油罐液位检测系统改进设计

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油罐液位检测系统改进设计（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）油罐液位检测系统改进设计王伟丽（胜利油田现河采油厂）摘要在石油化工行业中，液位测量对于储运自动化和罐区管理有十分重要的意义。浮球液位检测系统通过在现河采油厂的试验及应用中发现这种测量方式安全可靠，操作简单，能够直观反映大罐液位，具有双重高度计量，误差实时可校正，具有很好的实用性，是值得推广的一种大罐液位计量方式。关键词液位检测自动化石油化工在石油化工行业中，液位测量对于储运自动化和罐区管理具有十分重要的意义。油罐液位检测是油田集输过程、炼油厂、油库、加油站等部门的一项重要工作，是油罐自动化计量管理的基本内容之一。但是当前油田测量自动化技术发展还比较缓慢，测量方法还停留在比较原始的阶段。研究一种性能稳定，安装方便的新型液位检测系统是十分必要的。依据液位测量仪表的安全性、可靠性、安装和维护的方便性及性能价格比等指标，结合生产现场中存在的问题，对传统的浮球式液位检测系统进行改进，使其能够对油罐的油位和油水界面进行检测，并把现场信号反馈到控制室计算机，实现对现场储运系统的自动化管理和调度。１常用液位检测系统度来判断的。因此，在检测液位中，不仅需要检测出油面高度，还要检测出油水界面的高度。但是，根据现场要求，纵观目前测量液位的各种方法，都存在着缺点。因为在油罐液位检测过程中，根据油田的安全标准，是不允许有任何电信号进入罐内的，即使测量中的电信号很小，数量级为微安级。但这也是与安全要求相违背的。例如在测量油水界面时，利用步进电机带动电极进入原油中，也就给工厂带来了安全隐患。另外原油罐中，由于原油表层泡沫的存在，如果使用雷达测量，就会对液位测量的产生很大影响。因此有必要对检测系统作出适当改进。正是基于这种考虑，在研究中选择了以浮球检测系统为对象，进行改进。改进式浮球检测系统是根据力学原理来同步完成对油面和界面检测的。在现河污水站的实验研究中，检测原油液位浮球装置与检测油水界面装置共同组成一套完整系统，检测部分相互独立工作，但信号变送传输则统一完成。该系统的机械部分为：浮球、钢带、滑轮、标尺等；仪表部分为：旋转编码器、光电开关、计数器（ＭＪＳ系列智能计数器）、ＲＭ４４６模块、ＲＳ４８５接口、触摸屏显示器、工业控制机，检测系统的软件部分为ｖｉｓｕａｌｂａｓｉｃ编程。３７００ｇ，现河污水站原油密度为０．８７ｇ／ｃｍ３，钢带一端连接浮球，另一端固定在滑轮的链条上，且配有重物。该配重为３００ｇ设滑轮摩擦力为１Ｎ．可以推理出，浮球在原油液面保持平衡，并随液面变化浮动，浮球浸没入原油中部分为５０ｍｍ。如图所示。在检测油罐油水界面装置中，浮球质量为５７００ｇ，直径为２５０ｍｍ，滑轮摩擦力为１Ｎ，配重为７００ｇ。配重要比检测原油液面时重，因为在原油的油水界面处，原油与水的密度之间相差较小，浮球的浮动变化不灵敏，需要体积较大的浮球，才能更灵敏地反映出油水界面的变化。浮球质量的增加，就需要质量更大的配重，才能够牵动浮球，以随油水界面液位变化而变化。在这种情况下，浮球在原油的油水界面保持平衡。浮球在水中的的部分为２０ｍｍ。（２）旋转编码器原理分析。编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类，这两种形式的数字传感器，由于具有高精度、高分辨率和高可靠性，已广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光电编码器，本次实验研究中的旋转编码器就是光电编码器。光电编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替了机械的接触电刷，测量精度和分辨率达到了很高水平，所以在自动控制和自动测量中都得到了广泛的应用。光电编码器最大特点是使用寿命长和可靠性高，是一种绝对编码器。（３）ＭＪＳ系列智能计数器使用分析。在液位检测系统中，智能计数器是一个比较关键的仪表。旋转编码器输送出的电脉冲信号连接到计数器上，计数器计量出电脉冲信号个数，并通过ＲＳ４８５接口把信号传送到主机处理。（４）ＲＭ４４６工作原理分析及使用。ＲＭ４４６时远端开关量输入／输出模块，适用于各类工业现场，可采用１６路开关量输入信号和控制４路开关量输出状态，通过ＲＳ４８５接口，与上位机进行实（转１２９页）（１）光电式液位检测系统。当前，国内外油罐液位测量仪表根据测量方法的不同可分为接触式和非接触式两种类型。接触式是指测量用传感器直接与罐内存储介质相接触，从而获得测量参数的方法，以浮子式和电容式为传感器得储罐测量系统就属于这一类。浮子式液位检测系统是根据力平衡原理进行液位检测的。机械装置主要由浮球、钢带、齿轮、链条等组成，仪表装置主要由转码转换器、计数器、主机、显示器等组成。如果需要测量油罐中的油水界面，就必须再加上步进电动机、探极等设备。（２）电容式液位检测系统。电容式液位检测系统的原理是根据电容原理，采用分段电容式物位传感器。它与传统电容物位原理不同，物位值不再是探极电容值的简单函数，而是由单片机对各段电容值进行该段空料满料分析，对界面料段进行定时校正，然后将满料段总长于界面长度相加，作为物位检测结果输出。因此，原来由于介电常数变化等产生的误差均被消除，保证了原理上的高精度和长期工作稳定性，这种办法不仅能够精确地测量油罐的液位，而且具有独特的油水界面检测功能。该系统主要由探极和变送器组成。（３）雷达式液位检测系统。微波雷达式液位计、激光雷达式液位计、光导液位计及超声波液位计属非接触式液位检测系统，其特点是测量手段并非采用浮球之类的固态物，而是采用声、光、射线等能量。液位计不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质而适合广泛，可用于接触式测量仪表不能满足的场合，如高粘度、强腐蚀性、污染性强、易结晶的介质。光导液位检测系统不常用，这主要因为在尘雾环境下使用不稳定，容易造成传感镜片的污染。雷达液位计精度较高、可靠性与稳定性较好，但结构复杂、价格昂贵。超声波液位计具有广泛的应用性，可以更具不同的测量场合的需要，采用气体介质、固体介质、液体介质导声。既可以测量航道、水库等的液位高度，也可以测量液化气罐、化工塔等密闭容器内的液位高度。由于超声波液位计没有可动部件，不存在机械磨损和机械故障，其可靠性和使用寿命比浮子式液位计和伺服液位计有很大提高。超声波液位计测量装置结构简单，不需要其他附加设施，安装、使用、和维护都比较方便。但其主要缺点是：音速随温度、储存物料的化学成分和罐内蒸汽的运动而变化，对测量精度影响很大。２浮球改进式检测系统（１）浮球改进式检测系统原理组成。在油田现场实际生产中，油罐中的原油成分非常复杂，尤其是在一次沉降罐中，一次储油罐的主要功能是作为缓冲设备。在联合站中，原油被输送到一次储油罐中，需要对原油进行破乳、脱水、沉降等处理，除去原油中的水和盐等部分杂质。而对油罐开关阀的控制，是根据油罐中的液位和油层厚缘沉积创造了条件。４结论给充足，因此形成了中厚～厚层的以水下分流河道砂为骨架的扇三角洲沉积体系见图２。从初期图２（ａ、ｂ），河道的水体较浅，主要发育水下分流河道和分流间薄层砂微相；在中期图２（ｃ、ｄ），湖盆范围扩大，河道的水体变深，水动力变弱，水下分流河道发育变弱，沉积物的粒度变细。可见，水体能量与河道的展布具有重要的耦合关系。水体能量越强，河道冲刷能力就越强，河道就越发育。水体的图３兴隆台油层沉积模式图能量越小，河道冲刷能力就越小，河道发育局限。综合以上的研究成果，建立了杜２２９块兴隆台油层的沉积模式图见图３。３主控地质因素分析（１）沉积古地形和边界同生断层是扇三角洲形成的重要条件。