【正文】 化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。國內(nèi)液位控制器仍以常規(guī)的 PID 控制器為主，無法適用于滯后、復雜、時變的液位系統(tǒng)控制。近幾十年來，在自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，美國、德國、日本等技術(shù)領(lǐng)先國家，生產(chǎn)開發(fā)出一系列性能優(yōu)異、實用性強的液位控制器以及相應的儀器儀表，并廣泛應用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少 1 的，舉凡蓄水槽、污水處理廠等都需要液位元的控制。隨著科學技術(shù)的進一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來越高，不但能完成多種物理量的精確顯示，同時可以帶變送輸出、繼電器控制輸出、通訊、數(shù)據(jù)保持等多種功能。 在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制。利用組態(tài)軟件設(shè)計人機界面，通過串行口和可編程控制器通信，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的?？删幊炭刂破?Programmable Logic ControllerPLC)是一種應用廣泛非常的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合液位控制的要求。實驗證明，控制系統(tǒng)效果比較令人滿意，具有較大的工程實用價值。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為液位控制的主要技術(shù)之一?？删幊炭刂破?Programmable Logic ControllerPLC)是一種應用廣泛非常的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合液位控制的要求。使用液位控制系統(tǒng)來自動維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個設(shè)備的儲水狀況，大大減低工作人員工作的危險性，同時更提高了工作的效率及簡便性。這些先進的控制器不僅能實現(xiàn)各種復雜環(huán)境下的液位控制系統(tǒng)的控制，而且運用先進的算法，采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及計算機技術(shù)，使液位控制器的適用范圍更加廣泛。智能化、自適應的控制系統(tǒng)，國內(nèi)還沒有相關(guān)的成熟技術(shù)。 論文研究內(nèi)容 本論文研究的是智能儀表與 PLC 技術(shù)在液位控制系統(tǒng)上的應用。第四章，研究了控制器的設(shè)計方法。第七章，總結(jié)全文。 我國的儀表行業(yè)由于起步晚、水平低，與發(fā)達國家相比差距較大。智能儀表硬件組成 4 框架圖如圖 21 所示。由 CPU 對輸入數(shù)據(jù)進行加工處理、計算分析等一系列工作，通過接口送至顯示器或打印機，也可輸出開關(guān)量信號或經(jīng)模擬量輸出電路的 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出信號。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算 5 等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。20 世紀 60 年代末，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家汽車型號不斷更新，它必然要求加工的生產(chǎn)線亦隨之改變，以及對整個控制系統(tǒng)重新配置，這樣，繼電器控制系統(tǒng)就需要經(jīng)常更新和安裝，阻礙了更新周期的縮短。1971 年日本從美國引進了這項技術(shù)，很快研制了日本第一臺 PLC。PLC 現(xiàn)在的發(fā)展很快，總的趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向發(fā)展 [2]。按容量大小，可將 PLC 分為：按 PLC 功能上的強弱可分為低檔機，中檔機，高檔機。輸入單元中央處理單元CPU 輸出單元電源存儲單元 編程器或其他編程設(shè)備 圖 22 PLC 的基本結(jié)構(gòu)圖中央處理器（CPU）是 PLC 的核心，一般由運算器、控制器、寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)。存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序和應用軟件。PLC 是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 S7300 型 PLC 的特性S7300PLC 是西門子公司的中型 PLC，最多可以擴展 32 個模塊。