基于智能儀表的串聯(lián)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

串聯(lián)雙容水箱在工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用非常廣泛。在串聯(lián)雙容水箱水位的控制中，進(jìn)水首先進(jìn)人第一個(gè)水箱，然后通過(guò)第二個(gè)水箱流出，與一個(gè)水箱相比，由于增加了一個(gè)水箱，使得被控量的響應(yīng)在時(shí)間上更落后一步，即存在容積延遲，從而導(dǎo)致該過(guò)程的難以控制。串級(jí)控制是改善調(diào)節(jié)過(guò)程動(dòng)態(tài)性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系統(tǒng)的容積延遲。采用兩步整定法，通過(guò)MCGS組態(tài)軟件對(duì)整定過(guò)程及曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，直至達(dá)到主、副回路的最佳整定參數(shù)。

2 串聯(lián)雙容水箱系統(tǒng)的流程圖

工藝流程如圖1所示。

圖1中，采用水泵作為輸送源，把儲(chǔ)水槽中的水抽到高位水箱，通過(guò)電動(dòng)凋節(jié)閥的作用，可以調(diào)節(jié)進(jìn)水量，再通過(guò)手動(dòng)閥可以將水從高位水箱送人低位水箱，使低位水箱的液位保持在一定的高度。在整個(gè)工作過(guò)程中，均有相應(yīng)的儀表對(duì)高位水箱和低位水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)和控制。

3 控制系統(tǒng)的控制要求及實(shí)現(xiàn)

3．1 串聯(lián)雙容水箱液位的控制要求

根據(jù)工藝要求，為了保證控制精度，系統(tǒng)以低位水箱液位為主調(diào)節(jié)參數(shù)，高位水箱液位為副調(diào)節(jié)參數(shù)，構(gòu)成串聯(lián)雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)。低位水箱的液位傳感器檢測(cè)的液位信號(hào)與給定液位值進(jìn)行比較后送人主調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算后，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，與高位水箱的液位傳感器檢測(cè)到的液位信號(hào)進(jìn)行比較后送人副調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算后．其輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制進(jìn)水流量的大小，從而控制水箱的液位口。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3．2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)工藝要求，考慮到系統(tǒng)中處理的主要是液位、流量等模擬量信號(hào)，所以采用智能儀表AI808實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理和整個(gè)系統(tǒng)的控制；采用組態(tài)軟件MCGS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行顯示和監(jiān)控。如圖2所示。

3．2．1 信號(hào)的采集及控制

智能儀表AI808采用先進(jìn)的微電腦芯片及技術(shù)，減小了體積，并提高了可靠性及抗干擾性能。儀表的測(cè)量精度為0．2級(jí)，具備AC85～265V寬范圍輸入的自由電源，備有多種安裝尺寸，輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)及自校準(zhǔn)技術(shù)，測(cè)量精確穩(wěn)定，消除了溫漂和時(shí)漂引起的測(cè)量誤差。

可以設(shè)置多種報(bào)警方式。儀表接熱電阻輸入時(shí)，采用三線制接線，消除了引線帶來(lái)的誤差；接熱電偶輸入時(shí)，儀表內(nèi)部帶有冷端補(bǔ)償部件；接電壓／電流輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)顯示的物理量程可任意設(shè)置。適合于溫度、壓力、流量、液位、濕度等的精確控制，具有控制、人工智能調(diào)節(jié)、報(bào)警、變送、通訊等功能，同時(shí)還有手動(dòng)調(diào)節(jié)、手動(dòng)自整定、位置比例輸出等，非常適合于液位的串級(jí)控制。由低位壓力傳感器檢測(cè)到的低位水箱壓力信號(hào)經(jīng)液位變送器變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)后送入主調(diào)節(jié)器AI808（1）中，與液位給定值進(jìn)行比較，經(jīng)PID運(yùn)算后，其輸出作為副調(diào)節(jié)器AI808（2）的給定值，其值與高位水箱壓力傳感器檢測(cè)到的高位水箱實(shí)際信號(hào)（同樣也要經(jīng)過(guò)液位變送器變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)）進(jìn)行比較，經(jīng)PID運(yùn)算后，其輸出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥使閥門開(kāi)大或關(guān)小，從而控制低位水箱的液位在其精度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。各儀表的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3．2．2 上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件

本系統(tǒng)采用北京昆侖公司的MCGS5．5工業(yè)控制組態(tài)軟件，通過(guò)RS232／RS485轉(zhuǎn)換器使PC機(jī)與智能儀表AI808進(jìn)行通信。MCGS5．5組態(tài)軟件能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、工藝過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、趨勢(shì)曲線等功能。

4 控制系統(tǒng)的調(diào)試

為了滿足控制系統(tǒng)的精度要求，采用兩步整定法，先整定副環(huán)，按4：l衰減曲線法得到δs1=83，Ts1=40s，用同樣的方法再整定主環(huán)，得到δs2=6．5，Ts2=30s，從而得到主調(diào)節(jié)器的參數(shù)和副調(diào)節(jié)器的參數(shù)分別為：δ1=100，T11=20s，δ2=5，T12=10s，TD2=3s，將它們投入系統(tǒng)運(yùn)行可得到如圖3所示的實(shí)時(shí)控制曲線。

5 結(jié)束語(yǔ)

作者所采用的串級(jí)控制方案很好地克服了雙容對(duì)象的容量延遲對(duì)液位控制的不利影響，取得了較好的控制效果。通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)界面的設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和控制狀態(tài)更直觀。目前，控制系統(tǒng)已調(diào)試完畢投入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。