古近系沙河街组沉积中后时期，辽河油田西部斜坡地区构造抬升，地层遭受强烈剥蚀，而兴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ组是在沙三末期长期抬升遭受剥蚀复杂古地形条件下形成的沉积，并受制于杜３２同生断层下降盘地质地理条件，并且与西部凹陷的湖波相毗邻，这为扇三角洲沉积创造了条件。（２）湖平面的相对变化控制了沉积微相的展布。兴隆台油层沉积时期，盆地正处在扩张期，湖平面处于不断的上升阶段，沉积物的供给速率相对比较低，这为研究区目的层主要发育水下的扇三角洲前（接１１７页）时通讯，同时采用光电隔离技术，使模块的抗干扰能力进一步加强。（５）光电复位开关的工作原理分析。在液位检测系统中，根据光电开关通断来清零。当检测系统电源停电时，需要对系统重新标定清零。具体操作是：摇动滑轮，使浮球上升，在浮球到达油罐的最高处时，把手放在光电开关处，此时光电开关为“断”状态，光电开关Ｚ指示灯变亮，光电开关信号被送到计数器，计数器此时清零。检测系统把该位置视为最高点，再摇动滑轮使浮球下放，当浮球在液面保持平衡时，系统根据计数器所计数值计算出此时液面的实际高度。３液位检测系统在现场应用情况及误差分析［５］（１）辽河油田杜２２９块兴隆台油层扇三角洲主要发育水下的扇三角洲前缘亚相沉积，而扇三角洲平原和前扇三角洲在研究区未见。扇三角洲平原进一步细分为水下分流河道、分流间浅滩、分流间薄层砂、河口坝以及分流间洼地等５种微相类型。（２）自下而上，研究区兴隆台油层总体表现为湖泊扩张，由浅水到深水的逐渐演化过程，水下分流河道和分流间薄层砂为主要沉积相带，也是研究区主要储油相带，是目前剩余油分布的主要区域。（３）辽河油田杜２２９块兴隆台油层扇三角洲沉积主要受古地形、边界同生断层以及湖平面的相对变化等因素控制。参考文献［１］任德生，刘立，陈江，等．辽河坳陷西部凹陷曙北地区古近系层序地层格架［Ｊ］．石油勘探与开发，２００４，３１（１）：４８－５０［２］于兴河．碎屑岩系油气储层沉积学［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２００２［３］刘宝珺主编．沉积岩石学［Ｍ］．北京：石油工业出版社，１９８０［４］裘怿楠，陈子琪．油藏描述［Ｍ］．北京：石油工业出版社，１９９６［５］包连纯，支印民，段宪余，等．曙一区兴隆台油层超稠油油藏地质特征及成藏条件分析［Ｊ］．特种油气藏，２０００，７：１－３作者简介于景锋（１９８２－），硕士，毕业于中国石油大学（华东），现从事油田开发研究工作。（收稿日期：２０１０－１２－２１）带的热膨胀系数很小，因此其拉伸变形的影响可以忽略不计。液位检测系统在现河联合站的实验检测结果如下表：根据以上实验检测结果，系统对误差影响进行了补偿修正。４结束语因为浮球液位检测系统是根据力平衡原理来设计的，所以，摩擦力的影响是导致系统误差的主要原因。在该系统中，采用了精密轴承组成的导向滑轮组，并由精密链条导向，以最大限度减小滑轮摩擦力，使系统的摩擦力降至约１Ｎ。系统同时采用了钢带牵引浮球，钢（接１３７页）储层的裂缝、断裂的发育对烃源岩起破坏作用。但页岩气藏中１６％￣８０％的气体以吸附状态存在，并且页岩气藏为不间断供气、连续聚集成藏，所以页岩气藏即使遭受构造运动破坏，整个页岩气藏保持不间断持续供气、连续聚集，游离气散失，吸附气仍然可以保存下来，所以与常规油气藏相比，页岩气藏对保存条件要求较低。５结论通过在现河采油厂的试验及应用中发现这种测量方式安全可靠，操作简单，能够直观反映大罐液位，具有双重高度计量，误差实时可校正，具有很好的实用性。（收稿日期：２０１０－１２－１４）（１）页岩气藏为自生自储型气藏，与常规气藏成藏条件不同。生烃条件、储集条件、保存条件相互影响，息息相关。（２）有机碳含量和热成熟度是评价页岩气藏的重要指标，一般来说有机碳含量高，有机质成熟度越高，页岩气藏含气性越好，但这两个参数不是唯一指标，运用这些参数时，要考虑页岩气藏类型。（３）页岩气藏储层致密，孔隙度和渗透率极低。储集性能受矿物成分、裂缝等的控制，粘土矿物增加了吸附气的吸附量，而石英、方解石等增加了岩石的脆性，有利于裂缝的形成，裂缝则增加了页岩气藏的渗滤能力，提高了页岩气藏的产能。（４）页岩气藏由于是自生自储型气藏，可以不断供气，连续聚集成藏，对保存条件要求不高。参考文献［１］张金川，金之均，袁明生，等．页岩气成藏机理和分布［Ｊ］．天然气工业，２００４，２４（７）：１５－１８［２］李登华，李建忠，王社教，等．页岩气藏形成条件分析．天然气工业，２００９，２９（５）：２２－２６［３］ＧＡＲＥＴＨＲ，ＣＨＡＬＭＳＲＳＲ，ＭＡＲＣＢＵＳＴＩＮ．ＬｏｗｅｒＣｒｅｔａｃｅｏｕｓｇａｓｓｈａｌｅｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＢｒｉｔｉｓｈＣｏｌｕｍｂｉａ：Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｏｎｇａｓｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｒｅｇｉｏｎａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｐｏｔｅｎｔｉａｌｒｅｓｏｕｒｃｅ［Ｃ］．ＡＡＰＧＡｎｎｕａｌＣｏｎｖｅｎｔｉｏｎ．ＳａｎＡｎｔｏｎｉｏ，Ｔｅｘａｓ：ＡＡＰＧ，２００８［４］ＲＯＢＥＲＴＧＬＯＵＣＫＳ，ＳＴＥＰＨＥＮＣＲＵＰＰＥＬ．Ｍｉｓｓｉｓ－ｓｉｐｐｉａｎＢａｒｎｅｔｔＳｈａｌｅ：Ｌｉｔｈｏｆａｃｉｅｓａｎｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｓｅｔｔｉｎｇｏｆａｄｅｅｐ－ｗａｔｅｒｓｈａｌｅ－ｇａｓｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎｉｎｔｈｅＦｏｒｔＷｏｒｔｈＢａｓｉｎ，Ｔｅｘａｓ［Ｊ］．ＡＡＰＧ，２００７，９１（４）：５７９－６０１［５］ＣＵＲＴＩＳＪＢ．Ｆｒａｃｔｕｒｅｄｓｈａｌｅ－ｇａｓｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＡＡＰＧＢｕｌｌｅｔｉｎ，２００２，８６（１１）：１９２１－１９３８［６］ＲｕｌｌｋｔｔｅｒＪＲ，Ｍａｒｚｉ，ＭｅｙｅｒｓＰＡ，ｅｔａｌ．ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌｍａｒｋｅｒｓｉｎＰａｌｅｏｚｏｉｃｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｒｏｃｋｓａｎｄｃｒｕｄｅｏｉｌｓｆｒｏｍｔｈｅＭｉｃｈｉｇａｎｂａｓｉｎ：Ｒｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｔｈｅｒｍａｌｈｉｓｔｏｒｙｏｆｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒ［Ｇ］／／ＳｃｈｉｄｌｏｗｓｋｉＭ．Ｅａｒｌｙｏｒｇａｎｉｃｅｖｏｌｕｔｉｏｎ：Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｍｉｎｅｒａｌａｎｄｅｎｅｒｇｙｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ－Ｖｅｒｌａｇ，１９９２：３２４－３３５［７］ＪＡＲＶＩＥＤ．ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｓｔｏｒａｇｅｉｎｔｈｅＢａｒｎｅｔｔｓｈａｌｅ，Ｆｏｒｔｗｏｒｔｈｂａｓｉｎ，Ｔｅｘａｓ［Ｒ］．