毕业设计-水位系统的计算机控制系统设计.doc

摘 要目前，大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转，对于流量的控制是利用调节阀门的开度来实现的，这样一方面造成了能源的较大浪费。采取恒压供水的方式，可以解决传统供水存在的诸多弊端，由于交流变频技术的不断成熟及完善，可以方便地组成恒压供水系统。本设计得用组态王监控系统实现，组态王画面直观，可以显示变频运行电流、压力测量值等模拟量，以及压力报警界面，本设计可广泛应用于生活供水、高楼供水、工业用水等场合，实现节能、操作维护方便、安全可靠的目的，并为类似系统的工业设计提供了一种可行的设计方法。关键词：水位控制；组态王；变频器；节能ABSTRACTAt present, most of the water pump control adopts the traditional way, pumps in electric drive under constant speed running power frequency to flow control, using regulating valves to realize the opening, on the one hand, the larger caused energy waste, on the other hand, easy to cause the water hammer effect. Adopt constant pressure water supply, which can solve the way the defects of traditional water supply, because ac frequency conversion technology continues to mature and improve, which can be conveniently composition constant pressure water supply system. This design must kingview monitoring system realization, kingview pictures, intuitive, and can display the variable-frequency operation current, pressure measurement values, etc, and an analog pressure alarm interface, this design can be widely applied in life water supply, water supply, industrial water buildings such occasions, achieve energy saving, operations and maintenance easy, safe and reliable, and the purpose of the industrial design for similar system provides a feasible design method. Key words: water level control,kingview and frequency,the energy conservation，energy-saving I目 录摘 要IABSTRACTII第1章 前 言11.1 供水发展现状11.2 变频恒压供水系统21.3 本课题完成的工作3第2章 控制方案选择42.1 变频器控制方案42.2 PID控制42.3 PID闭环控制系统的组成6第3章 变频调速技术简介83.1 变频调速的基本原理83.2 变频器的节能103.3 变频调速的优势103.4 变频技术的发展113.5 变频器应用现状及前景12第4章 组态王开发监控系统软件简介134.1 概述134.2 特点134.3 建立工程的一般步骤144.4 实践14第5章 水位控制系统的组成165.1 系统硬件165.2 系统软件20第6章 水位控制系统的设计216.1 组态王简介216.2 PID控制器216.3 组态王系统设计236.3.1 组态王设计步骤236.3.2 组态王设计过程24第7章 总 结39致 谢40参考文献41第1章 前 言1.1 供水发展现状我国是一个发展中国家，多年来极其重视和发展能源的建设，尤其是电力能源的发展。但由于国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，电能的消耗更是与日俱增，在电能的供求方面仍存在一定的缺口。据有关部门统计，在供水行业中泵的能源消耗约占企业能源消耗的80%-90%，因此电力工程建设广泛推行我国是一个发展中国家，多年来极其重视和发展能源的建设，尤其是电力能各种节能措施1。目前，大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转。电力拖动存在这样普遍的问题:运行中电动机的大多数，其平均负载率较低，导致电动机本身功效下降。平均负载率较低的原因很多。例如，选用电动机时不太了解负载情况，不注意电动机和机械的容量匹配，认为容量大总比容量小好;有的投产后长期达不到设计能力，负载太轻又总达不到预期负载等。采用变频调速技术可改善起动性能及运行特性，提高电力系统的系统效率。