【正文】 天津工程師范學(xué)院 2022屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 引言 設(shè)計(jì)背景 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝中的控制問題也日趨復(fù)雜。生產(chǎn)設(shè)備中多變量、非線性的被控對象越來越多，對控制性能指標(biāo)的要求也越來越高。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)的控制要求，人們需要利用某些專門的儀器設(shè)備對某些關(guān)鍵的生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕M，并借助這些儀器設(shè)備對控制理論或方法的有效性適當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)分析。在人們的 生活中以及某些化工和能源的上產(chǎn)過程中，常常涉及一些液位或流量控制的問題，例如居民生活用水的供應(yīng)，通常需要蓄水池，蓄水池中的液位需要維持合適的高度，還有一些水處理的過程也需要對蓄水池中 的液位實(shí)時(shí)控制，另外涉及蓄水池容器的生產(chǎn)過程 也很多見，例如在核動力蒸汽發(fā)生器工作過程中以及依稀工程污染水處理廠的自動排水處理場等，因此，需要 設(shè)計(jì)合適的控制器自動調(diào)整容器的入液流量，使得容器內(nèi)液位保持正常水平。 我國是世界第一人口大國，人口眾多也會隨之而來很多問題，然而 隨著我國科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動化已成為新時(shí)代的一種必須，它替代了人的部分器官功能并且工作效率和工作質(zhì)量都在人之上。液位控制系統(tǒng)就是應(yīng)用非常廣泛的一種自動控制系統(tǒng)，它在一定程度上解決了長期以來一直困擾人們的難題。 利用 PLC的自動控制功能對儲罐液 位進(jìn)行控制，液位控制是指無論儲罐內(nèi)排出液的流量多大，都能使液位控制在某一范圍內(nèi)上下浮動。傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)都是由人直接觀測并進(jìn)行啟動和停止料泵的，這樣不但浪費(fèi)人力資源而且會因?yàn)槿说氖韬鲈斐蓛奕币夯蛞何贿^高而造成外溢等嚴(yán)重后果。而 PLC控制的液位控制系統(tǒng)不但避免了以上種種危險(xiǎn)，同時(shí)也可以對多個(gè)儲罐進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了一控多的自動控制系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的 PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，長期以來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程中，目前在全世界的過程控制中仍有 90％是采用 PID控制器 。 而 組態(tài)王 軟件是組態(tài)軟件當(dāng)中性能較好的一款組態(tài)軟 件，本系統(tǒng)采用 液位控制 控制系統(tǒng)結(jié)合 組態(tài)王 對 儲液罐內(nèi) 液位施行 PID控制 。 設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)是對現(xiàn)代液位控制系統(tǒng)的一種模擬，它可以應(yīng)用到許多液位控制當(dāng)中，如：工業(yè)現(xiàn)場液位測量與控制、油罐液位測量、化工過程液位控制、制藥罐液位控制、食品飲料液罐控制、大壩水位監(jiān)控、飲用水和污水處理等。尤其是對一些有毒液體的控制更能突顯自動控制的重要性。采用變頻器對電極實(shí)行變頻調(diào)速，相比以往的接觸器直接控制，很大程度上降低了電能的消耗，并且對液位的控制也更為精確。在現(xiàn)代的液位控制中有很大的使用和推廣價(jià)值。 天津工程師范學(xué)院 2022屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)功能 控制 系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行液位設(shè)定，系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，當(dāng)液位低于設(shè)定值時(shí)自動啟泵向儲罐內(nèi)加液，液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)停泵，如果液位低于最低液位、高 于最高液位或變頻器出現(xiàn)故障，將無法進(jìn)行自動控制，并發(fā)出聲光報(bào)警。 本設(shè)計(jì)運(yùn)用了 PID控制算法， PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、 調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一當(dāng)被控 對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們 不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID控制技術(shù)。 