Ｔｅｘａｓ：ＨｕｍｂｌｅｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｒｉｃｅｓＤｉｖｉｓｉｏｎ，２００４作者简介黄菲，毕业于西南石油大学资源勘查工程专业，现主要从事油气勘探工作。（收稿日期：２０１０－１１－２４）一种智能液位检测仪的设计TheDesignofAnIntelligentLiquidLevelInstrumentr摘要：设计一种多功能智能化液位检测装置，采用ATmega8作为硬件电路核心，以圆柱形电容探头为液位检测传感器，利用电容频率转换原理将电容变化为频率变化，利用单片机检测频率，软件计算液位高度。本装置具有机械去液面波动，用软件进行温度修正、线性校正、用户自校正，通信和多液体选择等功能。关键词：智能液位仪；柱形电容；电容频率转换；单片机Abstract:Amultiplefunctionsintelligentliquidlevelinstrumentisdesigned.ItemploystheATmega8asacoreofhardwarecircuit.,usescolumncapacitanceasliquidlevelsensor,utilizescapacitance-frequencyconversionprinciple,andmakesuseofsinglechipmicrocontrollerdetectingfrequencyandsoftwarecalculatingliquidlevelheight.Thisinstrumenthasgettingridoffluctuationofliquidsurface,usingsoftwaretemperaturecompensastion,linearcorrection,consumerselfcorrection,communicationandselectingmultipleliquids,Etc..Keywords:Intelligentliquidlevelinstrument,Columncapacitance，Capacitancefrequencyconversion,Singlechipmicrocontroller1引言图1电容传感器液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测装置也不少，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式、电容式等[1,2,3,4,5]，这各种方法都根据其需要设计完成，其结构、量程和精度各有特色,适用于各自的场合,但都是基于固定液箱液位检测而设计。市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球式、弹簧式等，绝大多数价格惊人。以上液位计普遍存在以下缺陷:1)输出为模拟量电流或电压，有些为机械指针显示，不能用于远程监视；2)系统普遍适用于静止液面测量，对于行走式的波动液面测量不准；3)一般液位仪在使用一定时间后，由于传感器和电子元件性能变化都会引起精度下降，多数没有自校正功能。为此，设计一种具有远距离监视、用户自校正、能消除液面波动等功能的、智能化程度较高的液位仪。利用圆柱形电容器原理，结合单片机设计出一种能检测多种液体的、适合于运动和静止液箱的智能液位检测仪。图1电容传感器2硬件设计本装置硬件电路由AVR单片机Atmega8芯片、RS232接口、数字温度传感器DS18B20、555振荡器、报警、按键和显示等电路组成，如图2所示。单片机采用Atmega8,其内部有8K的flash和512字节的E2PROM，可以直接写入程序和在线保存用户数据。圆柱形电容传感器采用如图1所示结构，主要由两个金属构成同心圆柱构成，其中1为内筒；2为外筒；3为上下固定端子，在内外筒之间开有小孔，能让水和空气自由流通，但孔较小，对外部波动液面有缓冲作用；4为电容引出屏蔽线，中心接内筒，边线接外筒再接电路板的地，可防止干扰；5为待测液体。图2的555振荡电路的A、B两点按电容传感器，线中心接A，边线接B。其它电路这里不再详述。根据圆柱形电容的理论（下面以水为例进行水位与电容的关系推算）其容量为:C=C1+C2=+C0+（1）其中，。振荡频率为：图2硬件电路原理图2硬件电路原理Hz（2）由于水的相对介电常数随温度变化比较明显，以20℃为基准，在0-50（3）取电容传感器总长度为L=100cm,将式（3）代入式（2）可得：cm(4)其中，=，即液位高度为0时的频率，为液位高度不同时的实时频率，T为实时水温，为了简便第二项取。在式（4）中，将相对介电常数换成油或其它液介质介电常数及各自与温度的关系即可得出不同液位的高度公式，这里不再详述。3软件设计根据硬件电路原理，利用单片机测出频率和水温T即可由式（4）利用软件计算得到液位的高度。单片软件如图3至图5所示，图3为系统主程序流程图，图4为液位测量流程图，图5为液位校正流程图。其它测频、测温、通信、显示、按键子模块程序流程图在此不再详述。开始开始初始化用户校正吗？按键YN按键校正液位水位测量油位测量酒精测量图3主程序测量频率测量频率测量液温读取校正频率液位高度换算温度修正线性校正液位显示图4液位测量模块测量频率测量频率显示频率保存参考频率吗？写I2CEPROM返回YN图5液位校正由上面的式（4）可知，当传感器和电子元件性能参数变化时，会引起的变化，从而影响高度误差。由此通过用户校正液位，即重新测量液空时的补始频率即可获得液位校正功能。4数据测试与误差修正在实际设计中,取L为100cm，对水位进行实测，当无液时的频率=279.0KHz,100cm高液位时=3.312KHz,频率最大时小于单片机的最高频率测量范围,频率最小时也不至于降低测频精度。经过测试，实际高度与测试结果如表1。表1液位实际高度与测试结果比较(测试水温20℃实际值0151015202530354245测量值010.715.621.927.533.541.946.1实际值50556065707580859095100测量值52.759.065.873.378.383.888.994.098.1101.3104.7由上表中可知,测量结果是一条波动曲线,在0cm、20cm处误差较小，为两线的交点，低误差为负，高端误差为正，90cm以后误差逐渐减小，预计在110cm处达到交点。经分段修正后，测量结果如表2。表2修正后液位实际高度与测量结果比较(测试水温20℃实际值0151015202530354545测量值015.210.414.819.524.730.135.039.644.6实际值50556065707580859095100测量值50.154.859.864.570.375.480.485.289.395.099.8由表2可知，经过修正后，误差小于0.5cm，分辨率为0.1cm。抽样检测不同水温的不同高度，误差都在1.0cm以内，符合设计要求。5结论本文作者主要创新之处是提出一种适合于波动液面液位检测的智能液位仪，具有温度补偿、用户自校正和通信等功能。本文设计了高度为100cm的柱形电容液位检测传感器，电容器具有结构简单，电路实现容易，利用555振荡电路实现了电容到频率的转换，利用程序实现频率到高度转换，理论正确可靠，推算过程合理，利用软件分段修正减小了线性误差。在电容的两端装有液位缓冲器，采用机械的方式减小液面波动。由实验测试可知，本液位检测装置性能稳定，检测可靠，测量精度达到1cm,分辨率可0.1cm，达到车载式喷雾机液位检测的要求。利用此方案可根据需要设计各种量程的液位检测装置，适用性较广。6参考文献[1]蔡幼忠.浮选槽的液位检测控制探讨[J].有色矿山，2002，31(6):35-36.[2]刘开锋,孔力,程晶晶等.超声波液位测量系统中高速数据采集卡的设计[J].微计算机信息(测控自动化),2004,20(12):42-43.