1 设计目的

（1）加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。

（2）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。

2 控制要求

（1）能根据具体对象及控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。

（2）能够根据过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用模块。

（3）能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）能运用组态软件，正确设计过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。

3 系统结构设计

3.1 控制方案

串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，它是根据系统结构命名的。一、基本原理：它是由两个或者两个以上的控制器串联而成的，一个控制器的输出是另一个控制器的的给定值。二、结构：整个系统包括两个控制回路，即主回路和副回路。主回路有主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控制器、控制阀、副对象和副变送器构成。三、特点：与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以有以下特点(1)、对于进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力。

(2)、改善主控制器的广义对象的特性。(3)、对符合和操作条件的变化有一定的自适应能力。(4)、副回路可以按照主回路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。

四、应用场合：(1)、用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰。(2)、用于时滞较大的对象。

(3)、用于容量之后较大的对象。(4)、用于克服对象的非线性。

本控制系统中，被控参量有两个，上水箱的液位和下水箱的液位，这两个参量具有相关关系。上水箱的液位可以影响下水箱的液位，根据上下水箱的液位相关关系，故系统采用的串级控制。其中，内环控制上水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统远行使下水箱的液位跟随给定值，系统框图如下图3.1所示

图3.1双容液位单回路控制系统框图

3.2 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，内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的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。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中技术最成熟、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。

3.3 过程仪表及过程模块

本设计中共用到了以下过程仪表和过程模块：

3.3.1 液位变送器

液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ—IIIX型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。在零压力下调整零电位器。使输出电流为4mA

，在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。液位传感器用来上水位箱和中水位箱的水位进行

检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，精度为0.5级，二线制4—20mA标准信号输出。

图3.2 液位传感器

图3.3压力传感器

3.3.2 电动调节阀

调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，

所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，PS系列电子式执行机构可以用于对管道的阀门和风门的调节及开与关的控制，其主要特点如下：

一体化结构设计，位置变送器和伺服放大器作为两个独立部件均可直接装入执行机构内部，直接接受4—20mA的控制信号，输出4—20mA或者1—5VDC的阀位反馈信号，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。功能模块式结构设计，通过不同可选择功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同的应用要求。

结构简单，体积小巧，重量轻，便于安装和维护，机械零件全部采用CNC加工部件，工艺精湛。传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高，噪声低，寿命长和稳定可靠，无需再加油等特点。具有多种运行速度，可以满足各种控制系统的要求，以保证系统的快速响应及稳定性。

PSL系列同阀门的连接采用柔软盘黄连接，可避免阀杆与输出轴不同轴给阀门带来的影响，可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断，防止泄露。PSQ系列有转矩开关保护，可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步电机，运行平稳，具有体积小、转矩大、抗堵转、控制精度高等特点。可设置分段调节，即由一台调节器输出的双时间比例信号控制两台执行机构（4—12mA对应PSL1的全开全闭，12—20mA对应PSL2的全开全闭）阀位反馈元件全密封高精度多圈电位器，具有体积小、精度高、死区小、使用寿命长等特点。行程可调，便于与阀门连接。全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠，使用时间长。

电器部件布线严谨并传动部件完全隔离，提高执行机构运行性的可靠。

图3.4 电动调节阀

3.3.3 变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。

三菱FR-S520变频器，4-20控制输入信号，可对流量或者压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或者三相供电，频率可高达200HZ。