另外應(yīng)用到了組態(tài)如鍵進(jìn)行模擬仿真， “組態(tài)王”是運(yùn)行于 Microsoft Windows 2022fNT 中文平臺的全中文界面的組態(tài)軟件，采用了多線程、 COM 組件等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠 。它由工程瀏覽器（ TouchExplorer）、工程管理器（ ProjManager）和畫面運(yùn)行系統(tǒng)（ TouchVew）三部分組成。在工程瀏覽器中可以查看工程的各個(gè)組成部分，也可以完成數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造、定義外部設(shè)備等工作； 工程管理器內(nèi)嵌畫面管理系統(tǒng)，用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理。畫面的開發(fā)和運(yùn)行由工程瀏覽器調(diào)用畫面制作系統(tǒng) TOUCHMAK 和工程運(yùn)行系統(tǒng) TOUCHVEW 來完成的。 2 液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理 液位控制系統(tǒng)基本組成部分 天津工程師范學(xué)院 2022屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 以 PLC 為核心的液位控制系統(tǒng)就是希望其能滿足近代工業(yè)迅速發(fā)展的需要，傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)采用模擬系統(tǒng)控制，控制精度不高，而且無法實(shí)現(xiàn)液位的顯示，不僅不能滿足現(xiàn)代工業(yè)對液位測控越來越高的要求，使系統(tǒng)不夠直觀，增加了工作人員的工作強(qiáng)度，已逐漸被取代。 PLC 的問世及 迅速更新發(fā)展，不僅給液位控制技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件，實(shí)現(xiàn)了液位控制技術(shù)的智能化，而且使其功能越來越強(qiáng)大。 本設(shè)計(jì)中用 PLC 替代了液位控制儀表，是以 PLC 為核心，附以相應(yīng)的外圍硬件電路的控制系統(tǒng)。 液位控制系統(tǒng)的大腦 —— PLC， PLC 為本系統(tǒng)的核心，相當(dāng)于人的大腦，它把所得到的各種信息進(jìn)行分析、識別、比較，并做出判斷和決策，自主控制后面的動作、報(bào)警部分，完成對液位控制的作業(yè)任務(wù)。 液位控制系統(tǒng)的感覺器官 —— 液位傳感器。液位傳感器是液位控制系統(tǒng)感知自身或外部環(huán)境變化信息的裝置，它相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚等，由 它接受儲罐液位高度的信息傳輸?shù)?PLC。 報(bào)警液 位 傳 感 器P L C泵變 頻 器 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 液位控制系統(tǒng)的表達(dá)器官 —— 報(bào)警。報(bào)警是根據(jù) PLC 處理輸入的信息相應(yīng)的對液位系統(tǒng)出現(xiàn)的一些故障和超標(biāo)進(jìn)行聲光報(bào)警。它相當(dāng)于人的面部表情和嘴，根據(jù)大腦發(fā)出的信息，做出相應(yīng)的表情，表達(dá)相關(guān)的意思。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖 21所示。 圖中硬件組成主要由以下幾部分組成： PLC 信息處理、液位采集、 PLC 與變頻器信息交換、報(bào)警部分、執(zhí)行部分等 。 液位控制系統(tǒng)是一個(gè)以 PLC 為核心，變頻器為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過液位傳感器反饋的信息，從而控制電動機(jī)的運(yùn)行、停止實(shí)現(xiàn)液位控制的目的。 系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)工作情況 天津工程師范學(xué)院 2022屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 由液位傳感器實(shí)現(xiàn)對儲罐液位的采集，其采集信號以 4～ 20mA 的電流信號傳給變頻器，變頻器將此數(shù)字信號進(jìn)行處理從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率。 通過編程設(shè)定一個(gè)液位控制范圍（上限報(bào)警值和下限報(bào)警值）。液位傳感器檢測出液位控制系統(tǒng)的液位，由變頻器接收也為信號，并進(jìn)行變頻運(yùn)行，當(dāng)所測液位低于 下限值時(shí)，系統(tǒng)中報(bào)警設(shè)備將發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)報(bào)警信號燈進(jìn)行閃爍，以提 醒工作人員此時(shí)液位過低，便于做出相應(yīng)的措施。系統(tǒng)控制流程圖如圖 22所示。 下限值？液位 ?準(zhǔn)備工作自動控制否？變頻器故障？變頻啟動、運(yùn)行上限值？液位 ?設(shè)定值？液位 ?