基于計算機(jī)的單容水箱液位控制系統(tǒng)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院測控專業(yè)畢業(yè)實習(xí)報告題目：基于計算機(jī)的單容水箱液位控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：學(xué)號：專業(yè)：測控技術(shù)與儀器班級：測控09-1班指導(dǎo)教師：李文濤教授引言工業(yè)自動化是機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程在不需要人工直接干預(yù)的情況下，按預(yù)期的目標(biāo)實現(xiàn)測量、操縱等信息處理和過程控制的統(tǒng)稱。自動化技術(shù)就是探索和研究實現(xiàn)自動化過程的方法和技術(shù)。它是涉及機(jī)械、微電子、計算機(jī)、機(jī)器視覺等技術(shù)領(lǐng)域的一門綜合性技術(shù)。工業(yè)革命是自動化技術(shù)的助產(chǎn)士。正是由于工業(yè)革命的需要，自動化技術(shù)才沖破了卵殼，得到了蓬勃開展。同時自動化技術(shù)也促進(jìn)了工業(yè)的進(jìn)步，如今自動化技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械制造、電力、建筑、交通運輸、信息技術(shù)等領(lǐng)域，成為提高勞動生產(chǎn)率的主要手段。本文介紹了組態(tài)王6.51軟件的組成及應(yīng)用,數(shù)據(jù)輸入PCI1710板卡與數(shù)據(jù)輸出PCI1720板卡、JYB-G型壓力變送器的計算機(jī)控制實驗裝置,此次設(shè)計采用增量型PI算法控制水箱液位，使水箱液位的高度穩(wěn)定在給定值。本文論述了基于組態(tài)王的單容水箱液位控制系統(tǒng)的原理，該設(shè)計由水箱、JYB-G型壓力變送器、研華PCI1710輸入與PCI1720輸出板卡、電動調(diào)節(jié)閥以及組態(tài)王6.51軟件組成的控制系統(tǒng)，進(jìn)行了單容水箱對象特性的測試，從而求得其數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB軟件進(jìn)行了控制系統(tǒng)的仿真及分析。本設(shè)計通過安裝在水箱底部的JYB-G型壓力變送器測量液位，PCI板卡接收來自壓力變送器的測量信號以及輸出送給調(diào)節(jié)器的控制信號，電動調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行器接收來自計算機(jī)的控制信號改變閥門的開度，改變進(jìn)水量。用組態(tài)軟件設(shè)計了一個很好的人機(jī)交互界面，通過該界面，我們可以實現(xiàn)啟動、監(jiān)控、設(shè)置PID參數(shù)、報警、歷史及實時曲線的讀取。運用計算機(jī)實現(xiàn)工業(yè)自動的雖然本錢較高，但可以大大減少運用員工的本錢以及對員工產(chǎn)生的意外事故。綜上所述，本系統(tǒng)可以應(yīng)用與實際生產(chǎn)中。雖然有些地方還不夠完善，但我們會繼續(xù)努力，在日后將其完善。單容水箱液位控制系統(tǒng)概述1.單容水箱液位控制系統(tǒng)的組成基于計算機(jī)的單容水箱液位的控制系統(tǒng)是一個簡單的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水箱、JYB-G型壓力變送器、研華PCI1710輸入與PCI1720輸出板卡、電動調(diào)節(jié)閥以及計算機(jī)等組成其結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。圖1.1單容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.單容水箱液位控制系統(tǒng)原理單容水箱控制系統(tǒng)中閥門3保持一個開度不變，當(dāng)水箱液位實際值PV小于給定值SV時，通過計算機(jī)進(jìn)行PID運算之后，把控制信號送給電動執(zhí)行器，使其閥門開度增大，從而使水箱液位上升；當(dāng)水箱液位實際值PV大于給定值SV時，通過計算機(jī)進(jìn)行PID運算之后，把控制信號送給電動執(zhí)行器，使其閥門開度減小，從而使水箱液位下降；當(dāng)水箱液位實際值PV等于給定值SV時，那么執(zhí)行器保持一定的閥門開度不變，此時進(jìn)水速度等于出水速度。