传统供水方式上，对于流量的控制是利用调节阀门的开度来实现的，这种简单的控制方法存在许多弊端，主要表现在:1、能源浪费较大。当流量减少，减小阀门开度时，电机仍然在额定转速下运行，有相当一部分能量消耗在水流与挡板的阻力之上。2、电机在起动时，起动时间用不了1s，在这1s的时间内，管道内的水流量从零迅速增至额定流量的压力瞬间，流量的急剧变化在管道内产生过高或过低，产生所谓的“水锤效应”。水锤效应不但产生噪声，在压力高的可能会造成管子或阀门破裂，而在压力低时，又会引起管道的瘪塌。一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。以前，大多采用传统的水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，但他们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果是往往增大了水泵的轴功率和能量损耗。恒压供水控制实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是先进、合理的节能型供水系统2。在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵系统设计简单可靠，但由于单泵深度调速方式造成水泵、电动机运行效率低，而多采用多泵控制方式。变频恒压供水系统的优点:用变频调速来实现供水，节能效果十分显著。除节能外，变频恒压供水的优点还包括以下几点:1、起动平衡，起动电流可限制在额定电流之内，从而避免了起动时对电网的冲击；2、由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；3、可以消除起动和停机时的水锤效应。1.2 变频恒压供水系统多泵并联变频恒压供水的模式通常是这样的：当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由一台变频泵调速恒压供水；当用水量增大时，变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速时，为使流量进一步增大，由变频供水控制器，自动起动一台工频泵投入，与变频泵并联供水。该工频泵提供的流量是恒定的。其余各并联工频泵按相同的原理投入。反之，当用水流量下降时，变频调速泵的转速下降，当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之退出并联供水。为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击。在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在退出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。上述频率自动上升、下降由变频供水控制器控制。另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状起动并先开先停的工作模式。在这种供水模式中，当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由变频器控制该泵自动调速供水，当用水流量增大时，该泵的转速增高。当该泵的转速升高到工频转速时，由变频供水控制器把该台水泵切换到工频供电。变频器则另外起动一台并联泵投入工作。随着用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软起动投入。这就是循环软起动投入方式。当用水流量减小时，各并联工频泵按次序关泵退出，并联泵退出的顺序按先投入先关泵的原则由变频供水控制器控制。由上述可见，变频供水系统通常有两种工作方式，一是变频泵固定方式，二是变频循环软起动工作方式。在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或退出的。因为变频泵固定不变，当用水流量变化时，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都可成为变频泵。1.3 本课题完成的工作本课题以单泵实现变频恒压供水作为研究对象;运用经典控制理论方法对系统的静态性能及动态性能进行分析，对变频调速技术及组态王进行简单介绍，以国内亚控公司的组态软件组态王设计工控机监控程序。第2章 控制方案选择2.1 变频器控制方案有两种可选方案，一种是：由两台水泵供水，其中一台电机为变频控制，另一台在工频下运行；另一种方案是：一台水泵变频运行3。第一种方案：在用水量较小时，由第一台电机单独调频恒压控制，第二台电机停运，当用水量增加，变频达到工频运行时，将第一台电机切换为工频运行，变频器带第二台电机补充供水。在这种运行状况下，当第二台电机运行频率较低，接近停止时，切除第一台电机，由第二台电机单独调频恒压控制。以后，根据运行状况，再重复以上过程。第二种方案: 一台水泵变频运行，反馈控制信号串接在变频器上，进行恒压供水。两种方案比较:第一种方案，使用一台变频器，故投资少，而且，在一台电机出现故障时，另一台电机可继续供水。但要实现双泵之间的自动切换/手动切换，如果控制回路设计不完善，可能出现水泵之间的频繁切换的问题，因此控制回路相对复杂。第二种方案，使用一台变频器，投资小，但相对第一种方案，节能效果要好一些。