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1Q ，改变阀1的开度可以改变1Q 的大小。其流出量为2Q ，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变2Q 。液位h 的变化

反映了1Q 与2Q 不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若1Q 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1Q 之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有

dt dh

A Q Q =-21 (2-1)

将公式（2-1）表示成增量式为

dt h

d A Q Q ∆=∆-∆21 (2-2)

在静态时，21Q Q =；当1Q 发生变化时，液位h 随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，2Q 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2Q 与h 成正比关系，而与阀2的阻力2R 成反比。

为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量2Q 。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。

（a ）

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：

X t 0 0

2