基于组态软件的串级液位流量控制系统1概述1.1本课程设计课题研究的意义随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。

在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。

在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。

串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。

因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法。

本课程设计课题讨论了一个简单的液位流量串级控制系统的设计方法及步骤。

液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本课程设计课题具有较大的现实意义。

1.2 设计的目的通过课程设计，加深对所学传感器技术、自动控制原理、转换技术以及过程控制的基本原理等基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础。

1.3 设计要求（1）根据液位-流量串级过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。

（2）根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。

（3）根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。

（4）运用组态软件，正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。

2 系统控制方案2.1 控制系统在实际应用中的重要意义单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。

在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。

但有些调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了。

另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。

为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。

液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。

液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。

而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。

一般情况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小，将它纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的控制。

2.2控制方案在本系统中被控参量有两个，上水箱液位和管道流量，这两个参量具有相关联系，流量的大小可以影响上水箱液位，根据流量与液位的关系，故系统采用串级控制，环为流量控制，外环为液位控制。

环与外环的控制算法均采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。

外环液位控制器的输出作为环流量控制器的设定值，流量控制器的输出来控制调节阀的大小，来控制管道流量的大小，进而控制上水箱液位。

2.3控制规律本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为环的输入，环跟随外环的输出。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。

其主要特点是：(1)技术成熟；PID调节是连续系统理论术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；(2)不需求出系统的数学模型；(3)控制效果好。

虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。

2.4 系统结构设计整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。

在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT 两个组成，被控对象为流量PV。

结构组成如下图2.2所示。

当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。

若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。

其过程控制系统图如图2.1所示。

过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。

本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图2.2图2.2 液位单回路控制系统框图2.5 控制系统的总体方框图及工作过程图2.3计算机控制上水箱液位和流量串级系统控制框图被控对象为图2.3中所示液位被控对象的工作原理、传递函数及理论推导如下：单容水箱如图2.1所示，Q i为入口流量，由调节阀开度μ加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。

被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。

现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。

显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程：dH dT =1F(F F−F F)(2.1)其中F F=F F F (2.2)F F=F√F（2.3）F为水箱的横截面积；F F是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k 是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k可视为常数。

液位的传递函数: F(F)F F(F)=2√F0F2F0FFF+1(2.4)3 过程仪表的选择3.1液位传感器液位传感器（静压液位计／液位变送器／液位传感器／水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA／１～５ＶＤＣ）。

它分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，侍服液位变送器等。

第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。

常见几种液位传感器的比较 1.雷达液位传感器原理：D=L−CT/2雷达液位传感器发射—反射—接收的工作模式。

雷达液位传感器的天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。

该类型传感器一般绝对误差在2mm左右，测量围一般是0.5m-20m，由于其非接触的测量原理相对磁尺来说对被测介质围就比较广，液体，固体（物位）都可以。

缺点主要是精度不够高，在短量程方面有暗区，由于电磁波不能受到干扰，安装时应避免障碍物，同时也应避免温度等因数对电磁波的影响。

另外在界面方面，特别是密度相差不是很大界面方面，远远不如磁尺方便准确。

2．超声波液位传感器原理与雷达液位传感器相同，只是相对雷达的电磁波，超声波液位传感器是利用空气的声纳原理，发射和接受的是一种超声波。

从性能上来说，超声波比雷达具有更稳定的性能。

3. 浮球式液位（界面）传感器此类传感器的工作基于浮子的浮力及磁性原理。

当浮子随着液位（界面）上下浮动，浮子永磁体的磁力作用于导管的干簧管，使相应高度的干簧管闭合，得到正比于液位的电压信号，经转换器转换成4~20mA.DC的标准信号。

磁浮子传感器最大的特点就是精度不高，某厂家产品的一组数据为：测量围L,当500<L>1000时，精度为1.5%，当L>1000时，精度为1.0%.测量围主要集中在4m以下。

相对来讲，在界面测量方面有很稳定的性能。

4. 磁翻板式液位计磁翻板式液位计是以磁性浮子为感应元件，并通过磁性浮子与显示色条中磁性体的耦合作用，反映被测液位或界面的测量仪表。

磁浮子式液位计和被测容器形成连通器，保证被测量容器与测量管体间的液位相等。

当液位计测量管中的浮子随被测液位变化时，浮子中的磁性体与显示条上显示色标中的磁性体作用，使其翻转，红色表示有液，白色表示无液，以达到就地准确显示液位的目的。

此类传感器具有显示直观醒目、不需电源，安装方便可靠，维护量小，维修费用低的优点，是玻璃管、玻璃板液位计的升级换代产品。

但测量精度不高，一般厂家标称的误差都在10mm到20mm之间。

如果需要把现场的数据远传还需要加一个相应数据远传变送器，如下图所示。

值得一提的是，由于该传感器中浮球与磁尺类似，所以该传感器能和磁尺配合使用。

这样，磁翻板就起到现场显示作用，而磁尺则起到变送远传的功能。

而且通过磁致伸缩原理将其转换成高精度的电信号，而且信号类型丰富。

而一般的远传变送器的原理是将开关信号转换为连续的模拟量的输出。

对于浮子和磁翻板两种传感器，在业对其两者的名称容易混淆，因为都是有一个磁性浮子，所以很多时候都被称之为磁浮子液位计，实际沟通时需要具体确认。

凡此两类传感器主要特点就是精度不高，同时由于磁性原理也需要在现场安装时注意一些干扰。

5. 电容式液位传感器原理：把一根涂有绝缘层的金属棒，插入装有导电介质的金属容器中，在金属棒和容器壁间形成电容，其物位变化量△H与电容变化量△CX关系如下：∆F F=5×F×F9FF(F2/F1)−F0式中：C0为容器液体放空时，金属棒对容器壁的分布电容ε为容器液体介电常数；H为液位高度；D2为绝缘套管的直径；F1为金属棒的直径当被测介质物位变化时，传感器电容量发生相应变化，电容量的变体∆F F 通过转换器转换成与物位成比例的直流标准信号。

此类传感器由于其原理决定，实际中根据被测介质的导电属性来选择各种不同的测量探头。

电容式原理的精度一般都能达到0.5%左右，测量围在0.2m--20m 之间。

由于电容原理的一些特殊性，相比磁尺来讲在稳定性方面还是有一定的距离。

6. 静压式液位传感器静压式液位计的两线制液位变送器由一个置毛细软管的特殊导气电缆、一个抗压接头和一个探头组成。

静压式液位计的探头构造是一个不锈钢筒芯，底部带有膜片，并由一个带孔的塑料外壳罩住。