單容水箱控制系統(tǒng)采用典型的簡單負(fù)反響控制回路,通過壓力變送器將水箱液位轉(zhuǎn)換為電壓信號〔1—5V〕，我們串聯(lián)一個精密的250Ω精密電阻將〔1—5V〕電壓信號轉(zhuǎn)換成(4—20mA)電流信號傳給PCI1710輸入板卡,經(jīng)采集卡A/D轉(zhuǎn)換后送入PC機(jī)中，與給定值進(jìn)行比擬得出偏差值,這些偏差值經(jīng)過PID算法處理后得到一個輸出指令，PC機(jī)輸出的控制信號給PCI1720輸出采集卡，經(jīng)過D/A復(fù)原成電壓信號，將電壓信號經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換，通過電流信號調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的閥門開度,從而改變進(jìn)水流量,以實現(xiàn)對水箱液位的控制。其數(shù)據(jù)采集框圖與工作原理框圖如圖1.2和1.3所示。圖1.2數(shù)據(jù)采集框圖圖1.3工作原理框圖第二章硬件介紹2.1變送器選型測量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)經(jīng)過檢測、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號通常采用4～20mADC、1～5VDC的電流〔電壓〕信號，或20～100kPa的氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號是指數(shù)字信號。因在水箱液位控制系統(tǒng)中測量的是水箱液位，所以實驗室選用的是壓力液位變送器。其特點是小巧精致，安裝簡便，采用國際先進(jìn)技術(shù)進(jìn)口傳感器，適用于工業(yè)現(xiàn)場過程控制參數(shù)壓力、液位的測量。如圖2.1所示。2.2執(zhí)行器選型執(zhí)行器接受來自控制器輸出的控制信號，進(jìn)而實現(xiàn)對操縱變量的改變，從而使被控變量向設(shè)定值靠攏。本設(shè)計所使用的執(zhí)行器為控制閥〔即調(diào)節(jié)閥〕?？刂崎y接收來自控制器輸出的控制信號，通過改變閥的開度到達(dá)控制流量的目的?？刂崎y包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩局部。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制信號產(chǎn)生推力或位移的裝置；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號改變能量或物料輸送量的裝置。本設(shè)計的執(zhí)行器選用電動調(diào)節(jié)閥。如圖2.2所示。圖2.1壓力變送器圖2.2電動調(diào)節(jié)器2.3變頻器的選型變頻器是變頻技術(shù)和微電子技術(shù)的應(yīng)用，通過改變電機(jī)的電源頻率來控制交流電機(jī)控制設(shè)備的電源。變頻器主要由整流〔交流，直流〕，濾波，再次整流〔直流交流〕，制動單元，驅(qū)動單元，檢測單元，和微處理單元等組成。通過改變電源頻率到達(dá)改變電源電壓的目的，從而實現(xiàn)速度控制，節(jié)約能源的目的，他們需要的電源電壓根據(jù)電機(jī)的實際需要;此外，該變頻器也具有保護(hù)功能，如過流，過，過載，過壓等。由于工業(yè)自動化的不斷提高，驅(qū)動器也已經(jīng)非常廣泛的被應(yīng)用。本方案選用的變頻器是三菱通用變頻器FR-D700系列，將變頻器調(diào)為內(nèi)控狀態(tài)，通過變頻器控制水泵抽水。此變頻器的作用是通過控制電機(jī)的電源頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，從而到達(dá)控制電機(jī)速度的目的[23]。其操作步驟如下：在變頻器內(nèi)控狀態(tài)(即A:接通電源時顯示監(jiān)視器畫面；B：同時按住鍵和MODE鍵0.5秒以上顯示79--；C：旋轉(zhuǎn)黑色旋鈕，將設(shè)定值設(shè)為79-4；D:按鍵一次再按MODE鍵顯示P后,旋轉(zhuǎn)黑色旋鈕設(shè)為1，再按SET,顯示頻率后，再旋轉(zhuǎn)黑色旋鈕設(shè)為50后再按兩次MODE。其效果圖如下列圖2.3所示。圖2.3變頻器效果圖2.4輸入輸出板卡選型PCI1710輸入板卡PCI-1710/1710HG是一款PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡。其先進(jìn)的電路設(shè)計使得它具有更高的質(zhì)量和更多的功能。這其中包含五種最常用的測量和控制功能：12位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出及計數(shù)器/定時器功能。