作为实用来说，为了防止用水量恰巧在一台泵全速供水量的上下变动时，将会出现两台泵来回切换的状态。在这里我们选择第二种方案进行设计。2.2 PID控制目前控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统，PID控制理论在古典控制理论中具有多年的历史，其主要应用在闭环控制系统中，被控量的输出与给定的期望值的偏差信号，通过PID计算，输出的信号作为被控对象的输入信号，使被控量稳定于期望值，由于PID控制理论的不断成熟及完善，工程实际中得到了广泛的应用。PID控制改善系统的动态特性一般由三种典型调节作用组成，它们是比例、积分和微分作用，即PID作用10。1、开环控制系统开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2、闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。3、阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出，系统的阶跃响应可以体现系统的动态性能指标。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的;准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差;快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来描述14。4、PID控制的原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的13。 比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分(I)控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分(D)控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。2.3 PID闭环控制系统的组成PID闭环控制系统组成如图2-1所示：PID变频器调速泵传感器图2-1 PID闭环控制系统组成本次设计的系统框图如图2-2所示：计算机牛顿模块压力传感器储水箱液位传感器变频器水泵出水箱出水阀进水阀图2-2 系统设计框图第3章 变频调速技术简介3.1 变频调速的基本原理交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类型，其转速表达式分别为：N0=60f/p (3-1)N=60f(1-S)/p (3-2)S=f(U,R1,X1,R2,X2) (3-3)式中:N0-同步电动机转数N-异步电动机转数f-电源频率p-定子绕组级对数S-异步电动机转差率U-电源电压Rl-定子绕组电阻Xl-定子绕组电抗R2-转子绕组电阻X2-转子绕组电抗根据式(3-1)和式(3-2)可知，交流电动机的转速与电源的频率成正比，通过变频装置将电网50赫兹的固定频率转变成为可调频率，即可实现交流电动机无级调速4。由电工知识可知，如图3-1所示，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为:E1=4.44fN1m （3-4）式中：E1-定子每相自感电动势N1-定子相绕组有效匝数m-每极磁通量(Wb)图3-1 三相异步电动机等效电路图对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通中m保持额定值不变。磁通太弱，电动机带负载能力下降，磁通太强，形成过饱和，将引起励磁电流，波形畸变。由(3-4)可见，m值由E1和f共同决定，对E1和f进行适当控制，就可以使气隙磁通中m保持额定值不变7。下面分两种情况进行说明:(l)基频以下的恒磁通变频调速，即从电机额定频率f调速。为了保持电动机负载能力，应保持气隙磁通不变。由式子E1=4.44fn.可知，E1/f=C(常数)，即降低供电频率，同时，降低供电电压。这种调速控制属于恒转矩调速方式。但是E.难于直接检测和直接控制。由等效电路图知，U1=E1+I0R1+jI0X1。当E1和f值较高时，定子的漏阻抗压降相对较小时，可忽略不计，即U1约等于E1，只要保持U1/f=C即可。而U1容易测量，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降不能再忽略。这种情况下，可以人为的适当提高定子电压以补偿定子电阻压降影响，如下图3-2所示。图3-2中1为U1/f=C时电压频率关系，2为电压补偿时(E1/f=C)的电压-频率关系。图3-2 变频器U-F曲线(2)基频以上的弱磁通变频调速，频率值由额定值向上增大，但电压受额定电压U1n的限制，不能再升高，保持U1=U1n。不变，必然会使主磁通随着f的上升而减小，相当于直流电动机弱磁通调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。由以上讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律，同时改变定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF调速控制8。