水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 實(shí) 驗(yàn) 室： 組 員： 評(píng)定成績(jī)： 審閱教師： 一 過程控制系統(tǒng)概論1. 系統(tǒng)設(shè)備組成1. 系統(tǒng)水路圖系統(tǒng)水路圖包括兩個(gè)部分，一部分液位控制水路，一部分是溫度控制水路圖。液位控制水路主要包括以下部分：變頻器水泵水箱電動(dòng)閥兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量變送器液位變送器手動(dòng)閥門若干管道若干具體圖如下：溫度控制水路，主要包括以下部分：加熱器加熱水箱儲(chǔ)水水箱加壓泵溫度變送器管道若干手動(dòng)閥門若干具體溫度控制水路圖如下：2. 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面板圖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括了P909智能控制器、接線插頭以及計(jì)算機(jī)等設(shè)備。P909面板圖如下：3. 系統(tǒng)電

2、氣連接圖2. 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)1. 整體參數(shù)-加熱器控制器功率：1500W 電源：220V（單相輸入）2. 交流變頻器功率：1500W電源：220V（單相輸入） 380V（三相輸入）3. 水泵STAINLESS STELL CENTRIFUGAL PUMPQ：40-180 L/minH：25-7mH max：25mQ max：180 L/min3-Mot：380V 50Hzrpm： 2850Kw：1.1HP：1.5，In 2.8A，VL 450V，ICL B，IP 44.4. 智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)：ZDYP-16P，口徑：2.5mm壓力：1.6Mpa，電源：220V輸入信號(hào)：4-20mA，反饋信號(hào)：

3、4-20,mA閥門控制精度：0.1%-3%可調(diào)日期：2006年4月 T:58447575上海大禹泵閥制造有限公司5. 電磁閥220V AC，ED 100%，IP 00/656. 流量計(jì)C型渦輪流量計(jì)直徑：10mm，滿度流量：1.2壓力：16Mpa，輸出精度：1.0編號(hào)：06022，防護(hù)等級(jí)：IP5天津儀表集團(tuán)有限公司7. 全自動(dòng)微型家用增壓泵型號(hào)：15WZ-10單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)馬達(dá)最高揚(yáng)程：10m，最大流量：20L/min極數(shù)：2，轉(zhuǎn)速：2800rPm電壓：220V，電流：0.36A頻率：50Hz，電容：3.5uF功率：80W，絕緣等級(jí)：F上海大磊泵業(yè)有限公司二 對(duì)系統(tǒng)對(duì)象的認(rèn)識(shí)1. 獲取對(duì)象的數(shù)

4、學(xué)模型為了能夠?qū)?duì)象很好地控制，我們必須盡大可能獲得系統(tǒng)的準(zhǔn)確模型。對(duì)于液位控制系統(tǒng)，主要的控制對(duì)象是液位，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，所以，我們需要獲取電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為輸入，與系統(tǒng)的輸出液位之間的系統(tǒng)模型。獲取模型的方式有多種多樣，主要是：1. 頻率特性法。通過輸入輸出信號(hào)之間的頻率響應(yīng)關(guān)系，得到系統(tǒng)的頻率特性函數(shù)函數(shù)。這種方式主要適合時(shí)間常數(shù)比較小的系統(tǒng)。2. 飛升曲線。通過階躍輸入觀察系統(tǒng)的階躍輸出響應(yīng)，通過階躍響應(yīng)曲線，可以假設(shè)系統(tǒng)的模型類別，然后根據(jù)系統(tǒng)的飛升曲線，得到模型中的各項(xiàng)參數(shù)，獲得系統(tǒng)模型。我們?cè)趯?shí)際實(shí)驗(yàn)中，就是通過飛升曲線方法，來獲得系統(tǒng)的模型。飛升曲線的制作方法飛升曲線的制作方

5、法比較簡(jiǎn)單。飛升曲線實(shí)際上就是兩個(gè)穩(wěn)態(tài)以及它們的過渡過程。首先，我們給定一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，控制系統(tǒng)各個(gè)手動(dòng)閥到合適的位置，等待液位穩(wěn)定。液位穩(wěn)定之后，我們給定電動(dòng)調(diào)節(jié)閥另外一個(gè)開度，液位開始變化。在一段時(shí)間之后，液位會(huì)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。這之間的過渡過程，將液位隨著時(shí)間的變化曲線，就是飛升曲線。我們獲得到飛升曲線如下：飛升曲線分析根據(jù)飛升曲線，開度是由10%-20%變化，液位變化為175mm到520mm，從第一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到第二個(gè)穩(wěn)態(tài)需要的時(shí)間大致為14分鐘。我們假定系統(tǒng)是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，那么，飛升曲線就相當(dāng)于系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，通過飛升曲線，我們可以獲得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)增益、時(shí)間常數(shù)等參數(shù)，通過這些