特點：1.16路單端或8路差分模擬量輸入,或組合方式輸入；2.12位A/D轉(zhuǎn)換器,采樣數(shù)率可達(dá)100KHz；3.每個通道的增益可編程；4.單端或差分輸入自由組合；5.卡上4K采樣FIFO緩沖器；6.2路12位模擬量輸出；7.16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出；8.可編程觸發(fā)器/定時器；9.板卡ID10.PCI總線數(shù)據(jù)傳輸圖2.4PCI1710輸入板卡圖2.5PCI1710輸入板卡引腳圖2.4.2PCI1720輸出板卡研華PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡，具有32路單端或16路差分模擬量輸入或單端、差分組合方式輸入，它帶有VDC隔離保護(hù)；采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100kHZ；板載4K采樣FIFO緩沖器；每個輸入通道的增益可編程。特點：4路12位D/A轉(zhuǎn)換輸出多種輸出范圍PCI總線和輸出之間2500VDC直流隔離系統(tǒng)重啟動后保存輸出設(shè)置和輸出值便于接線的DB-37接口圖2.6PCI1720輸出板卡引腳圖第三章軟件及程序設(shè)計3.1MCGS組態(tài)軟件簡介MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，通用監(jiān)控系統(tǒng))是一套用于快速構(gòu)造和生成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft〔各種32位Windows平臺上〕運行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，它充分利用了Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點，比以往使用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性，在自動化領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。組態(tài)王由工程瀏覽器、工程管理器和畫面運行系統(tǒng)三局部組成?！?〕工程瀏覽器。工程瀏覽器是工程開發(fā)設(shè)計工具，用于創(chuàng)立監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動畫鏈接、命令語言以及設(shè)定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具?！?〕工程管理器。工程管理器用于新工程的創(chuàng)立和已有工程的管理，對已有工程進(jìn)行搜索、添加、備份、恢復(fù)以及實限數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出功能?！?〕畫面運行系統(tǒng)。工程運行界面從采集設(shè)備中獲得通信數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設(shè)計顯示動態(tài)畫面，實現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。畫面運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能。組態(tài)軟件功能強(qiáng)大,操作簡單,易學(xué)易用。使用組態(tài)軟件能夠避開復(fù)雜的計算機(jī)軟、硬件問題,該設(shè)計結(jié)合儀表過程控制實驗系統(tǒng)設(shè)備的實際情況,制作了多個控制界面。主要完成通用工作站的數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)的顯示、報警、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線、報表輸出等事件，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠自動的完成監(jiān)控和報警，并且，隨時能夠打印各種報表，反映了控制現(xiàn)場的狀況，節(jié)省了人力，提高了效益。因此，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。