[3]孙汉旭，胡旭辉.超声波液体位检测装置的研究[J].电子产品开发与创新，2004，17(2):1-2.[4]王美华，赵文达，官本诚.吹气法液位检测装置及其应用[J].自动化仪表，2004，25(3):31-34.[5]阮亚婕.智能电容式液位计系统设计.仪表技术[J]，2002，6:15-16.液位检测与控制试验系统设计发展现状：液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测装置也不少，按原理分有浮力式、压力式、超声波式、差压式、电容式等，这各种方法都根据其需要设计完成，其结构、量程和精度各有特色,适用于各自的场合,但都是基于固定液箱液位检测而设计。市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球式、弹簧式等，绝大多数价格惊人。“水是生命之源”，不仅人们生活以及工业生产经常涉及到各种液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。高老师也进行了多次的实验得出了一些相关的数据，水箱液位控制系统的设计应用非常长广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现。所以就选择了该题目的设计。由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。所以，我们在此设计了这个简易的监测系统，一方面，节省了大量的经济开支；另一方面，让我们对监测系统有了更加深刻、透彻的了解，不仅增加了我们的感性认识，还促进了我们对于系统各个部分的深刻剖析，从传感器选型到整个系统的建立，我们都投入其中，并为之努力着。设计目的：此次设计的思想来源于高中生活的一段经历：高中时期，由于供水设施的技术水平有限，下课后，当低楼层的宿舍集体用水时，高楼层的宿舍一般都接不到水。为了防止我们日常用水的短缺，我们一般选择在用水不是很紧张的中午午睡时，或是晚上熄灯以后往储水的水桶里接满水，以备随时使用。所以，为了解决这个问题，我们可以设计一个自动监测液位的装置，并由单片机来控制舵机的开断。液位传感器随时监测水箱的液位情况，并根据液位的不同，控制舵机的开断。当液位低于一定值时，单片机控制变频器，进而驱动舵机，使供水阀打开至最大；当液位达到水箱总高度的80%时，单片机控制变频器，进而驱动舵机使流速减小；当液位高于一定值时，单片机控制舵机，关紧舵机，停止储水。设计意义：此系统的成功设计，不仅解决了同学们日常生活中的问题，还使得我们的思维得到了锻炼，提高了我们遇到问题、解决问题的能力，充分发挥了我们的想象力和创造力。摘要：本系统设计了一种基于8051单片机的水箱液位控制系统。由液位设定值进行相应计算得变频器的频率，控制水泵的输入电压，从而控制进入水箱的液体量。液位传感器采集液位数据进行AD转换后，送入单片机与设定的液位进行比较得到误差后再进行DA转换。并由此误差进行相应的调节后作用于调节阀控制液体进入水箱的速度，进而控制液体流出水箱的速度。由以上进行水箱的液位控制。关键词：AT89S52、液位传感器、调节阀、变频器、水泵实验目的：通过设计液位检测系统，进一步了解各种过程器件的各种性能特征以及使用的场合与条件，更加清楚地知道各种仪表在自动化过程控制中的应用。通过本次独立的完成系统设计培养一种严密、整体的思维能力，以及独立完成各种工作的能力。实验要求：（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制舵机的转速；（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择液位传感器、调节器、调节阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；（3）设备选型要有一定的理论计算；（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求。实验步骤：（一）系统结构设计一个完整的检测控制系统框图如下：1、控制方案本设计是采用8051单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的水箱液位控制系统,使用液位传感器测液位，CPU循环检测传感器输出状态,并LCD显示示液位高度,检测液位等数据,实施报警安全提示,当水箱液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭舵机。水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水箱里的水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水舵机有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水舵机，停止加水；第三个位置是自动减速加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动调节舵机角度，加水速度减慢；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水舵机可能出故障，舵机角度达到最大，自动加大流速控制。2、系统总体框图（二）硬件设计2.1硬件设计概要系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在水箱内四个不同的位置，由上至下测量水箱液位值,。并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中,在通过1602显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。用LCD显示是因为它具有显示清晰、亮度高、可显示汉字、界面人性化等特点，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关舵机及舵机开的角度的大小,需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。系统按功能可以划分为以下几个模块：（1）电源模块：将变压器输出的+24V电源转换为系统正常工作使用的+5V电源，采用双电源工作。一路给光电式传感器供电，成为传感器电源；另一路给光电式传感器之外的所有电路供电，如：单片机、LCD显示装置、工作指示、按键等，称为主电源。（2）数据采集与处理模块：该模块以51单片机为核心，通过液位传感器收集检测信号，通过计算得到液位值。同时控制整个系统的运行，包括：系统初始化、传感器初始化、采集并处理传感器测量得到的液位值、工作指示及测量结果显示、参数设定等。（3）人机交互模块：包括工作指示、LCD显示。工作指示为5个LED灯管，包括主电源指示，传感器电源指示、运行指示、数据传输指示、系统运行异常指示。LCD显示实现当前液面位置显示、不同功能状态下内容显示。这些都保证了用户能够简单快捷的设定、使用和维护传感器，提高用户的操作体验。下图是水箱液位控制系统。由上图可观察到传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算控制，在通过LCD进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水箱的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是舵机。