6、參數(shù)，我們就可以對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，通過分析和計(jì)算，就能夠設(shè)計(jì)出最佳的PID控制器來控制液位系統(tǒng)。2. 力控教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用1. 力控教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的安裝6.1版本1. 硬件要求CPU:奔騰 500 以上 內(nèi)存：最少 64M 顯示器：VGA、SVGA 以及支持桌面操作系統(tǒng)的圖形適配器，顯示256 色以上。 鼠標(biāo)：PC 兼容鼠標(biāo) 通訊：RS-232 并行口：力控的加密鎖說明：目前市面上流行的機(jī)型完全滿足力控的運(yùn)行要求。2. 軟件要求運(yùn)行的操作系統(tǒng)：WINDOWS2000/WINNT4.0(補(bǔ)丁6)/WINXP3. 硬件加密鎖力控組態(tài)軟件在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，需要一個(gè)硬件加密鎖，加密鎖包括：并口硬件加密

7、鎖和USB口硬件加密鎖。并口硬件加密力控支持Windows 操作系統(tǒng)上的并口硬件加密鎖的安裝，安裝并口硬件加密鎖步驟：在安裝加密鎖前應(yīng)關(guān)閉計(jì)算機(jī)電源和外圍設(shè)備拔掉計(jì)算機(jī)并口上的所有聯(lián)接。加密鎖安全地插入并口并擰緊螺絲。如果有其它設(shè)備與并口連接，請(qǐng)將其接到加密鎖的背后。USB 硬件口加密鎖力控支持Windows 操作系統(tǒng)下USB 口硬件加密鎖，注：Windows98 需要首先安裝USB 口的驅(qū)動(dòng)。說明：當(dāng)沒有加密鎖時(shí)，力控組態(tài)軟件也可以開發(fā)和運(yùn)行，但有如下限制：數(shù)據(jù)庫支持32 點(diǎn)內(nèi)置編程語言運(yùn)行系統(tǒng)在線運(yùn)行時(shí)間是2 小時(shí)支持選擇的通訊驅(qū)動(dòng)程序3. P909的使用方法1. 手動(dòng)設(shè)置輸出值2. 手動(dòng)

8、模式和自動(dòng)模式的切換按下A/M鍵，即可實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)切換，手自動(dòng)切換的圖標(biāo)將會(huì)變換，如圖：手動(dòng)情況：自動(dòng)情況：3. 報(bào)警值設(shè)置通過在第一層切換SET，就可以切換到報(bào)警值設(shè)置，如圖：4. PID參數(shù)值設(shè)置PID參數(shù)的設(shè)置，都在第二層上。進(jìn)入第二層的方法：按住“SET”鍵5秒即可進(jìn)入第二層。在第二層，通過按“SET”鍵切換選項(xiàng)，PID參數(shù)分別對(duì)應(yīng)P1、I1、D1，如圖： 以上就是P909的一些基本的設(shè)置方法。三 對(duì)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的了解1. 對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的認(rèn)識(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的參數(shù)：型號(hào)：ZDYP-16P，口徑：2.5mm壓力：1.6Mpa，電源：220V輸入信號(hào)：4-20mA，反饋信號(hào)：4-20,mA閥門控制精度

9、：0.1%-3%可調(diào)通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的參數(shù)，我們可以了解到，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是220V交流供電的設(shè)備，而它的閥門開度控制信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號(hào)；除此，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還能夠?qū)⑵溟y門開度采樣，通過變送器轉(zhuǎn)換成4-20mA信號(hào)，這樣，我們就能夠獲得閥門實(shí)際的開度，并通過一定的控制手段，精確地控制閥門的開度，以滿足流量等的控制要求。2. 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)設(shè)定的響應(yīng)簡(jiǎn)述電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為一個(gè)電氣裝置，能夠?qū)υO(shè)定信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。但作為電氣裝置，它有系統(tǒng)的一些不可避免的缺陷，比如，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)不可能完全跟蹤，需要一個(gè)慣性響應(yīng)的過程。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的時(shí)間常數(shù)相對(duì)于液位系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，可以認(rèn)為是非常小的，它的時(shí)間

