以智能儀表為基礎的串聯雙容水箱液位控制系統的設計探討

趙家龍+張宇航+吳翼翔+何鑫+李辰

摘要：本文基于智能儀表A1808，提出了串級控制串聯雙容水箱液位的方法，另基于MCGS組態軟件，提出了上位機對現場開展實時、動態的監控方法，以期為此領域設計研究提供些許參考。

關鍵詞：智能儀表；串聯雙容水箱；液位控制系統；設計

在工業過程控制的整體架構中，串聯雙容水箱得到了十分廣泛的應用。在控制串聯雙容水箱水位方面，所進入的水首先會流入到第一個水箱，然后經第二個水箱而實現外排，相比于第一個水箱，由于額外增加了另外一個水箱，因此，被控量的實際時間，相比之前，要明顯落后于后者，造成不同程度的容積延遲，最終造成此過程無法得到有效控制。針對串級控制而言，其作為改善調節過程動態性能的主要且有效的方法，因其具有比較前衛的控制作用，因此，對于系統所存在的容積延遲情況，能夠給予有效克服。運用兩步整定法，利用MCGS組態軟件，實時監控整定過程與曲線，直到主回路與副回路均能達到最佳的整定參數。

1.串聯雙容水箱系統的基本流程

圖1為串聯雙容水箱系統的工藝流程。

從圖1可知，運用水泵，將其當作輸送源，抽儲水槽當中的水，使之維持在高位水箱，然后利用電動調節閥所具有的調節作用，能夠根據實際需要，對進水量進行適當性調節，然后經手動閥，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。在整個工序當中，無論是高位水箱，還是低位水箱，均有與之相對應的儀表來控制與檢測。

2.控制系統的控制要求及實現策略

2.1串聯雙容水箱液位控制要求

依據系統的整體工藝要求，為保障精度的準確性，系統將低位水箱液位作為主要調節參數，然后以高位水箱液位作為系統的副調節參數，通過高、低位水箱的融合與互聯，構建起串聯雙容水箱的串級控制系統。針對低位水箱而言，其液位傳感器所檢測到的液位信號，通過對比給定液位值，然后輸送至主調節器，通過IPD的系統化運算，將其輸出當作副調節器的給定值，然后將其對比于高位水箱的液位傳感器所檢測到的液位信號，把比較所得最終值送至副調節器，通過開展系統化IPD運算，其輸出除了能夠對電動調節閥相應開度進行有效控制外，還能對進水流量的大小、快慢施加準確控制，因此，能夠較好的控制水箱的液位。

2.2控制系統的基本結構及實現方法

依據總體的工藝要求，由于系統需要處理的內容主要是模擬量信號，即流量、液位等，因此，可以選用智能儀表AI808，用此來全面、準確的處理信號，還能實現對整個系統的實時、有效控制；另外，通過選用組態軟件MCGS，能夠實時監控并準確、詳細顯示系統各類信息。

（1）信號的采集及控制。針對智能儀表AI808而言，其選用的是時下比較先進的微電腦芯片與技術，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，具有較強的抗干擾能力。儀表的測量精度可以達到0.2級，能夠在AC85～265V寬范圍內完成自由電源的輸入，除此之外，還能安裝各種尺寸的芯片，其采用自校準技術與數字校正系統，具有更佳穩定的測量精確，還能最大化消除時漂、溫漂所造成的測量誤差。另外，系統還能設置各種報警方式，當儀表接的是熱電阻輸入時，選用三線制接線，能夠較好消除由引線所造成的誤差；如果接入的時熱電偶輸入，儀表內部配置有專門的冷端補償部件；如若接入接電壓/電流時，那么可以隨意設置所顯示的物理量程。因此，此系統對于諸如濕度、液位、流量、壓力及溫度等，均能實現精確控制，具有各種控制類型，如通訊、報替、人工智能調節、控制及變送等，此外，還具有位置比例輸出、手動自整定及手動調節等功能，對于液位的串級控制非常適用。針對由低位壓力傳感器所檢測到的低位水箱壓力信號，通過液位變送器，能夠變成標準信號，然后向主調節器AISOS輸送，將其對比于液位給定值，通過PID運算之后，將其輸出當作副調節器AI808的給定值，其值對比于高位水箱壓力傳感器所檢測到的高位水箱實際信號，通過PID運算，輸出驅動電動調節閥，以此來控制閥門，使其變大或變小，以此達到對低位水箱相應液位施加有效控制的目的，使其在精度準允范圍內得以調節。（2）上位機監控組態軟件。本系統選用的MCGS5工業控制組態軟件（北京昆侖公司），經RS232/RS485轉換器，能夠使智能儀表AISOS與PC機之間實時通信。而對于MCGSS.5組態軟件而言，其能夠現場采集數據，并能夠對歷史數據進行實時處理，實時監控工藝過程，另外，還有呈現趨勢曲線及報警等功能。

3.控制系統的調試

為了使控制系統的精度滿足實際要求，可選用兩步整定法，首先整定副環，根據4：1衰減曲線法，得出δs1=83，Ta1=40s，用相同方法，對主環進行整定，得出δa2=6.5，Ta2=30s，最終便可得到主調節器的參數：δ1=100，Tn=20s，副調節器參數δ2 =100，TD2=20s。把它們投入系統運行，便可得出實時控制曲線。

4.結語

綜上，選用串級控制方案，能夠較好的克服雙容對象的容量延遲對液位控制所造成的不良影響，具有較好的控制效果。利用上位機對組態界面進行監控，能夠使系統運行與控制變得更加直觀，經投運得知，系統運行效果良好。

參考文獻：

[1]吳興純， 楊燕云， 吳瑞武，等.基于參數自整定的雙容液位模糊控制系統設計[J].自動化與儀器儀表， 2011（4）：41-43.

[2]王華忠， 孫自強， 王慧鋒，等.基于智能儀表和PLC的雙容水箱測控實驗系統開發[J].電氣電子教學學報， 2009， 31（s2）：1-3.endprint