过程控制―上水箱液位与进水流量串级控制系统.

目录

1 过程控制系统简介 (2)

1.1 系统组成 (2)

1.2 电源控制台 (3)

1.3 总线控制柜 (3)

2 实验原理 (4)

2.1 单容水箱设备工作原理 (4)

2.2 双容水箱设备工作原理 (7)

2.3 系统工作原理 (9)

2.4 控制系统流程图 (9)

3实验结果分析 (11)

3.1 实验过程 (11)

3.2实验分析 (12)

3.2.1单容水箱实验结果分析 . (12)

3.2.2双容水箱实验结果分析 . (14)

3.2.3单容双容水箱比较 . (16)

3.3实验结论 (17)

总结 . (18)

参考文献 (19)

1 过程控制系统简介

1.1 系统组成

本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V 交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

1、被控对象

水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

2、检测装置

压力传感器、变送器：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。

3、执行机构

调节阀：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

变频器：本装置采用SIEMENS 带PROFIBUS-DP 通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V ，输出为三相AC220V 。

水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P ，流量为32升/分，扬程为8米，

功率为180W 。

可移相SCR 调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA 标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。

4、控制器

控制器采用SIEMENS 公司的S7300 CPU，型号为315-2DP ，本CPU 既具有能进行多点通讯功能的MPI 接口，又具有PROFIBUS-DP 通讯功能的DP 通讯接口。

5、空气压缩机

1.2 电源控制台

电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

1.3 总线控制柜

总线控制柜有以下几部分构成：

(1 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V 转换为DC24V ，给主控单元和DP 从站供电。

(2 控制站：控制站主要包含CPU 、以太网通讯模块、DP 链路、分布式I/O DP从站和变频器DP 从站构成。

(3 温度变送器： PA 温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP 链路。

2 实验原理

2.1 单容水箱设备工作原理

单容实验系统结构图和方框图如图1所示。被控量为中水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI 或PID 控制。

图2.1 单容水箱图 (a结构图 (b方框图

所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。

一、自衡过程的建摸

所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。

图2-1所示为一个单容液位被控过程，其流入量Q 1，改变阀1的开度可以改变Q 1的大小。其流出量为Q 2，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变Q 2。液位h 的变化

反映了Q 1与Q 2不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程. 若Q 1作为被控过程的输入变量

,h

为其输出变量, 则该被控过程的数学模型就是h 与Q 1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有

Q 1-Q 2=A

将公式（2-1）表示成增量式为 dh dt (2-1

∆Q 1-∆Q 2=A d ∆h

dt (2-2

在静态时，Q 1=Q 2；当Q 1发生变化时，液位h 随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，Q 2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流

量之间为非线形关系[2]。但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为Q 2与h 成正比关系，而与阀2的阻力R 2成反比。

为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量Q 2。消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。

2

（a ）

X

0 t 0

图2-2液位被控过程及其阶跃响应

单容液位过程的传递函数为：