图2-1水箱液位控制系统2.2硬件选型2.2.1核心芯片8051单片机图5-1单片机管脚图整个系统控制部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4KEPROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够；而8051却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LCD数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。内部结构及功能五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12Mhz。我们可以将相应的PID调节程序写入8051单片机的程序存储器，将设定值由键盘输入到单片机后，与传感器采集的值进行比较后执行相应的调节程序。8051实现的结构框图如下：2.2.2液位传感器在水箱液位控制系统中,传感器的选择是非常重要的,传感器是能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。传感器的种类很多,有温度传感器,加速度传感器,光学传感器,压力传感器的。方案一：电容式传感器：其计算复杂，转换电路复杂，需使用555振荡电路来完成频率的转换、液位的测量。对于接地电容传感器，普通的被动屏蔽（防护罩连接地面）是不合适的，因为电缆的附加电容与电容器的电容同时存在，而且电缆的附加电容能够远大于由于环境条件引起的传感器的电容。为了减少这种附加电容的影响，接地电容式传感器一般采用有缘屏蔽技术连接到接口电路，价格昂贵，技术要求较高。方案二：使用发光二极管和光敏三极管传感器，不但检测电路及原理都相对简单，更为重要的是，其为数字式传感器，可将检测液位信号转换为高低电平，易于与主控制器单片机相连，进行相应控制。尤其是报警控制，使用蜂鸣器即可，硬件电路设计简单易懂，故障排除方便，易于实现系统报警控制。因此，本设计主要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器来对液位进行控制,在把检测的电信号输入到单片机进行分析,这个设计的重点是液位的控制,所以下面我要对液位传感器进行设计。采用的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传感器如下图将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。图6是AD转换部分原理图，在接线时先经过运算放大器和分压电把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到AD转换器。DA转换器则采用DAC08调节阀调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置。调节阀由执行机构和阀（调节机构）组成。执行机构是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其他调节机构的装置。信号或驱动力可以为气动、电动、液动或这三者的任意组合。阀是调节阀的调节部分，它与介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而达到调节流量的目的。分类：以压缩空气为动力源的调节阀称为气动调节阀；以电为动力源的调节阀则为电动调节阀。这两种是用得最多的调节阀。此外，还有液动调节阀、智能阀、调节阀等。电动调节阀与气动调节阀的对比电动调节阀优点是结构简单，应用范围广，调节过程可控性好，行程准确。缺点是可能产生电火花，或者静电火花。气动调节阀的优点是动作迅速，能够快速的完成调节命令，且安全，不会产生电火花。但缺点是控制复杂，造价高，结构复杂。所以调节上大多都使用的是电动阀，但是在某些要求快速关启的关路上和油管，易燃易爆气体，化工危险品管路上还是使用气动阀。且因为单片机直接输出电气信号，根据整个系统设计的需要电动调节阀更为合适。2.3.6水泵定义：通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。分类：根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。工作原理：1、容积式泵:利用工作腔容积周期变化来输送液体。2、叶片泵:利用叶片和液体相互作用来输送液体选择：实验设计中要求水箱高度为600mm，离地200mm，设备离地30mm，所以最大吸程应大于600+200-30=770mm，根据这一要求及其它电器、安全等要求，选择ASP系列的水泵，如下图所示：2.3硬件电路设计系统原理图及其说明2.3.1报警电路下列四种情况发生系统报警：1当水箱达到上限极限水位时报警，箱内的水位到达上限极限水位时系统发出报警；2当水箱达到下限极限水位时报警，箱内的水位到达下限极限水位时系统发出报警；2.3.2复位电路8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图2-3。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失,此设计采用自动复位电路。2.3.3键盘显示电路键盘显示电路主要是实现液位设定值的输入和显示实时液位的功能。键盘接口及其软件的设计任务主要包括：是否有键按下的检测并判断键值，有操作则进行延时去消抖，并根据键值计算出调整量送执行机构开启进水或排水阀，进行一系列的动作处理和执行。本系统采用4行×4列的16键行列式键盘，占用单片机P1口的8个端口。显示采用12864液晶显示当前液位测量值。图2-3复位电路原理图（三）软件设计3.1软件设计思想水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水箱里的水位进行检测。本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对水箱进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：通过对水箱的液位进行有效控制，实现了在无人条件下，水箱自动储水的功能。3.2软件流程图：（四）系统调试系统整体装置如下系所示：4.1分模块调试首先调试各个模块：蜂鸣器、液位传感器、液晶和舵机，其中蜂鸣器的功能是能够清晰、良好的将需放的声音释放出来；液位传感器和液晶是连在一起调试的，主要实现液晶正确显示监测液位信息；舵机模块的调试主要是运行程序观看舵机转动的角度。每一个模块调试无误后将所有模块联合在一起。4.2整体调试将系统的各个模块联合在一起，系统调试，并在容器内加上水，使系统运行，观看液晶及水的流速及蜂鸣器的发音现象，液晶显示正确的液位信息。（五）设计总结虽然这是一个简易的系统，但是具体着手去做这个实验发现整个系统非常复杂，特别是在元器件的选型、具体细节的实施及其参数的设定方面，不知道如何下手，经过几天的分析讨论，才有了一些认知。所以在这次在报告中水箱液位控制系统的理论分析有可能存在不合理的地方，以后会多多注重这方面的训练，好好努力的。本系统主要介绍了水箱的液位检测控制，绍了8051单片机和其它一些单片机在水箱控制系统中的应用，介绍了它们的引脚和在系统中的电路图，本设计还采用了传感器来对液位的信号采集，利用LCD来进行信号的输出显示,我设计的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良好的人机交互功能,并设有液位报警和阀门失灵等故障报警，有问题立即就能发现。液位控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。