液位控制系统

基于智能仪表的串联双容水箱液位控制系统

（青海大学化工学院 2009年10月22日魏国强邮编：810016 关键字：智能仪表液位控制串联双容水箱）

中文摘要：本文提出了一种利用智能仪表AI808对串联双容水箱液位

进行串级控制，以MCGS组态软件实现上位机对现场进行实时组态、

监控的方法。

1.本题目设计的目的与意义

1.1本题目设计的目的

串联双容水箱在工业过程控制中应用非常广泛。在串联双容水

箱水位的控制中，进水首先进入第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时

间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。本

系统就是为解决这种缺陷而设计。

1.2本题目设计的意义

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。采用两步整定法，通过MCGS

组态软件对整定过程及曲线进行实时监控，直至达到主、副回路的最

佳整定参数。

2.液位控制系统在我国的发展现状和未来

2.1液位控制系统在我国的发展现状

随着生产水平和科学技术的不断发展,现代控制系统的规模日

趋大型化、复杂化,对设备和被控系统安全性、可靠性和有效性的要

求也越来越高。为了确保工业生产过程高效、安全的进行,保证并提

高产品的质量,对生产过程进行在线监测,及时准确地把握生产运行状况,已成为目前过程控制领域的一个研究热点。近几十年来，液位控制系统已被广泛使用，在其研究和发展上也已趋于完备。在轻工行业中，液位控制的应用非常普遍，从简单的浮球液位开关、非接触式的超声波液位检测一直到高精度的同位素液位检测系统到处都可以见到他们的身影。而控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物上。而且液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的元件。凡举蓄水池,污水处理场等都需要液位元的控制.如果能通过一定的系统来自动维持液位的高度那么操作人员便可轻易地在操作时获知真个设备的储水状况,如此不但工作人员工作的危险性,同时更提升了工作的效率及简便性.基于智能仪表的串联双容水箱液位控制系统正是具有这种功能。

2.2液位控制系统的未来

在构建液位控制系统的过程中，我们得知实际操作的变异性存在其中，因此如何分析、调整及改良便是我们日后所要着重的要点。而在完成传统的PID操作控制系统后，未来我们更将利用Genetic Algorithms 找出最好的参数并建构在液位控制系统。且比较加入智能型控制后的系统与传统 PID是否会有性能上的差异。近年来液位控制系统取得了很大进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位仪、雷达液位仪、光电液位开关等，这些控制器利用无线电波的折射及反射原理。光线在两种介质的分接口将产生反射或折射现象。当被测液体处于高位时则被测液体与光电开关形成一种分界面，当被测液体处于低位时，则空气与光电开关形成另一种分界面。这两种分

接口使光电开关内部光接受晶体所吸收的反射光强度不同，即对应两种不同的开关状态，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。

3.液位控制系统采用的技术路线及主要的工作原理

3.1系统流程图

3.1.1 工艺流程图

3.1.2 方块流程图

图中采用水泵作为输送源，把储水槽中的水抽到高位水箱，通过电动凋节阀的作用，可以调节进水量，再通过手动阀可以将水从高位水箱送入低位水箱，使低位水箱的液位保持在一定的高度。在整个工作过程中，均有相应的仪表对高位水箱和低位水箱的液位进行检测和控制。

3.2 串联双容水箱液位的控制原理

根据工艺要求，为了保证控制精度，系统以低位水箱液位为主调

节参数，高位水箱液位为副调节参数，构成串联双容水箱串级控制系统。低位水箱的液位传感器检测的液位信号与给定液位值进行比较后送人主调节器，经PID运算后，其输出作为副调节器的给定值，与高位水箱的液位传感器检测到的液位信号进行比较后送人副调节器，经PID运算后，其输出控制电动调节阀的开度，控制进水流量的大小，从而控制水箱的液位口。系统的结构如下图所示。

3.2.1控制系统的结构及实现

根据工艺要求，考虑到系统中处理的主要是液位、流量等模拟量信号，所以采用智能仪表AI808实现对信号的处理和整个系统的控制；采用组态软件MCGS对系统进行显示和监控。如下图所示。

3.2.2 信号的采集及控制

智能仪表AI808采用先进的微电脑芯片及技术，减小了体积，并提高了可靠性及抗干扰性能。仪表的测量精度为0.2级，具备AC85～265V宽范围输入的自由电源，备有多种安装尺寸，输入采用数字校正系统及自校准技术，测量精确稳定，消除了温漂和时漂引起的测量误差。可以设臵多种报警方式。仪表接热电阻输入时，采用三线制接

线，消除了引线带来的误差；接热电偶输入时，仪表内部带有冷端补偿部件；接电压／电流输入时，对应显示的物理量程可任意设臵。适合于温度、压力、流量、液位、湿度等的精确控制，具有控制、人工智能调节、报警、变送、通讯等功能，同时还有手动调节、手动自整定、位臵比例输出等，非常适合于液位的串级控制。由低位压力传感器检测到的低位水箱压力信号经液位变送器变为标准信号后送入主调节器AI808（1）中，与液位给定值进行比较，经PID运算后，其输出作为副调节器AI808（2）的给定值，其值与高位水箱压力传感器检测到的高位水箱实际信号（同样也要经过液位变送器变为标准信号）进行比较，经PID运算后，其输出驱动电动调节阀使阀门开大或关小，从而控制低位水箱的液位在其精度范围内调节。各仪表的参数设臵。如下表所示：

表1 串联双容水箱液位控制仪器

3.2.3 上位机监控组态软件

本系统采用北京昆仑公司的MCGS5.5工业控制组态软件，通过RS232／RS485转换器使PC机与智能仪表AI808进行通信。MCGS5.5组态软件能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、工艺过程实时监控、趋势曲线等功能。

4.液位控制系统的重点及难点

为了满足控制系统的精度要求，采用两步整定法，先整定副环，按4：l衰减曲线法得到δs1=83，Ts1=40s，用同样的方法再整定主环，得到δs2=6.5，Ts2=30s，从而得到主调节器的参数和副调节器的参数分别为：δ1=100，T11=20s，δ2=5，T12=10s，TD2=3s，将它们投入系统运行可得到如下图所示的实时控制曲线。

5.结束语

本系统所采用的串级控制方案很好地克服了双容对象的容量延迟对液位控制的不利影响，取得了较好的控制效果。通过上位机监控组态界面的设计，使整个系统的运行和控制状态更直观。

6.设计时间分配

6.1第一周：查找有关资料