3.2 变频器的节能在我国，60%的发电量是通过电动机消耗的，我国电机的总装机容量己达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为 0.55220kw以下的中小型异步电动机，能源消耗大，节能的空间和潜力也非常大。应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。3.3 变频调速的优势变频调速一般指的是对交流异步电动机的调速，随着变频调速技术的发展，其调速性能已经达到与直流电动机相媲美的地步，而且控制方便、简单，概括起来变频器在工业企业中的应用具有如下优点15：1、满足工艺要求，解决技术难题。2、采用变频器后运行速度一般都下降，这样:降低了对动设备冲击、电机故障率降低、使用寿命增长、降低运行设备噪音。3、有明显的节电效果。4、实现软启动、软停车、降低了对电网的冲击。另外，变频器速度控制精度高，调速范围大，具有较好的静态特性及动态特性，可以方便组成比较复杂的闭环控制系统，完成现场流量、压力、转速等量的控制。3.4 变频技术的发展异步电动机是工农业生产中应用最为广泛的一种交流电机。但由于其调速性能差，20世纪70年代前，在需要调速拖动的场合几乎全部采用直流电动机，但其制造和维护十分繁杂。变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。20世纪70年代，大功率晶体管(GTR)的开发成功，为变频器技术的开发、发展和普及奠定了基础，80年代又进一步开发成功了绝缘栅双极晶体管粗(GBT)，其工作频率比GTR提高了一个数量级，从而使变频调速技术又向前迈进了一步。变频控制理论方面经历了V/F控制到矢量控制技术，使异步电动机变频后的机械特性达到了可以和直流电动机变压后的机械特性相媲美的程度。变频器的类型有多种，按电能转换的情况可分为交流-交流变频器和交流-直流-交流变频器两种。其中，交流-直流-交流是目前中小型异步电动机变频调速电源的主要形式，它不像交流-交流变频器那样直接将工频电源转变成所需频率的电源，而是把工频交流市电先经整流变成直流，然后再通过逆变器把直流电转变成所需频率的交流电。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGGT以及智能模块IPM等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。在大功率交一交变频器调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达30000KW的电气传动设备用于船舶推进系统，意大利ABB公司提供了单机容量为6000OKW的设备用于抽水蓄能电站，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700KVA。在现代自动化控制理论领域中，以现代控制理论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础;16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路技术的快速发展，为变频调速的高精度、多功能提供了手段。变频调速技术主要向着两个方向发展：一是实现高功率因数、高效率、无谐波干扰，研制具有良好电磁兼容性能的“绿色电器”；二是向变频器应用的深度和广度发展。随着变流器应用领域深度和广度的不断开拓，变频调速技术将越来越清楚地展示它在一个国家国民经济中的重要性。可以预料，现代控制理论和人工智能技术在变频调速技术的应用和推广将赋予它更强的生命力和更高的技术含量。其发展方向具有如下几项：(1)实现高水平的控制；(2)开发清洁电能的变流器；(3)缩小装置的尺寸；(4)高速度的数字控制；(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。3.5 变频器应用现状及前景国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V/F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不高，主要原因是产品品质不过硬。V/F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/F控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质要好这可能是生产工艺方面的差距。差距最大的是半导体功率器件的制造业，至今，在国内这仍是一个空白。变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作。据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用己非常广泛从简单的手动控制到基于RS-485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平6。第4章 组态王开发监控系统软件简介4.1 概述组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000 操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发+。组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。