该系统硬件系统完全，但系统的运算与控制必须靠软件支持，本控制系统采用的是控制，采用单片机设计出的工业水箱控制器,能够针对汽包水位的不同状态和不同外界条件进行控制,汽包水位运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善;同时大大提高了控制系统的抗干扰能力,保证了工业水箱的稳定运行。控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好等优点,且系统硬、软件维护简单方便,尤其适用于工业控制现场,具有良好的应用前景。（六）心得体会在液位控制系统设计过程中，老师给了我们细致的指导，特别是有关于原理的叙述，设计的可行性，以及设计的难度的准确的分析和把握，使我们能在有限的时间中完成设计，使我们受益匪浅。首先，自学能力大大提高。由一开始的一无所知到最终设计成功，我们所需要的知识除了来自课堂，更多的是课外通过上网查询、向老师和学长请教等多种渠道获得。大家在一起讨论各种方案实施的可行性，各抒己见提出自己的观点，从学长和老师那里也学到了很多设计方面的经验。其次，在设计过程中遇到各方面的问题，多次修改无果失去耐心时，团队的力量使我们重新振作，并最终将困难一一解决，由此我们体会到合作的重要性。团队分工明确、成员互相鼓励以及个人的责任感都起了至关重要的作用。团结就是力量，无论在现在的学习中还是在以后的工作中，团结都是至关重要的，有了团结会有更多的理念、更多的思维、更多的情感。第三，我们切身感受到了理论与实践的巨大差距，课本上的知识是不能照搬的，需要结合自己的创造力才能实现其作用。课本上的知识是死的，现实应用当中灵活多变，只有多实践、多应用才能收获更多的实用技能，武装自己的头脑并应用到今后的设计或者工作当中去。现代检测技术及仪表是很重要的一门课程，老师和一些工作的学长都曾说过。尽管我们在课堂学到的内容很有限，但在以后的学习中还需要好好的深入研究和学习，学好了检测和仪表技术也就多了一项生存的本钱。最后感谢老师对我们的精心指导和帮助，感谢同学们对我的帮助。（七）参考文献[1]孙传友、翁惠辉《现代检测技术及仪表》高等教育出版社，2002年；[2]胡汉才年；[3]胡寿松《自动控制原理（第五版）科学出版社》[4]熊新民工业过程控制课程设计指导书2021年[5]熊新民[6]王俊杰有专家系统的PID自适应调节【J】自动化与仪表控制1992年检测技术与仪器单片机原理及应用重庆大学出版社2003年；2006年；《单片机原理及其接口技术（第3版）清华大学出版社》2004[7]蒋庭彪等编著[8]过程控制仪表实验指导书.中南大学教材科，2021年双水泵液位控制系统的设计系统工艺流程图如下：双水汞液位控制系统I\O点数分配：输入输出传感器Y1X1 当传感器检测到水位时，为‘‘1电动机M1继电器Y1传感器Y2X2当传感器检测到水位时，为‘‘1电动机M2继电器Y2传感器Y3X3当传感器检测到水位时，为‘‘1电磁阀F2Y3传感器Y0X0当传感器检测到水位时，为‘‘0蜂鸣器Y4启动开关X4运行热继电器Y5停止开关X5停止外部接线图：电动机电动机M2继电器电动机M1继电器传感器Y3传感器Y2传感器Y1传感器Y0电磁阀F2热继电器蜂鸣器启动开关停止开关X0X1X2X3COMY4Y3Y2Y1Y5220VPLCX4X5 梯形图：说明：（1）当上水箱液位低于Y3时，即X1~X2~X3=ON，[Y1、Ｙ2、Y3]=ON[Y4、Y5]=OFF（2）当上水箱液位升至Y2时，即X2、X3=OFF，X1=ON，Y2、Y3=OFF，Y1=ON，[Y4、Y5]=OFF（3）当上水箱液位升至Y1时，即Y1、Y2、Y3=OFF，Y4、Y5=OFF（4）当下水箱液位降至Y0时，即X0=OFF，Y4、Y5=ON指令表：双容水箱液位串级控制系统设计1.设计题目双容水箱液位串级控制系统设计2.设计任务图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。1图1双容水箱液位控制系统示意图3.设计要求1）已知上下水箱的传递函数分别为：Gp1(s=∆H1(s∆H2(s∆H2(s21，Gp2(s=。===∆U1(s5s+1∆Q2(s∆H1(s20s+1要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）；2）针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；3）针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。4.设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制对象特性：Gp1(s=∆H1(s2（上水箱传递函数）；=∆U1(s5s+1∆H2(s∆H2(s1（下水箱传递函数）。==∆Q2(s∆H1(s20s+1Gp2(s=控制器：PID；执行器：控制阀；干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下：在无干扰情况下，整定主控制器的PID参数，整定好参数后，分别改变P、I、D参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。然后，加入前馈控制，在有干扰的情况下，比较单回路控制、前馈-反馈控制系统性能的变化，前馈-反馈控制系统框图如下：系统实施方案图如下：5.设计内容1）单回路PID控制的设计MATLAB仿真框图如下（无干扰）：01先对控制对象进行PID参数整定，这里采用衰减曲线法，衰减比为10：1。A.将积分时间Ti调为最大值，即MATLAB中I参数为0，微分时间常数TD调为零，比例带δ为较大值，即MATLAB中K为较小值。B.待系统稳定后，做阶跃响应，系统衰减比为10：1时，阶跃响应如下图：参数：K1=9.8，Ti=无穷大，TD=0经观测，此时衰减比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C．根据衰减曲线法整定计算公式，得到PID参数：K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定参数得到阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6观察以上曲线可以初步看出，经参数整定后，系统的性能有了很大的改善。现用控制变量法，分别改变P、I、D参数，观察系统性能的变化，研究各调节器的作用。A．保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=16，Ti=16.8，TD=5.6参数：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6比较不同P参数值下系统阶跃响应曲线可知，随着K的增大，最大动态偏差增大，余差减小，衰减率减小，振荡频率增大。B．保持P、D参数为定值，改变I参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=10，TD=5.6参数：K1=12，Ti=1，TD=5.6比较不同I参数值下系统阶跃响应曲线可知，有I调节则无余差，而且随着Ti的减小，最大动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。C．保持P、I参数为定值，改变D参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6参数：K1=12，Ti=16.8，TD=11.6比较不同D参数值下系统阶跃响应曲线可知，而且随着D参数的增大，最大动态偏差减小，衰减率增大，振荡频率增大。