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學模型和它的各特性以及設(shè)計要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對象的連接方式。PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強等特點，因此，今天它己經(jīng)成為應用最廣泛的控制技術(shù)，在石化，化工，造紙等工業(yè)領(lǐng)域，甚至有 97%的常規(guī)控制器都是 PID 控制器。三個部分對系統(tǒng)性能的影iTd響如下所示：(1) 比例作用引入比例作用是為了即時地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即生效，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無差，積分作用就停止，此時積分11調(diào)節(jié)的輸出為常數(shù)。 (3) 微分作用引入微分作用是為了改善控制系統(tǒng)的響應速度，同時使相位超前，提高系統(tǒng)的相位裕度增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分作用的強弱取決于微分時間 的大小， 越大，微分作用越強，反之則越弱。所以我們不能過強地增加微分調(diào)節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗干擾能力產(chǎn)生 不利的影響。在曲線上最大斜率點 P 處作切線，F(xiàn)OPDT 模型的參數(shù)如圖 32 所示。首先，它難以確定最大斜率處，并且能夠利用的系統(tǒng)信息不足；其次，飛升曲線法只限定與FOPDT 模型，對象廣泛的其他經(jīng)典過程對象，飛升曲線法則束手無策。實驗的最終目的，是要使閉環(huán)cKcK系統(tǒng)做臨界等幅振蕩，此時的比例增益 就被稱為臨界增益，記為 而此時uK系統(tǒng)的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為 。 PID 參數(shù)整定公式PID 參數(shù)自整定包括提取過程動態(tài)特性和 PID 控制器的設(shè)計兩部分。對于線性時不變系統(tǒng)，如果輸入信號是正弦信號，則穩(wěn)定后輸出信號為同頻率的正弦信號，只有幅度和相位發(fā)生變化。如果在閉環(huán)系統(tǒng)中將控制器設(shè)為純比例控u?制，當比例增益達到足夠高時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。由于系統(tǒng)等幅振蕩，可知 ，其中()uKGj??臨界增益 被稱為臨界比例系數(shù)， 為過程傳遞函數(shù)。頻率響應法也就是上文提到的臨界比例度法。一種是分析法，即根據(jù)過程的機理，物料或能量平衡關(guān)系求得它的數(shù)學模型；另一種是用實驗的方法15確定。若將Q1作為被控過程的輸入變量，h 為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學模型就是h 與Q1之間的數(shù)學表達式。但為了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認為Q 2與h 成正比關(guān)系，而與閥F1td211611的阻力R成反比，即 （39）RhQ??2式中：，稱為液阻。 圖 35 單容水箱的階躍響應曲線17 （a ）無滯后特性響應曲線（ b）具滯后特性響應曲線如果對象具有滯后特性時，其階躍響應曲線則為圖35（b） ，在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點。AI818 型儀表為PID 控制型，輸出為4～20mADC 信號；而AI708 型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點型開關(guān)量信號。如圖41為SA12智能儀表掛件。其中SM331 為8 路模擬量輸入模塊， SM332 為4 路模擬量輸出模塊。采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。具有精度高、技術(shù)先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等20優(yōu)點，電源為單相220V，控制信號為4～20mADC 或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵,一只為三相380V 恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1F1F18全開，將下水箱出水閥門F111開至適當開度，其余閥門均關(guān)閉。 打開上位機組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進入組態(tài)運行環(huán)境，進入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。 