【正文】 年代以來(lái)，伴隨著自動(dòng)控制理論的日趨成熟，自動(dòng)化技術(shù)不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作 用。過(guò)程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分，普遍運(yùn)用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門(mén)。 初期的過(guò)程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過(guò)程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)液位，溫度，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過(guò)程。其后，串級(jí)控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開(kāi)始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制（ DDC）和設(shè)定值控制（ SPC）。 隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步， 工業(yè) 自動(dòng)化技術(shù) 在各領(lǐng)域已百花齊放 ，過(guò)程控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中，過(guò)程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來(lái)越大的作用。 液位控制系統(tǒng) 實(shí)際應(yīng)用中的 意義 為了解決人工控制的控制準(zhǔn)度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問(wèn)題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。在自動(dòng)化控制的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中， 尤其是 在石油﹑化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè) ， 液位是過(guò)程控制 系統(tǒng)的重要被控量，在 實(shí)際 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，常常需要對(duì)某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測(cè)量和控制。通過(guò)液位的檢測(cè)與控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過(guò)控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過(guò)程，即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥， 系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定， 會(huì)造成生產(chǎn)中對(duì)液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費(fèi)﹑產(chǎn)品的不合格， 影響工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問(wèn)題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控 制的要求越來(lái)越高， 甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。 水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)研究和開(kāi)發(fā)先進(jìn)的控制方法、策略的平臺(tái)，它具有體積小、功耗小、靈活安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，它不僅能夠完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還可以通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。它是專(zhuān)門(mén)針對(duì)于過(guò)程控制中液位控制研究的實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)，它包含有溫度、壓力、液位等多種被控變量，通過(guò) PLC 上 位機(jī)軟件設(shè)計(jì)控制器，可實(shí)現(xiàn)多種控制方式。同時(shí)也可以對(duì)液位控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與研究。水箱液位控制 系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)為解 決實(shí)際工程應(yīng)用提供了良好的研發(fā)平臺(tái)。 液位串級(jí)控制系統(tǒng)的介紹 在 單回路控制系統(tǒng)是過(guò)程控制中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種形式，它只用一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器也只有一個(gè)輸入信號(hào)，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個(gè)閉環(huán)。在大多數(shù)情況下，這種簡(jiǎn)單系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的要求，因此，它是一種最基本的、使用最廣泛的控制系統(tǒng)。但是也有另外一些情況，譬如調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性決定了它很難控制，而工藝對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求又很高；或者調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性雖然并不復(fù)雜，但控制的任務(wù)卻比較特殊，則單回路控制系統(tǒng)就無(wú)能為力了，而串級(jí)控制系統(tǒng)可以改善和提高控制品質(zhì) 。 單回路控制系統(tǒng)是過(guò)程控制中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種形式，它只用一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器也只有一個(gè)輸入信號(hào)，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個(gè)閉環(huán)。在大多數(shù)情況下，這種簡(jiǎn)單系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的要求。但在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，則需在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，而串級(jí)控制系統(tǒng)就是其中一種改善和提高控制品質(zhì)的極為有效的控制系統(tǒng)。 液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常用的兩個(gè)參數(shù)，對(duì)液位和流量進(jìn)行控制的裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的十分普遍。液位的時(shí)間常數(shù) T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用單回路控制系統(tǒng)來(lái)控制，可能無(wú)法達(dá)到 較好的控制質(zhì)量。