以智能儀表為基礎(chǔ)的串聯(lián)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

趙家龍+張宇航+吳翼翔+何鑫+李辰

摘要：本文基于智能儀表A1808，提出了串級(jí)控制串聯(lián)雙容水箱液位的方法，另基于MCGS組態(tài)軟件，提出了上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控方法，以期為此領(lǐng)域設(shè)計(jì)研究提供些許參考。

關(guān)鍵詞：智能儀表；串聯(lián)雙容水箱；液位控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

在工業(yè)過(guò)程控制的整體架構(gòu)中，串聯(lián)雙容水箱得到了十分廣泛的應(yīng)用。在控制串聯(lián)雙容水箱水位方面，所進(jìn)入的水首先會(huì)流入到第一個(gè)水箱，然后經(jīng)第二個(gè)水箱而實(shí)現(xiàn)外排，相比于第一個(gè)水箱，由于額外增加了另外一個(gè)水箱，因此，被控量的實(shí)際時(shí)間，相比之前，要明顯落后于后者，造成不同程度的容積延遲，最終造成此過(guò)程無(wú)法得到有效控制。針對(duì)串級(jí)控制而言，其作為改善調(diào)節(jié)過(guò)程動(dòng)態(tài)性能的主要且有效的方法，因其具有比較前衛(wèi)的控制作用，因此，對(duì)于系統(tǒng)所存在的容積延遲情況，能夠給予有效克服。運(yùn)用兩步整定法，利用MCGS組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控整定過(guò)程與曲線，直到主回路與副回路均能達(dá)到最佳的整定參數(shù)。

1.串聯(lián)雙容水箱系統(tǒng)的基本流程

圖1為串聯(lián)雙容水箱系統(tǒng)的工藝流程。

從圖1可知，運(yùn)用水泵，將其當(dāng)作輸送源，抽儲(chǔ)水槽當(dāng)中的水，使之維持在高位水箱，然后利用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥所具有的調(diào)節(jié)作用，能夠根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)進(jìn)水量進(jìn)行適當(dāng)性調(diào)節(jié)，然后經(jīng)手動(dòng)閥，能夠把水自高位水箱向低位水箱輸送，以此促使低位水箱的水位始終處于固定值，維持在一定高度。在整個(gè)工序當(dāng)中，無(wú)論是高位水箱，還是低位水箱，均有與之相對(duì)應(yīng)的儀表來(lái)控制與檢測(cè)。

2.控制系統(tǒng)的控制要求及實(shí)現(xiàn)策略

2.1串聯(lián)雙容水箱液位控制要求

依據(jù)系統(tǒng)的整體工藝要求，為保障精度的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)將低位水箱液位作為主要調(diào)節(jié)參數(shù)，然后以高位水箱液位作為系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)參數(shù)，通過(guò)高、低位水箱的融合與互聯(lián)，構(gòu)建起串聯(lián)雙容水箱的串級(jí)控制系統(tǒng)。針對(duì)低位水箱而言，其液位傳感器所檢測(cè)到的液位信號(hào)，通過(guò)對(duì)比給定液位值，然后輸送至主調(diào)節(jié)器，通過(guò)IPD的系統(tǒng)化運(yùn)算，將其輸出當(dāng)作副調(diào)節(jié)器的給定值，然后將其對(duì)比于高位水箱的液位傳感器所檢測(cè)到的液位信號(hào)，把比較所得最終值送至副調(diào)節(jié)器，通過(guò)開(kāi)展系統(tǒng)化IPD運(yùn)算，其輸出除了能夠?qū)﹄妱?dòng)調(diào)節(jié)閥相應(yīng)開(kāi)度進(jìn)行有效控制外，還能對(duì)進(jìn)水流量的大小、快慢施加準(zhǔn)確控制，因此，能夠較好的控制水箱的液位。