4.2 特点它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。4.3 建立工程的一般步骤通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几个步骤：第一步：创建新工程为工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件。第二步：定义硬件设备并添加工程变量添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和 I/O 变量。第三步：制作图形画面并定义动画连接按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。第四步：编写命令语言通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。第五步：进行运行系统的配置对运行系统、报警、历史数据记录、网络、用户等进行设置，是系统完成用于现场前的必备工作。第六步：保存工程并运行完成以上步骤后，一个可以拿到现场运行的工程就制作完成了。4.4 实践1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： (1)图形界面的设计 (2)构造数据库(3)建立动画连接(4)运行和调试2.使用组态王软件开发具有以下几个特点: (1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面：(1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。第5章 水位控制系统的组成5.1 系统硬件1牛顿模块牛顿模块具有组态简单、采集的信号稳定、抗干扰能力强、编程容易等众多优点，它被广泛地应用于需要数据采集的场合。每一单一的牛顿模块都是地址可编程的，它使用01-FF两位地址代码，因此，一条RS485总线上可以同时使用255个牛顿模块，如果RS485总线上挂接的都是ND-7017的话，意味着整个系统可以完成255x8=2040路模拟信号的采集。当然牛顿模块不仅仅是模数转模块，还有：数字IO模块 DO输出模块 测频计数模块热电偶测量模块 热电阻测量模块 协议转换模块协议中继模块 嵌入式控制模块 无线通讯模块正是由于模块的多样性才使得构筑系统时更加容易。实际上，在一般情况下用户无需进行硬件开发，只是选择合适的模块和变送器就行了，用户的更多工作是在开发自己单位或部门所需的软件。对于一般单位，软件可以通过组态实现，而对于特殊的需要则必须进行专项的软件开发。牛顿模块采用的是多址RS485总线，它需要上位机提供RS485通讯链路。上位PC机实现RS485的方式不一样，主要有：RS232/RS485将RS232转换成RS485，RS485接口卡，USB/RS485将USB转换成RS485。无论是哪一种转换，都有相应的牛顿模块可供选择，无需用户自行开发20。i-7017 8通道模拟量输入模块：i-7017共有8 路差分输入，模块为16位分辨率，高达115.2K 的通讯速率，主要用于工业现场或其它分布式数据采集。i-7017采用简单易操作的软件校准，用户可方便地进行零点和满量程校准。采集模块采用RS485通讯网路，将分散的现场数据点的模拟量经AD变换传输到主机或由PC控制远程主站点。 它具有独特的双看门狗安全设计，即软件看门狗和硬件看门狗组成。模块万一出现程序飞跑时，可瞬间重新开机。每个采集模块可与主控计算机之间进行软件看门狗互锁，万一主控计算机死机，所有的输出模块就进入预设的安全状态，符合工业的安全要求。RS485通讯网路如因故障或断线，主控计算机和模块间将无法互锁无法通讯时，也会启动软件看门狗。软件看门狗的设计非常巧妙，使用方便，可大幅增加系统安全性。主要参数如表5-1所示：表5-1 i-7017主要参数表通 道8路差动、6路差动+2路单端( 跳线选择)分 辨 率16位 输入类型mV, V , mA (接125外电阻)输入范围 150mV, 500mV , 1V, 5V, 10V 和 20mA采样速率10 次/秒(total)带 宽15.7 Hz精 度 0.1%零点漂移20V/满程量漂移 25ppm/CMR 50/60 Hz86 dB minNMR 50/60 Hz100 dB输入阻抗20M过压保护 35V隔 离3000V DCi-7024 4通道模拟量输出模块：i-7024产品具有内置的微处理器和坚固的工业级塑料外壳，被广泛的应用于各种工业环境。安全性高，模块自带双看门狗，保障系统安全。通用型好，内置泓格专利自适应芯片，方便组网连接。性能优良，内部有3000VDC隔离，更具有高过压保护高开关量电压输入等性能供用户选择。使用方便，可以非常容易的和常见的SCADA/HMI以及PLC软件进行通讯。快速组网，仅需要两根通讯信号线就可以建立起一个多点的分布式RS-485网络。