而串級(jí)控制系統(tǒng)則可以起到十分明顯的提高控制質(zhì)量的效果，因此往往采用串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)液位進(jìn)行控制。 PLC 的 發(fā)展現(xiàn)狀 PLC 的定義 國(guó)際工委員會(huì)（ IEC）曾于 1982 年 11 月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿， 1985年 1月又發(fā)表了第二稿， 1987 年 2月頒布了第三稿。該草案中對(duì)可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)計(jì)算等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字 量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性?xún)r(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20世紀(jì)80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度 、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世紀(jì) 80年代至 90年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為 30~40%。在這時(shí)期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS 系統(tǒng)。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)； 從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了 各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車(chē)、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC 的應(yīng)用。目前，我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海 東屋電氣有限公司生產(chǎn)的 CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的 DKK 及 D 系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的 S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的 YZ 系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無(wú)錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國(guó)比較著名的 PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。 2 水箱液位控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 液位控制系統(tǒng)實(shí)際是通過(guò)控制流量對(duì)液位進(jìn)行控制的，液位的時(shí)間常數(shù) T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用液位做為反饋信號(hào)進(jìn)行單一回路 控制，控制質(zhì)量 難以達(dá)到要求 。而串級(jí)控制系統(tǒng)可以將流量納入副回路進(jìn)行控制，不僅有效地克服了流量對(duì)液位造成的干擾，能夠?qū)σ何粚?shí)行較快的控制。 本 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將 在 SUPCON 高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn) 裝置的 基礎(chǔ) 上，通過(guò) PLC 及各傳感、執(zhí)行單元、上位機(jī)，以 流量液位串級(jí)控制 策略和的 PID控制算法 ，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 當(dāng)然，還有一些其它的克服大容積遲延的控制方案，例如前饋控制、大遲延滯后補(bǔ)償控制。但 它們 較難用一般常規(guī)儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)，在經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)便性上不如串級(jí)控制。 液位 控制系統(tǒng) 組成 液位控制系統(tǒng)的 構(gòu) 成 如下 圖 中所示 ， 圖 液位控制系統(tǒng) 的組成結(jié)構(gòu) 該水箱流量和液位串級(jí)控制系統(tǒng)主要由水箱、管道、水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液位傳感器、渦輪流量計(jì)、可編程控制器及其輸入（檢測(cè)）輸出（控制）通道電路構(gòu)成。系統(tǒng)包括 3路信號(hào)，測(cè)量信號(hào) 有 2個(gè)分別 是上水箱液位和管道流量， 變送過(guò)來(lái)以后 是標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)控開(kāi)度 調(diào)節(jié)閥 流量 調(diào)節(jié)器 流量 測(cè)量 變送器 液位對(duì)象 △ U 儲(chǔ)水箱 液位 調(diào)節(jié)器 液 位 測(cè)量 變送器 水泵 上位機(jī) PLC 制信號(hào) ，有 1 個(gè)用來(lái) 控制 電動(dòng) 閥門(mén)的 開(kāi)度 。 PLC 的模擬量輸入模塊 SM235 相連， SM235 和CPU 直接相連 。 系統(tǒng)接通電源后，水泵開(kāi)始工作，將儲(chǔ)水箱里的水泵送至管道， 水流 經(jīng)管道后進(jìn)入水箱 。 管道里連接流量變送器 檢測(cè)管道水的流量 ， 水箱底部連接 液位傳感器 檢測(cè)液位， 并 轉(zhuǎn)換成 模擬信號(hào) 后傳送給的模擬量輸入接口 。 通過(guò)上位機(jī)組態(tài)界面 設(shè)置液位給定值， PLC 采用 PID算法得出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度 調(diào)節(jié) 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制流量，實(shí)現(xiàn)流量的控制 ，最終能夠控制水箱內(nèi)水的液位 。 流量液位 串級(jí)控制系統(tǒng)的 工作原理 該系統(tǒng)有主 調(diào)節(jié)器 、副 調(diào)節(jié)器 兩個(gè)控制回路 串接工作 ， 液位控制是外回路（主調(diào)節(jié)器）負(fù)責(zé)液位的定值控制，流量控制是隨動(dòng)控制的內(nèi)回路（副調(diào)節(jié)器）。， 串級(jí)控制系統(tǒng)的目的是為了更好地穩(wěn)定主變量，使之等于給定值， 圖 。 圖 副調(diào)節(jié)器 電動(dòng)閥 流量 水箱液位 流量變送器 液位變送器 h（液位） 一次干擾 二次干擾 給定值 + + Q1 主調(diào)節(jié)器 調(diào) 節(jié)器 主變量就是主回路的輸出，所以說(shuō)主回路是定值控制系統(tǒng)。副回路的輸出是副變量，副回路的給定值是主控制器的輸出，所以在串級(jí)控制系統(tǒng)中，副變量不是要求不變的，而是要求隨主控制器的輸出變化而變化，因此是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的定值控制 其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值 R，它的輸出 m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出 m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù) C1。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定