10、常數(shù)在秒級(jí)以上但不超過分鐘級(jí)別，而液位系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)一般都超過分鐘級(jí)別。所以，在一定的場(chǎng)合下，對(duì)液位控制要求不是非常高的情況，我們可以忽略電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)時(shí)間，將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥當(dāng)做傳遞函數(shù)是比例k的設(shè)備即可。在對(duì)液位控制要求精度比較高時(shí)，我們就需要將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)考慮在內(nèi)，做成串級(jí)控制系統(tǒng)等等控制系統(tǒng)，來達(dá)到更高的要求。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制器P909的PV校正我們需要獲得電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的模型，仿照液位系統(tǒng)，我們對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥施加階躍信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)曲線，來得到其一些參數(shù)。首先，我們選擇一個(gè)P909作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制儀表，因此，我們需要對(duì)P909的采樣數(shù)據(jù)的范圍設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，即對(duì)PV值進(jìn)行高點(diǎn)、低

11、點(diǎn)校正。具體步驟如下：進(jìn)入P909的第三層：按住“SET”鍵5秒內(nèi)同時(shí)按一下“”鍵找到ANL1：進(jìn)入ANL1的設(shè)定，此時(shí)將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥給4mA信號(hào)關(guān)閉，將其開度信號(hào)送入該P(yáng)909的PV端，調(diào)節(jié)SV處的值，使得ANL1的值顯示為0，按下“SET”鍵完成設(shè)置。 找到ANH1：進(jìn)入ANH1的設(shè)定，此時(shí)將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥給20mA信號(hào)完全打開，將其開度信號(hào)送入該P(yáng)909的PV端，調(diào)節(jié)SV處的值，使得ANH1的值顯示為100，按下“SET”鍵完成設(shè)置。 通過以上的設(shè)置，我們就完成了P909的PV校正，閥門開度信號(hào)被校正為0-100的數(shù)值范圍。我們使用力控軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線采集，用于分析電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的特性，方法與采集

12、系統(tǒng)的飛升曲線相同。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的階躍響應(yīng)圖中我們使用了原來液位對(duì)應(yīng)的P909，所以，低點(diǎn)對(duì)應(yīng)0，高點(diǎn)對(duì)應(yīng)600，我們將其縮小6倍即可。該階躍響應(yīng)是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥從90%開度調(diào)整到10%開度，大致用了1.25min，75秒左右。我們使用的是百分比控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度也是百分比范圍，所以增益為1。由于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是電信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并不可以認(rèn)為是單純的慣性環(huán)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)時(shí)間不僅和其本身有關(guān)，也和開度變化之差有關(guān)。四 過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)（1） 建立新工程N(yùn)ew App1（2） 定義I/O設(shè)備IO設(shè)備的通訊一般包括：DDE、OPC、PLC、UPS、變頻器、智能儀表、智能模塊、板卡等，這些

13、設(shè)備一般通過串口和以太網(wǎng)等方式與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，只有在定義了IO設(shè)備后，力控才能通過數(shù)據(jù)庫變量和這些IO設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。（3） 創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（4） 創(chuàng)建組態(tài)界面A 示例窗口B 趨勢(shì)曲線窗口C 歷史窗口D 儀表窗口E 數(shù)據(jù)報(bào)表窗口（5） 腳本動(dòng)作（6） 運(yùn)行利用USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器與HGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K（P909高精度微電腦控制器）相連，HGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K（P909高精度微電腦控制器）與液位系統(tǒng)相連。進(jìn)行液位控制。五 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)曲線如下：由圖可知調(diào)節(jié)時(shí)間較為合理，超調(diào)也在可以接受的范圍內(nèi)，PID參數(shù)較為理想。六 心得體會(huì)作為與過程控制課程配套進(jìn)行，此次實(shí)驗(yàn)的課題是

14、水箱液位、鍋爐溫度控制綜合系統(tǒng)。我們小組主要以控制器與計(jì)算機(jī)串口通信，PID參數(shù)整定，水箱液位控制（包括力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)模擬仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)物操作控制實(shí)驗(yàn)）作為實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，而由于時(shí)間等各種因素及個(gè)人原因，對(duì)鍋爐溫度控制并沒有投入太多精力。這可以作為我們有興趣在后期有時(shí)間繼續(xù)研究的項(xiàng)目。盡管如此，在不長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和僅對(duì)單項(xiàng)目控制，在本次實(shí)驗(yàn)中，我們依然以一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、積極探索的態(tài)度，不僅了解了水箱液位控制（作為過程控制一個(gè)典型，其余還有鍋爐溫度控制、管道流量控制、容器壓力控制等）的基本原理，掌握了基本設(shè)計(jì)控制方法，而且對(duì)PID控制有了進(jìn)一步深入的認(rèn)識(shí)，P909控制器作了前所未有的理解，p909是一個(gè)多功能、多用途的控制器，可以同時(shí)控制液位，