主要参数如表5-2所示：表5-2 i-7024主要参数表通 道4光电隔离3750 VrmsLED指示灯电源和通讯输出类型mA, V输出范围020mA,420mA,05V,+/-5V,010V,+/-10V分 辨 率14位 精度: 0.1% 满量程分 辨 率 0.02% 满量程零点漂移电压输出: 30V/电流输出: 0.2A/温度系数 20ppm/可编程输出转换斜率0.125 2048 mA/秒0.0625 1024 V/秒电流负载电阻外接24V电源 1050电 源输入: +10 +30 VDC功 耗2.4Wi-7520 RS-232到 RS-485 转换器:主要参数如表5-3所示：表5-3 i-7520主要参数表输 入RS-232协议输 出RS-485 协议 (2线, D+, D-)速 率自动转换波特率, 300115200 BPS隔离电压3000VDC （隔离在 RS-232边）要求使用中继器大于4,000 英尺距离或多于256个模块内置自适应芯片在1个RS-485网络中无中继器,最多接256个模块在1个RS-485网络中用中继器,最多接2048个模块2变频器MITSUBISHI S500S500系列变频器概述：设定简单方便的FR-S500系列变频器结合三菱最新开发的自动转矩提升控制，最大可实现60Hz时150%的转矩输出。S500系列变频器功率范围：0.43.7KW（三相380V，FR-S540系列）0.21.5KW（单相220V，FR-S520S系列）S500系列变频器特点：(1)自动转矩提升，实现6Hz时150%转矩输出；(2)数字式拨盘，设定简单快捷；(3)柔性PWM，实现更低噪音运行；(4)15段速,PID,4-20mA输入和漏、源型转换等多项能；(5)可提供RS-485通信功能。3. 液位传感器液位检测传感器是用于对水位高度的测量，本系统设计选用的是CBM-2100/CBM-2700 投入式静压液位计如图5-1，是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理,采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器,将静压转换为电信号,再经过温度补偿和线性修正,转化成标准电信号(一般为420mA/15VDC)12。图5-1 CBM-2100/CBM-2700 投入式静压液位计适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量.精巧的结构,简单的调校和灵活的安装方式，提供了.420mA、 05v、010mA等标准信号输出。其CBM-2100/CBM-2700 投入式静压液位计工作原理：用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时,传感器迎液面受到的压力公式为: = .g.H + Po式中：P :变送器迎液面所受压力；:被测液体密度；g :当地重力加速度；Po :液面上大气压；H :变送器投入液体的深度。同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po，使传感器测得压力为: .g.H，显然，通过测取压力 P，可以得到液位深度。功能特点：具有反向保护、限流保护电路,在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在35MA以内。固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。安装方便、结构简单、经济耐用。主要技术参数：测量范围： 0-0.5-200米工艺：扩散硅 陶瓷电容 蓝宝石 电容任选分体式一体式可选量程：0-0.5-200米输出：4-20mA (2线制)供电：7.5-36VDC 推荐24VDC性能和优点：其机械结构对过载及腐蚀性介质具有高抵抗性；高精度、长期稳定的陶瓷电容和进口扩散硅测量单元；密封的电子模块及双滤波压力补偿系统可抵抗气候现场变化的影响；电子模块可输出4-20mA信号并同时带有过压保护的模块；选择集成的温度传感器Pt100可同时进行物位及温度的测量。5.2 系统软件本课题采用组态王开发监控系统软件设计工控机监控程序，组态王开发监控系统软件在第四章已有详细介绍，此处不再重复说明。第6章 水位控制系统的设计6.1 组态王简介组态王(KingView)是目前国内比较流行的一种国产工业自动化通用组态软件，适用于中小规模工业监控机，价格低廉。组态王配有加密锁，支持工程加密;驱动程序较为丰富，如支持DDE、板卡、OPC服务器、PLC、智能仪表、智能模块等;支持ActiveX控件、配方管理、数据库访问、网络功能、冗余功能。其扩展性强，可与管理计算机或控制计算机联网通信。组态王以Windows 98/ Windows2000/ WindowsNT4.O中文操作系统作为其操作平台，具有图形功能完备，界面一致友好，易学易用的特点。该软件包由工程管理器、工程浏览器、画面运行系统三部分组成。工程管理器用于新建工程、工程管理，并能对己有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据字典的导入和导出。工程浏览器是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，是应用工程的开发环境，内嵌画面开发系统，可完成对画面的设计、动画的连接等工作。画面运行系统是“组态王”软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/0服务程序的数据交换，通过实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统运行环境中才能运行。组态王主要用来组成监控和数据采集系统。使现场的信息实时地传送到控制室。保证现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据。