3.2水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面分析工程中設(shè)備的采集及輸出通道與實時數(shù)據(jù)庫中定義的變量的對應(yīng)關(guān)系，然后建立工程，構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫。利用MCGS進(jìn)行組態(tài)建立一個應(yīng)用工程一般包括以下幾個過程：創(chuàng)立新工程；定義硬件設(shè)備并添加工程變量；制作圖形畫面并定義動畫鏈接；編寫命令語言；運行系統(tǒng)的配置，對運行系統(tǒng)、報警、歷史數(shù)據(jù)記錄、用戶等進(jìn)行設(shè)置；保存工程運行并調(diào)試。圖3.1水箱液位整體監(jiān)控畫面圖3.3基于PCI板卡及組態(tài)王的數(shù)據(jù)采集連線要正確，包括水箱和輸入輸出板卡的連線。輸入、輸出全選擇了0通道，差分式輸入引腳選擇PCI1710輸入板卡的68、34引腳；輸出選擇PCI1720輸出板卡的5、6引腳。3.4人機(jī)交互界面設(shè)計創(chuàng)立新工程建立新工程工程：在運行組態(tài)王程序時，彈出組態(tài)王工程管理器畫面，此時建立一個新工程，執(zhí)行以下的操作步驟：〔1〕在工程管理器中選擇菜單“文件/新建工程〞，彈出“新建工程向?qū)б粴g送使用本向?qū)Ж晫υ捒颉！?〕點擊“下一步〞，彈出“新建工程向?qū)Фx擇工程所在路徑〞對話框。從對話框中選擇或指定工程所在路徑，倘假設(shè)用戶需要更改工程路徑，請單擊“瀏覽〞按鈕；如果路徑或文件夾不存在，請選擇創(chuàng)立?！?〕點擊“下一步〞，彈出“新建工程向?qū)こ堂Q和描述〞對話框。往對話框中輸入工程名稱：水箱液位控制界面，自己可以根據(jù)自己的需求輸入工程名稱；在工程描述中輸入：模擬電壓輸入〔可寫可不寫〕，如下列圖3.2所示。圖2.2創(chuàng)立工程界面〔4〕點擊“完成〞，再點擊“是〞，將新建的工程設(shè)為組態(tài)王當(dāng)前工程，此時組態(tài)王工程管理器中出現(xiàn)新建的工程。制作圖形畫面按照實際工程的要求繪制監(jiān)控畫面，并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對象產(chǎn)生動態(tài)效果。選擇工程目錄區(qū)的畫面，雙擊新建后進(jìn)入組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)，如圖3.3所示：圖3.3組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)新畫面單容水箱液位控制，選擇畫面風(fēng)格“大小可變〞和“覆蓋式〞。單擊確定后進(jìn)入開發(fā)系統(tǒng)新畫面進(jìn)行設(shè)計如圖2.4。點擊工具欄中的“翻開圖庫〞，單擊反響器，選擇需要的圖素。雙擊該圖素到繪圖區(qū)，在單擊放下該圖素。畫面名稱可根據(jù)目標(biāo)自己隨意定；從工具箱中找到圖庫，翻開圖庫，在圖形畫面里添加一個儀表對象、一個“實時趨勢曲線〞、一個“歷史曲線〞、一個“報表數(shù)據(jù)〞、一個“報警窗口〞和一個“退出界面〞。用同樣方法可以選擇管道、閥門、泵等組合成一幅完整的畫面；選擇工具箱的“文本〞后可以在畫面中添加文本，選擇添加的文本，單擊工具箱中的“字體〞可以改變文本的格式；選擇工具箱中的“顯示調(diào)色板〞可以對文本和圖形進(jìn)行顏色編輯。圖3.4開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計畫面對于已建立的實驗主畫面中的單容水箱可以在計算機(jī)監(jiān)控界面上直接看到，單容水箱液位隨控制信號變化而變化的圖像。結(jié)合實驗現(xiàn)場系統(tǒng)的實際單容水箱的液位,可以將監(jiān)控畫面中的水箱液位動態(tài)變化與實際現(xiàn)場的水箱液位進(jìn)行比擬,有助于我們從理論和實際兩方面,翻開“水箱液位控制系統(tǒng)〞主畫面,如圖2.5所示，雙擊“水箱〞彈出動畫連接對話框,如這樣建立連接后水箱液位的高度隨變量“水箱液位〞的值變化而變化。圖3.5水箱液位控制系統(tǒng)主畫面3.5PID算法程序設(shè)計我們知道，在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式[1]為：〔4-1〕式中p(t)—調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)—調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差；kp—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti—調(diào)節(jié)器的積分時間；Td—調(diào)節(jié)器的微分時間。