单容水箱液位控制系统 第3章 各单元硬件设计说明及计算方法
3.1 各单元硬件设计
3.1.1 控制器
直接数字控制系统DDC（Direct Digital Control）系统，就是用一台工业计算机配以适当的输入、输出设备，从输入通道获取生产过程的信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道直接作用于执行器，实现对整个生产过程的控制。由于计算机运算速度快，通过分时处理，一台计算机可以对多个回路进行控制。一个DDC系统可实现多个回路PID调节及其他辅助控制。DDC系统能满足不同生产过程的控制要求。
DDC控制计算机ICP7017-A/DICP7024-D/AAE2000过程控制对象 图3-1 DDC系统结构框图
模块选择
当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工
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单容水箱液位控制系统 业现场环境，先进性与实用性并举。有效的拉近了实验室与工业现场的距离。它体积小，安装方便，可靠性极高。
1) D/A模块：采用7024模块。4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（1~5V）信号均可。
2) A/D 模块：采用7017模块。8路模拟电压（1~5V）输入。 3)通讯模块： 485/232转换模块，转换速度极高（300~115KHz），232口可长距离。
当系统控制要求发生变化时，可通过重新编制程序来适应控制要求的改变，而不必进行大量硬件结构的改动。DDC系统的另一个优点是易于实现各种比较复杂的控制规律及特殊的控制算法，如串级、前馈、选择、大滞后补偿等控制。 3.1.2 执行器
自动调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动、液动三大类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少用到；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作。单容水箱液位控制系统可采用电动调节阀为执行器。
电动调节阀
电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制与流量、温度、压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀门位置反馈信号输出双导向单座柱塞
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单容水箱液位控制系统 式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。
水泵
采用丹麦兰富循环水泵。噪音低，寿命长，功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变送器一起可构成恒压供水系统。 3.1.3检测变送
液位传感器
液位传感器用来对上水箱液位的压力进行检测，采用工业的DBYG扩散
硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ—3X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。在零压力下调整量程电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标志信号输出。
3.2 系统计算方法
设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2
固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系Q1?Q2将式（3-1）表示为增量形式 ?Q1??Q2
?Cd?h （3-2）
dt?Cdh （3-1） dt7
单容水箱液位控制系统 式中，?Q1、?Q2、?h——分别为偏离某一平衡状态Q10、Q20、h0的增量； C——水箱底面积。
在静态时，Q1=Q2；dhdt=0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，阀V2处的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为?Q1与?h成正比，而与阀V2的阻力R2成反比，即
?Q2??h或?hR2?R2?Q2 （3-3）
式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。 将式（3-3）代入式（3-2）可得
R2Cd?h??h?R2?Q1 （3-4）
dt在零初始条件下，对上面的式子求拉普拉氏变换，得： G0(s)?R2H(s)K （3-5） ??Q1(s)R2Cs?1Ts?1式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量Q1(s)=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为：
H(s)?KR0KR0KR0??s(Ts?1)ss?1/T1?tT （3-6）
即 h(t)?KR0(1?e) （3-7）
当t??时，h(?)?KR0 因而有 K 当t=T时，则有
?h(?)输出稳态值?R0阶跃输入 （3-8）
h(T)?KR0(1?e?1)?0.632KR0?0.632h(?) （3-9）
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单容水箱液位控制系统 第4章 软件设计与说明
MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于Windows平台的用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。MCGS具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。此外MCGS嵌入版还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。
4.1 数据库的设计
在数据库中主要设计变量的类型，开关型的变量有7017通讯标志：mm1；7024通讯标志：mm2；自动手动标志：run。数据型的变量有7024的1通道输出电流：AOch0；A水箱液位测量值：A水箱PV；A水箱液位测量值：A水箱SV；偏差值：ei；比例系数：k；积分前项：mx；阀门开度：OPA；7017的1通道采样电压：PV1；前次测量值：pvx；微分项：Qd；积分项：Qi；比例项：Qp；设定值：sv；微分时间：Td；积分时间：Ti。组对象有设定值，输出值：存盘数据组。
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