优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。组态王拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，在工业控制中应用广泛9。6.2 PID控制器PID控制器中有比例积分（PI）、比例微分（PD）以及比例积分微分（PID）。PD控制器构成的超前校正，可以提高整个系统的稳定裕度，获得足够的快速性，但是稳态精度会受到影响；PI控制器构成的滞后校正，可提高稳态精度，却又牺牲了快速性；PID控制器实现的滞后、超前校正兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，只不过具体的实现和调试要复杂一些16。1、连续控制系统中的PID控制器PID控制器由运算放大器组成。在连续控制系统中，信号都为连续变化的模拟量，我们设定sp(t)为给定值，pv(t)为反馈量，误差为e(t)=sp(t)-pv(t),PID的输出量=比例项+积分项+微分项+输出的初始值，即： M(t)=Kc(e+TD)+Minitial (6-1)式中M(t)为输出量；Minitial为回路输出的初始值；Kc为PID回路的增益；TI和TD分别为积分时间和微分时间。比例（P）、积分（I）、微分（D）分别与误差、误差的积分和微分成正比，由它们可以组成P、PD、PI控制器，PI控制方式具有较好的动态品质和较高的稳态精度，而PID控制方式具有控制对象的惯性滞后较大的功能。2、PID控制器的数字化设TS采样周期，t=0为系统开始运行的时间，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式5-1离散化，第n次采样时控制器的输出为:Mn=Kcen+(KI+Minitial)+KD(en-en-1) (6-2)式中en为第n次采样时的误差值；en-1为第n-1次采样的误差值；KC、KI和KD分别为PID回路的增益、积分项的系数和微分项的系数。将式5-2化简为每一次计算只需要保存上一次的误差值en-1和上一次的积分项MX，即：Mn=Kcen+(KIen+MX)+KD(en-en-1) (6-3)实际使用的改进型PID算法的算式为Mn=MPn+MIn+MDn (6-4)比例项：MPn=KC(SPn-PVn) +KCen (6-5)积分项：MIn=KC(TS/TI)(SPn-PVn)+MX=KIen+MX (6-6)微分项：MDn=KC(TD/TS)(SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1)=KD(en-en-1) (6-7)注：SPn和PVn分别是第n次采样时的给定值和反馈值，TS为采样时间间隔，TI为积分时间，MX为前面所有积分之和，每次计算出MIn后就要去更新MX，在第一次计算时MX的初始值为控制器输出的初始值Minitial。令给定值不变SPn=SPn-1，为了下一次的计算，就必须保存本次的过程变量PVn作为下一次的PVn-1，在某些控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或者两种类型。3、PID控制器的优点PID控制器是应用最广泛的闭环控制器，这是因为它具有以下优点：不需要被控对象的数学模型，自动控制理论中的分析和设计方法主要是建立在被控制对象的线性定常数学模型的基础上的。它忽略了实际系统中的非线性和时变性，与实际系统有较大的差距。对于许多工业控制对象根本就无法建立较为准确的数学模型，所以自动控制理论中的设计方法很难用于大多数的控制系统。而使用PID控制就可以达到比较满意的效果。4、结构简单，容易实现PID控制器的结构典型，计算工作量较小，需要整定的参数少，各参数有明确的物理意义，参数调整方便，容易实现多回路控制、串级控制等复杂的控制。5、有较强的灵活性和适应性根据控制对象的具体情况可以采用PID控制器的多种变种和改进的控制方式，但一般比例控制室必不可少的。随着智能控制技术的发展，PID控制还与神经网络控制等现代控制方法结合，可实现PID控制器的参数自定义，使PID控制器具有经久不衰的生命力。6、使用方便有很多PLC厂家提供具有PID控制能力的产品，如PID闭环控制模块、PID控制指令和PID控制系统功能模块等，使用起来都很方便，只需要设置一些参数就可以了。6.3 组态王系统设计6.3.1 组态王设计步骤1、新工程为工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件。2、定义硬件设备并添加工程变量，添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和I/O变量。3、制作图形画面并定义动画连接按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。4、编写命令语言，通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。5、进行运行系统的配置，对运行系统、报警、历史数据记录等进行设置，是系统完成用于现场前的必备工作。6、保存工程并运行。6.3.2 组态王设计过程6.3.2.1 创建新工程在组态王工程管理器中，点击“新建”按钮，在“D:毕业设计”目录下创建名为“供水系统”的新工程，并置为当前工程。如图