h 1022 5 t/min 0 2 4 圖 46： 單容水箱液位測量曲線 S7300PLC 控制 將“SA41 S7300PLC 控制”掛件掛到屏上，并用MPI 通訊電纜線將S7300PLC 連接到計算機CP5611 專用網(wǎng)卡，并按照下圖47控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。參照上一實驗步驟進行操作。由于本控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制功能較簡單, 故只用Step 7 內(nèi)置PID 功能塊即可。圖49為系統(tǒng)接線原理圖，圖410為控制程序流程圖。在S7 系列 PLC 的CPU 中, 有兩種不同的程序總被執(zhí)行 : 操作系統(tǒng)和用戶程序。Step 7 的用戶程序允許線性編程和結(jié)構(gòu)化編程。圖4 11即是結(jié)構(gòu)化編程的簡單示意圖, 圖中FB1, FC1 在OBl 中直接調(diào)用, FB1 中又調(diào)用FC2。 操作系統(tǒng) OB1FB1FC1SFBSFCFC2FB1 其他 OB 圖4－11 結(jié)構(gòu)化編程 結(jié)構(gòu)化編程可以對單個的程序部分進行標準化, 簡化程序組織, 使程序修改更容易, 大規(guī)模的程序更易于被理解。Inputdelay39。人機界面（HMI Human Machine Interface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點，正好滿足這種需求而得到廣泛的應用。這種控制系統(tǒng)充分利用了計算機和 PLC 的特點,實現(xiàn)了優(yōu)勢互補,得到了廣泛應用。組態(tài)王圖形界面開發(fā)功能使用方便，對 I/O 設(shè)備廣泛支持。 工程瀏覽器：工程瀏覽器是一個工程開發(fā)設(shè)計工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動畫鏈接、命令語言以及設(shè)定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”最核心的部分，是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。用戶可以根據(jù)工程的需要任意改變報表的外觀。Excel 是 Windows 下最為流行的電子表格程序，功能非常強大。 組態(tài)王開發(fā)如表 51 所示為控制系統(tǒng)接線表 表 51 控制系統(tǒng)接線表測量或控制量 測量或控制量標號 使用 PLC 端口 使用智能儀表端口下水箱液位 LT3 AI0 AI0電動調(diào)節(jié)閥 QSVP16K AO0 AO0熟悉單容水箱的工作原理以后就可以確定在組態(tài)王中的變量，由于我們控制的主要的是單容水箱中的液位，所以水箱液位就可以確定一個變量，設(shè)為I/O 實型。這些變量均是在組態(tài)王的工程瀏覽器中的數(shù)據(jù)字典中定義的,如圖 51 所示的液位變量定義。雙擊桌面圖標，打開工程管理器，建立工程，并設(shè)置好工程保存路徑等。如圖 53 所示。如圖 55 所示。 圖 57 開始按鈕動畫連接如圖 58 所示，為水箱反應器的動畫連接窗口。if(menuindex==1)showpicture(歷史曲線)。 h 10 t/min0 1 3 5 7 9 圖 62 液位曲線圖第七章 結(jié)論在智能儀表、西門子工控產(chǎn)品 PLC 和組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上，我們成功設(shè)計出穩(wěn)定可靠的液位控制系統(tǒng)?；谥悄軆x表、PLC 與 HMI 組成的液位控制系統(tǒng)具有抗干。整個液位控制系統(tǒng)運行效果達到了我們的預期目標，由此證明我們的設(shè)計方案是可行的。第六章 系統(tǒng)運行結(jié)果連接好實驗裝置，接通實驗裝置的電源，然后在上位機中打開組態(tài)王組態(tài)環(huán)境，打開“單容水箱液位控制系統(tǒng)”工程，然后進入運行環(huán)境，進入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。42 圖 59 報警設(shè)置菜單設(shè)置：雙擊圖標出現(xiàn)菜單定義窗口，如圖 510 所示設(shè)置。 （a）實時曲線界面40 （b）歷史曲線界面 （c）報警界面設(shè)計 圖 56 其他界面的簡單設(shè)計（4）命令定義41在開發(fā)的界面中雙擊所需設(shè)置命令的反應器或按鈕，會出現(xiàn)動畫連接彈出窗口，在窗口中對該部分可進行設(shè)置命令。具體創(chuàng)建方法如下：雙擊新建圖標，在彈出的窗口中輸入新畫面的名稱以及其他的信息，如圖54 所示。其中單容水箱液位控制系統(tǒng)為我們所建立的工程。由于創(chuàng)建方法基本相同，故這里不再詳細介紹了。可根據(jù)實際情況添加控制變量。操作者可以充分利用 Excel 的功能以不同方34式對歷史數(shù)據(jù)進行分析，繪制圖表并打印輸出。例如：日報表的組態(tài)只需用戶選擇需要的變量和每個變量的收集間隔時間。在定義數(shù)據(jù)庫變量時，只要