现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，系统的仿真框图如下：阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6观察以上曲线，并与无干扰时的系统框图比较可知，系统稳定性下降较大，在干扰作用时，很难稳定下来，出现了长时间的小幅震荡，由此可见，单回路控制系统，在有干扰的情况下，很难保持系统的稳定性能，考虑串级控制。2）串级控制系统的设计系统的MATLAB仿真框图如下（有噪声）：当无噪声时，系统的阶跃响应如下图所示：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.3比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，大大缩短了调节时间。现向系统中加入噪声，观察不同P条件下的系统阶跃响应曲线：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.5观察以上曲线可知，当副回路控制器，调节时间都有所缩短，系统快速性增强了，在干扰作用下，当增益相同时，系统稳定性更高，提高了系统的抗干扰能力，最大偏差更小。可以取得令人满意的控制效果。6.设计总结设计总结1）通过本次设计，学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。2）基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印象非常深刻。3通过仿真验证了串级控制对干扰的强烈抑制能力，仿真过程中也熟悉了控制系统中MATLAB仿真的基本方法，相信对以后的学习会有所帮助。4）从设计内容来讲，或许学习的是仅仅过程控制，学习的仅仅是MATLAB的操作，但设计过程中，从设计思想，到研究方法，再到结论总结都培养了自己的学习研究能力，这也许更重要。内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：水箱液位控制系统设计学生姓名：吴云鹏学号：专业：测控技术与仪器班级：测控指导教师：李20216711223108-2班刚助教水箱液位控制系统设计摘要液位是工业工程中的常见变量，在各种过程控制中的应用越来越广泛。例如在食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中，通常需要使用蓄液池，而蓄液池中的液位需要维持一定的高度，既不能太满溢出造成危险，也不能过少而无法满足生产需求。因此液位高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。本文以实验室自制的双容水箱作为液位控制研究对象，通过上位机、研华的PCI-1710L板卡、电动调节阀、压力液位变送器组成的控制系统和压力液位变送器、变频器、水泵组成的控制系统分别实现了单容水箱的远程控制和就地控制，并在文章最后理论性的阐述了双容水箱的控制方法。设计中以组态软件--组态王为开发工具，开发了系统的监视与控制界面，并且自己编程实现PID控制程序，使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、历史数据的归档功能、异常信号的报警功能以及现场操作的指导功能。关键词：水箱液位；PID控制；组态王；变频器；ThedesignofthetanklevelcontrolsystemAbstractTheliquidlevelisoneofthecommonvariablesinIndustrialEngineering,theprocesscontrolismoreandmorewidelyused.Forexample,intheproductionprocessoffoodprocessing,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustries,liquidstoragetankisusuallyused,andmakingtheliquidlevelofliquidstoragetankatacertainheightisveryimportant,neithertoooverflowtorisknortooshortnottomeettheproductiondemand.Therefore,theheightofliquidlevelintheindustrialcontrolprocessisoneoftheimportantparameters,especiallyinthedynamiccondition.Ifadopttheappropriatemethodforthecontroloftheliquidleveldetection,wecangetgoodeffect.Theresearchobjectisbasedontheself-madedoubletanklevelcontrolsystem,throughthehostcomputer,theAdvantechPCI-1710Lcard,theelectriccontrolvalve,thepressureliquidleveltransmitter,thefrequencyconverterandthewaterpumpwegettwodifferentkindsofthecascadecontrolsystemforthesinglewatertankoftheliquidlevelcontrol,respectivelyrealizedtheeffectoftheremotecontrolandlocalcontrol.Andatlast,thisarticleexpoundsthetheoryofdoublewatertankcontrolmethod.Choosethedesignofconfigurationsoftware–Kingviewfordevelopmenttools,wehavehadthedevelopmentofthesystemtomonitorandcontrolinterface,andalsohaveprogrammedPIDcontrolproceduresthatmadethesystemhasafieldprocessdata,dynamicmonitoringhistoricaldataarchivingfunction,abnormalsignalofthealarmfunctionandtheguidancefunctionoftheon-siteoperation.Keywords:Tanklevel;PIDcontrol;Kingview;Frequencyconverter;目录摘要.................