2.2控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法

依據(jù)總體的工藝要求，由于系統(tǒng)需要處理的內(nèi)容主要是模擬量信號(hào)，即流量、液位等，因此，可以選用智能儀表AI808，用此來(lái)全面、準(zhǔn)確的處理信號(hào)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、有效控制；另外，通過(guò)選用組態(tài)軟件MCGS，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控并準(zhǔn)確、詳細(xì)顯示系統(tǒng)各類信息。

（1）信號(hào)的采集及控制。針對(duì)智能儀表AI808而言，其選用的是時(shí)下比較先進(jìn)的微電腦芯片與技術(shù)，此芯片不僅體積小，而且在整體可靠性方面也得到較大提升，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。儀表的測(cè)量精度可以達(dá)到0.2級(jí)，能夠在AC85～265V寬范圍內(nèi)完成自由電源的輸入，除此之外，還能安裝各種尺寸的芯片，其采用自校準(zhǔn)技術(shù)與數(shù)字校正系統(tǒng)，具有更佳穩(wěn)定的測(cè)量精確，還能最大化消除時(shí)漂、溫漂所造成的測(cè)量誤差。另外，系統(tǒng)還能設(shè)置各種報(bào)警方式，當(dāng)儀表接的是熱電阻輸入時(shí)，選用三線制接線，能夠較好消除由引線所造成的誤差；如果接入的時(shí)熱電偶輸入，儀表內(nèi)部配置有專門的冷端補(bǔ)償部件；如若接入接電壓/電流時(shí)，那么可以隨意設(shè)置所顯示的物理量程。因此，此系統(tǒng)對(duì)于諸如濕度、液位、流量、壓力及溫度等，均能實(shí)現(xiàn)精確控制，具有各種控制類型，如通訊、報(bào)替、人工智能調(diào)節(jié)、控制及變送等，此外，還具有位置比例輸出、手動(dòng)自整定及手動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，對(duì)于液位的串級(jí)控制非常適用。針對(duì)由低位壓力傳感器所檢測(cè)到的低位水箱壓力信號(hào)，通過(guò)液位變送器，能夠變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后向主調(diào)節(jié)器AISOS輸送，將其對(duì)比于液位給定值，通過(guò)PID運(yùn)算之后，將其輸出當(dāng)作副調(diào)節(jié)器AI808的給定值，其值對(duì)比于高位水箱壓力傳感器所檢測(cè)到的高位水箱實(shí)際信號(hào)，通過(guò)PID運(yùn)算，輸出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以此來(lái)控制閥門，使其變大或變小，以此達(dá)到對(duì)低位水箱相應(yīng)液位施加有效控制的目的，使其在精度準(zhǔn)允范圍內(nèi)得以調(diào)節(jié)。（2）上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件。本系統(tǒng)選用的MCGS5工業(yè)控制組態(tài)軟件（北京昆侖公司），經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，能夠使智能儀表AISOS與PC機(jī)之間實(shí)時(shí)通信。而對(duì)于MCGSS.5組態(tài)軟件而言，其能夠現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，并能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)監(jiān)控工藝過(guò)程，另外，還有呈現(xiàn)趨勢(shì)曲線及報(bào)警等功能。

3.控制系統(tǒng)的調(diào)試

為了使控制系統(tǒng)的精度滿足實(shí)際要求，可選用兩步整定法，首先整定副環(huán)，根據(jù)4：1衰減曲線法，得出δs1=83，Ta1=40s，用相同方法，對(duì)主環(huán)進(jìn)行整定，得出δa2=6.5，Ta2=30s，最終便可得到主調(diào)節(jié)器的參數(shù)：δ1=100，Tn=20s，副調(diào)節(jié)器參數(shù)δ2 =100，TD2=20s。把它們投入系統(tǒng)運(yùn)行，便可得出實(shí)時(shí)控制曲線。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上，選用串級(jí)控制方案，能夠較好的克服雙容對(duì)象的容量延遲對(duì)液位控制所造成的不良影響，具有較好的控制效果。利用上位機(jī)對(duì)組態(tài)界面進(jìn)行監(jiān)控，能夠使系統(tǒng)運(yùn)行與控制變得更加直觀，經(jīng)投運(yùn)得知，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

參考文獻(xiàn)：

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