.163.3.1 监控画面.163.3.2 构造数据库.173.3.3 数据通信.193.3.4 命令语言的编写.20ill内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)3.3.5 实时曲线.213.3.6 历史报警查询网.213.3
10、.7 历史曲线.233.4 参数整定.25第四章基于变频器的单容液位控制系统.264.1变频调速基础.264.2三菱通用变频器FR-D700简要介绍.274.2.1 FR-D700 简介.274.2.2三菱变频器FR-D740-1.5K-CHT常规介绍.284.2.3控制电路接线端极端子功能介绍.294.2.4操作面板及其功能介绍.314.3变频器的作用.314.4控制系统调试.324.4.1操作步骤.334.4.2参数整定.33第五章双容水箱液位控制系统.355.1串级控制.355.1.1串级控制概念.355.1.2水箱液位控制方法.365.1.4串级控制的特点.365.2串级控制系统的设计
11、.365.2.1变量的选择.365.2.2主副控制器的控制规律.375.2.3主副控制器正反作用的选择.375.3串级控制系统的工业应用.385.4本章小结.38总结.39参考文献.40附录.41IV内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)致谢43v内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)第一章绪论1.1 选题背景及意义液位是工业生产过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、液态燃料供应、废油净化、溶液加工与传输等场合,常需对容器中液 位进行有效可靠的控制,否则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,引起事故,造
12、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成本、经济效益甚至设备的 安全系数。所以,为了保证安全、方便操作,就必须研究开发先进的液位控制方法和策 略。工业生产过程中的液位系统通常是时变的,具有明显的滞后特性。在热工生产与传 输质量或能量的过程中,存在着各种形式的容积和阻力,加上对象多具有分布参数,好 像被不同的阻力和容积相互分隔着一样。生产实际中的被控对象往往是由多个容积和阻 力构成的多容对象。两个串连的单容对象构成的双容对象就比较典型。人们生活以及工业生产经常涉及到液位的控制问题,因此液位是工业控制过程中一 个重要的参数。液位控制系统一般指工业生产过程
13、中自动控制系统的被控变量为液位的 系统。在生产过程中,需要对液位的相关变量进行控制,使其保持为一定值或按一定规 律变化,以保证生产的质量和安全。液位的变化不但受到过程控制过程中内部干扰的影 响,也受到外部的各种干扰的影响,而且影响液位变化的干扰一般不止一个,在过程控 制中的作用也不同,这就增加了对变量进行控制的复杂性,因此形成了过程控制的下列 特点叫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,对象的储存能力大,惯性也较大,设备 内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力,并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变化时,由于存在容量、惯性、阻力,被控参数不
14、可能立即产生响应,这种现象叫做滞后。2)对象特性的非线性内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)对象特性大多是随负荷变化而变化,当负荷改变时,动态特性有明显的不同。大多 数生产过程都具有非线性,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过程平稳,参数变化超出极限 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。过程的稳定被破坏后,往往具有自动趋向平衡的能力,即被控量发生变化时,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 直变化而不能稳定下来的,这就是具有积分的对象。任何生产过
15、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 究为以后过程控制方面的其他变量的研究打下了结实的基础。1.2 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获得,通过简化、近似等手段获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其普遍,种类繁多,其中不
16、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过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、可靠性、有效性的要求也越来越高,为了确保工业生产过 程能够高效,安全的进行,同时提高产品的质量,对生产过程进行在线监测,及时准确 地把握生产运行状况,已成为目前过程控制领域的一个研究热点。近几十年来,液位控 制系统已被广泛使用,在其研究和发展上也已趋于
17、完备。在轻工行业中,液位控制的应 用非常普遍,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,并且液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的部分,如蓄水池,污水处理 场等都需要液位控制系统的参与。如果能通过一定的系统来自动维持液位的高度,那么 2内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)操作人员便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广泛,但国内生产的液位控制器同国 外的日本、美国、德国等先
18、进国家相比,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 商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和 计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,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成果,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、性能优异的液位控制器及仪 器仪表,并在各行业广泛应用。1.3 本文的主要工作第一章绪论,主要介绍选题背
19、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以 及他们的原理,为接下来液位控制系统的设计打下良好的基础。第二章根据设计要求我们对控制参数以及控制算法进行分析,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 统总体监控系统,设计开发了单容水箱的系统的总监控界面,定义了外部变量,用于和 研华板卡PCI 1710模块的输入输出部分对应,来实时显示液位值的大小,建立的动画 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,并且实现了液位值 实时
20、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参数以及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,对各种经典控制进行比较。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一定 3内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)的精度,并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
21、制性能。4内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)第二章控制对象及算法简介2.1 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以及生产安全与劳动条件的改善。对于任何一个控 制系统,如果被控变量选择不当,即便配备再好的自动化仪表,使用再复杂、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。2.2 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
22、而使被控变量更加接近设定值。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、。lOVdc或2lOVdc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、免维护。V图2.1电动调节阀2.3 压力液位变送器的选择传感器是一种以一定精度把被测量转换为与之有确定关系、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,所以应根据不同的系统选择最合适的传感器是必要的网本设计选用 的是由北京昆仑海岸
23、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:5内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)1)输出形式:420mADC、05VDC2)供电电源:24VDC(10%)、12VDC3)准确度:0.5%FS、0.25%FS4)介质温度:一2070c5)环境温度:一10606)响应时间:=100mS7)负载能力:电流型v=600Q(不带显示),=3000(带显示);电压型=3KQ8)可重复性:=0.1%FS9)长期稳定性:v=0.1%FS/年10)非线性:=0.2%FS11)热力零点温漂:=0.03%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、
24、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2.2所示:Hl-+亘电流表 显示(二次仪表)或控制系统电源图2.2端子型二线制接法2.4 研华板卡PCL1710L简介研华(中国)公司生产的PCI-1710L多功能数据采集卡是一款功能强大的低成本多 功能PCI总线数据采集卡。用PCL1710L板卡构成的控制系统框图如图2.3所示。使用时用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个接线端子对应。6内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)图2.3基于
25、PCL1710L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2.4所示,信号描述如表2-1所示。AIO6834AI1A126733AI3A146632AISA166531AI7AI66430AI9AI106329AI11AI126228AI13AI146127AI15AIGNDGO26AIGNDAOOREF*5925AO1_REF,AOO_OUT*5824AO1_OUyAOGND*5723AOGND-DIO5622DI1DI25521DI3DI45420DISDI65319DIZDia5218DI9DI1O5117DI1 1DI125016DI13DI144915DI15DGND4814
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