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II第一章绪论..................................................................................................................11.1选题背景及意义..............................................................................................11.2液位控制系统的发展现状.............................................................................21.3本文的主要工作.............................................................................................3第二章控制对象及算法简介......................................................................................52.1被控制变量的选择..........................................................................................52.2执行器的选择.................................................................................................52.3压力液位变送器的选择.................................................................................52.4研华板卡PCI-1710L简介...............................................................................62.4.1模拟量输入连接....................................................................................82.5PID控制算法概述............................................................................................92.5.1PID控制器的应用与发展......................................................................92.5.2PID算法类型[1].....................................................................................102.5.3PID两种控制方式................................................................................11第三章基于组态王的单容水箱液位控制系统........................................................133.1组态王简介[8].................................................................................................133.1.1组态王软件的组成..............................................................................133.1.2制作工程的一般步骤.........................................................................143.1.3组态王与外部设备通信.....................................................................143.2控制方案选取................................................................................................153.3上位机组态软件的开发...............................................................................163.3.1监控画面..............................................................................................163.3.2构造数据库..........................................................................................173.3.3数据通信..............................................................................................193.3.4命令语言的编写.................................................................................203.3.5实时曲线.............................................................................................213.3.6历史报警查询[11].................................................................................213.3.7历史曲线.............................................................................................233.4参数整定.......................................................................................................25第四章基于变频器的单容液位控制系统................................................................264.1变频调速基础...............................................................................................264.2三菱通用变频器FR-D700简要介绍...........................................................274.2.1FR-D700简介.....................................................................................274.2.2三菱变频器FR-D740-1.5K-CHT常规介绍......................................284.2.3控制电路接线端极端子功能介绍.....................................................294.2.4操作面板及其功能介绍....................................................................314.3变频器的作用...............................................................................................314.4控制系统调试...............................................................................................324.4.1操作步骤..