苏州市职业大学项目设计说明书
项目名称储罐液位-流量串级控制系统的
设计与实现
学生姓名颜泽凯
学生学号127301436
班级名称12电气4
项目日期2014/5/27
指导老师吴晓帆
一、引言
1.1 项目名称和意义
储罐液位与流量的串级控制：在生产过程中，储罐通常是中间存储和缓冲单元，在储罐中存储一定体积的物料，一旦上游生产过程出现局部停车，由于储罐中还有物料，在一定时间内不会影响下游生产。

在规定时间内使得上游恢复生产，不会对生产造成过多经济损失。

另外，对于塔类容器，其塔釜液位的稳定直接影响塔器的工作效果。

1.2 项目目标
1.2.1 巩固串级控制系统的设计过程
1.2.2 巩固串级控制系统的组态、投运和控制器参数整定
1.3 项目要求
1.3.1 稳定性：对恒值系统要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。

对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。

稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。

稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。

1.3.2 快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。

稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。

1.3.3 准确性：用稳态误差来表示。

如果在参考书如信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。

显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。

1.4 项目内容
1.4.1工艺分析及方案确定
1.4.
2.储罐液位与流量的串级控制方案设计
1.4.3控制方案实施（组态编程）
1.4.4运行调试（系统投运与参数整定）
1.4.5运行结果分析
二、工艺分析及方案确定
2.1 工艺流程及对象特性分析
P1101
图2-1 工艺流程图
2.2控制方案确定
主对象储罐液位滞后小，响应快，为了保证主变量无余差，主控制器选用比例积分控制器。

副对象储罐入口流量，为了保证其快速跟踪主控制器的输出，选用比例控制器。

不是温度选择PIC，如果是温度选PID。

2.3原理分析
水箱液位串级控制系统，它是由主控、副控两会路组成，主控回路的调节器称主调节器，控制对象为水箱，水箱的液位为系统的主控制量，副控制回路中的调节器称副调节器，流入水箱的流量作为副控制量，主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出直接调节电磁阀的转速，改变进入水箱的泵的流量，从而达到控制水箱液位的目的；在该控制系统中，由于水箱存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。

串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。

采用一步整定法，通过组态软件对整定过程及液位的平衡过程进行实时监控，直至达到主、副回路的最佳整定参数。

三．储罐液位与流量的串级控制方案设计
3.1串级控制系统结构原理
3.1.1控制流程图
图3-1 控制流程图
3.1.2方块原理图
3.2仪表作用方式的选择
3.2.1控制阀开闭形式及控制器正反作用方式选择
(1)控制阀开闭形式选择
气开阀：随着压力信号的增大，阀门逐渐开大，无信号时，阀门处于关闭状态。

气闭阀：随着压力信号的增大，阀门逐渐关小，无信号时，阀门处于全开的状态。

气开、气闭的选择原则：主要从工艺生产上的安全要求出发。

当输入气压信号中断时，应保证设备和操作人员的安全。

所以控制阀应该选择气开型
(2)控制器正反作用方式确定
根据系统必须构成负反馈的原则以及串级控制系统先副后主的判定顺序可知：FIC1106为反作用，LIC1101为反作用。

3.2.2控制规律选择
PID控制规律的选择
主对象储罐液位滞后小，响应快，为了保证主变量无余差，主控制器选用比例积分控制器。

副对象储罐入口流量，为了保证其快速跟踪主控制器的输出，选用比例控制器
四.控制方案实施
4.1 打开工程
在没有打开任何工程的前提下，在SMPT-1000监控环境中打开储罐工程09_TankLI1101 CascadeControl。

4.2阀门设置
点击工具栏中的V按钮，打开阀门/挡板控制配置对话框，将阀门FV1106设为内控状态。

4.3 系统组态
（1）点击工具栏中的按钮，将当前窗口切换到控制系统组态窗口，进行控制系统组态。

（2）从控制模块库中拖入两个数据采集点，采集储罐液位LI1101和入口流量FI1106。

（3）从控制模块库中拖入两个PID控制器模块。

（4）从控制模块库拖入一个执行单元，阀门位号FV1106，数据输出类型为绝对量。

4.4 添加曲线
连接各个模块，组成储罐液位-储罐入口流量串级控制系统。

在趋势曲线画面中添加LI1101、FI1106、FV1106、FV1101的实时曲线。

4.5 系统运行
将阀门FV1101固定开度为30，点击工具栏中的运行按钮，让储罐工程运行起来。

五.运行调试
5.1系统投运与运行
5.1.1冷态开车
（1）检查各阀门是否设置正确，
（2）编写控制回路，
（3）确保各个阀门都处于关闭后开车运行至少3秒以上，
（4）在副控制器中，手动状态下将“输出OP”设成50，确定后等FI1106稳定（4.9<=FI1106<=5.1）3秒以上，
（5）把副控制器设成“自动”，把“SP”设成6以及设置PID参数，确定后观察曲线是否出现衰减震荡。

5.1.2升液位
（1）当LI1101>=55后，等3秒以上，暂停运行，将出口泵打开，FV1101设成45，
（2）把主控制器投自动，“SP”设60，设置好PID参数，
（3）把副控制器的比例减小50%后投串级，确定后继续运行。

5.1.3LIC1101
观察液位是否能稳定在设定值，改变PID参数。

5.1.4加干扰
液位稳定1分钟后，把FV1101设成20，观察液位能否稳定，改变PID参数调节。

5.1.5安全与稳定要求
确保当液位大于50后不能低于15，不能高于85。

5.2控制器参数整定
5.2.1工程整定方法
在系统稳定的前提下，将主控制器LIC1101的状态设为自动。

通过经验按照单回路控制系统PID参数整定方法直接整定主控制器参数。

记录整定好的控制器参数和LI1101、FI1106的响应曲线。

将LI1101设定值从50%变为60%，记录LI1101的响应曲线。

待LI1101稳定后，将LI1101设定值从60%再变为50%，记录LI1101的响应曲线。

在FIC1106控制器配置对话框中，将控制器设为手动状态。

将控制器输出OP值修改为55，也就是将FV1106的开度突变为55。

经过10s左右后，将控制器状态设置为自动状态。

观察在FV1106自身受扰动的情况下LI1101曲线的变化趋势。

待系统稳定之后，将FV1101开度设置为40，观察LI1101曲线的变化趋势。

当LI1101稳定后，再将FV1101开度调回到30，等待LI1101稳定。

六.运行结果分析
第七章总结
随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,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,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。

本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。

系统中由液位PID 控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。

涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。

流量控制是内环，液位控制是外环。

制作相对应的控制画面，让画面的个按钮与变量相对应，对系统的个参数进行整定，通过不断的调试，使系统尽可能的保持在要求的位置。

系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。

参考文献
王爱广，王琦主编.过程控制技术.北京:化学工业出版社.2005 李友善主编.自动控制原理.北京：国防工业出版社.1980
王树青主编.工业过程控制过程.北京：化学工业出版社.1999。