由于計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量。因此，在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對式〔4-1〕進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示[16]：(4-2)(4-3)將式〔4-2〕和式〔4-3〕代入式〔4-1〕，那么得到離散化的PID表達(dá)式：(4-4)式中△t=T—采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；E(k)—第k次采樣時的偏差值；E(k-1)—第〔k-1〕次采樣時的偏差值；k—采樣序號，k=0，1，2，…；p(k)—第k次采樣時的調(diào)節(jié)器的輸出。由式〔4-4〕可以看出，要想計算p(k)，不僅需要本次與上次的偏差信號E(k)和E(k-1)，而且還要在積分項中把歷次的偏差信號E(j)進(jìn)行相加，即E(j)。這樣，不僅計算煩瑣，而且為保存E(j)還要占用很多內(nèi)存。因此，用式〔4-4〕直接進(jìn)行控制很不方便。為此，我們做如下改動(4-5)用式〔4-4〕減去式〔4-5〕，可得：(4-6)式中，----積分系數(shù)；----微分系數(shù)。由式〔4-6〕可知，要計算第k次輸出值p(k)，只需知道p(k-1)，E(k)，E(k-1)，E(k-2)即可。在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)式采用步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器進(jìn)行控制的，所以，只要給一個增量信號即可。=(4-7)式〔4-7〕表示第k次輸出的增量△p(k)，等于第k-1次調(diào)節(jié)器的輸出值，即在第〔k-1〕次的根底上增加〔或減少〕的量，所以式〔4-7〕叫增量型PID控制式。由式〔4-7〕可知，增量型PID算式為：〔4-8〕=設(shè)所以，有〔4-9〕上式為離散化的增量型PID編程表達(dá)式。如圖3.6PID程序流程圖PID控制界面展示：圖2.18水箱液位PID參數(shù)控制界面命令語言如下：if(\\本站點\閥門1==1){\\本站點\PV1=\\本站點\Pv;\\本站點\EK0=SV1-\\本站點\PV1;\\本站點\feedbackP=KP1*(\\本站點\EK0-\\本站點\EK1);\\本站點\feedbackpI=KI2*\\本站點\EK0;\\本站點\feedbackpD=KD1*(\\本站點\EK0-2*\\本站點\EK1+\\本站點\EK2);\\本站點\UK=\\本站點\feedbackP+\\本站點\feedbackpI+\\本站點\feedbackpD;\\本站點\EK2=\\本站點\EK1;\\本站點\EK1=\\本站點\EK0;if(\\本站點\水源==10)\\本站點\水源=380;if(\\本站點\Pv>100)\\本站點\$新報警=1;elseif(\\本站點\Pv<70)\\本站點\$新報警=1;if(\\本站點\閥門1==1){\\本站點\閃爍0=0;\\本站點\閃爍1=1;\\本站點\閃爍0=1;}else{\\本站點\閃爍1=0;\\本站點\閃爍0=0;}if(\\本站點\閥門3==1){\\本站點\閃爍2=0;\\本站點\閃爍3=1;\\本站點\閃爍2=1;}else{\\本站點\閃爍3=0;\\本站點\閃爍2=0;}}第四章設(shè)計結(jié)果圖片展示總結(jié)本設(shè)計是一個計算機(jī)直接控制水箱液位的簡單工程,雖然比擬簡單,但其原理與大型企業(yè)中復(fù)雜的工控系統(tǒng)根本相同,它把數(shù)據(jù)采集與編程技術(shù)結(jié)合起來實現(xiàn)對實驗裝置中的單容水箱液位進(jìn)行監(jiān)控。我們一組個人，在一起合作把此工程做完，在這個工程中我負(fù)責(zé)的是單容水箱PID程序的設(shè)計，在設(shè)計的過程中遇到了許多難題，通過自己的努力與同組人交流并把問題解決。同時我還利用了上學(xué)期對組態(tài)王的學(xué)習(xí)，這次參加了自己的想法，把流水效果做出來了，同時自己也憑著經(jīng)驗去嘗試調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使誤差穩(wěn)定的±3之間。感到十分快樂。設(shè)計的重點是確定總體方案及實現(xiàn)方法。難點是如何將組態(tài)王監(jiān)控界面與實際水箱信號變化鏈接起來。系統(tǒng)調(diào)試時如何能夠使水箱液位回到穩(wěn)定值。雖然這次設(shè)計沒有預(yù)期的那么理想，許多地方還