低液位報(bào)警變頻器報(bào)警高液位報(bào)警停止運(yùn)行手動控制否是是是是是否否否否 圖 22 液位控制系統(tǒng)的流程圖 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 設(shè)備選性的考慮因素 天津工程師范學(xué)院 2022屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 設(shè)備選型是一個(gè)復(fù)雜的過程，對企業(yè)來講是至關(guān)重要的，設(shè)備選型考慮的主要因素有以下五個(gè)方面的內(nèi)容。 1．設(shè)備的主要參數(shù)選擇 （ l）生產(chǎn)率 設(shè)備的生產(chǎn)率一般用設(shè)備單位時(shí)間（分、時(shí)、班、年）的產(chǎn)品產(chǎn)量來表示。例如，鍋爐以每小時(shí)蒸發(fā)蒸汽噸數(shù)；空壓機(jī)以每小時(shí)輸出壓縮空氣的體積；制冷設(shè)備以每小 時(shí)的制冷量；發(fā)動機(jī)以功率；流水線以生產(chǎn)節(jié)拍（先后兩產(chǎn)品之間的生產(chǎn)間隔期）；水泵以揚(yáng)程和流量來表示。但有些設(shè)備無法直接估計(jì)產(chǎn)量，則可用主要參數(shù)來衡量，如車床的中心高、主軸轉(zhuǎn)速，壓力機(jī)的最大壓力等。設(shè)備生產(chǎn)率要與企業(yè)的經(jīng)營方針、工廠的規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、運(yùn)輸能力、技術(shù)力量、勞動力、動力和原材料供應(yīng)等相適應(yīng)，不能盲目要求生產(chǎn)率越高越好，否則生產(chǎn)不平衡，服務(wù)供應(yīng)工作跟不上，不僅不能發(fā)揮全部效果反而造成損失，因?yàn)樯a(chǎn)率高的設(shè)備，一般自動化程度高、投資多、能耗大、維護(hù)復(fù)雜，如不能達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量，單位產(chǎn)品的平均成本就會增高。 （ 2）工藝性 機(jī)器設(shè)備最基本的一條是要符合產(chǎn)品工藝的技術(shù)要求，把設(shè)備滿足生產(chǎn)工藝要求的能力叫工藝性。例如：金屬切削機(jī)床應(yīng)能保證所加工零件的尺寸精度、幾何形狀精度和表面質(zhì)量的要求；需要坐標(biāo)鏜床的場合很難用銑床代替；加熱設(shè)備要滿足產(chǎn)品工藝的最高和最低溫度要求、溫度均勻性和溫度控制精度等。除上面基本要求外，設(shè)備操作控制的要求也很重要，一般要求設(shè)備操作輕便，控制靈活。產(chǎn)量大的設(shè)備自動化程度應(yīng)高，進(jìn)行有害有毒作業(yè)的設(shè)備則要求能自動控制或遠(yuǎn)距離監(jiān)督控制等。 （ l）設(shè) 備的可靠性 可靠性是保持和提高設(shè)備生產(chǎn)率的前提條件。人們投資購置設(shè)備都希望設(shè)備能無故障地工作，以期達(dá)到預(yù)期的目的，這就是設(shè)備可靠性的概念。 可靠性在很大程度上取決于設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造。因此，在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)必須考慮設(shè)備的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量。 選擇設(shè)備可靠性時(shí)要求使其主要零部件平均故障間隔期越長越好，具體的可以從設(shè)備設(shè)計(jì)選擇的安全系數(shù)、冗余性設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、元器件穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)和人一機(jī)因素等方面進(jìn)行分析。 隨著產(chǎn)品的不斷更新對設(shè)備的可靠性要求也不斷提高，設(shè)備的設(shè)計(jì)制造商應(yīng)提供產(chǎn) 品設(shè)計(jì)的可靠性指標(biāo)，方便用戶選擇設(shè)備。 (2)設(shè)備的維修性 同樣，人們希望投資購置的設(shè)備一旦發(fā)生故障后能方便地進(jìn)行維修，即設(shè)備的維修性要好。選擇設(shè)備時(shí)，對設(shè)備的維修性可從以下幾方面衡量。 天津工程師范學(xué)院 2022屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 ①設(shè)備的技術(shù)圖紙、資料齊全。便于維修人員了解設(shè)備結(jié)構(gòu)，易于拆裝、檢查。 ②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。設(shè)備結(jié)構(gòu)的總體布局應(yīng)符合可達(dá)性原則，各零部件和結(jié)構(gòu)應(yīng)易于接近，便于檢查與維修。 ③結(jié)構(gòu)的簡單性。在符合使用要求的前提下，設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單，需維修的零部件數(shù)量越小越好，拆卸較容易，并能迅速更換易 損件。 ④標(biāo)準(zhǔn)化、組合化原則。設(shè)備盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)零部件和元器件，容易被拆成幾個(gè)獨(dú)立的部件、裝置和組件，并且不需要特殊手段即可裝配