基于組態(tài)王軟件的雙容水箱流量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚振靜 段艷麗

摘? ?要：文章采用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)雙容水箱流量監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用擴(kuò)散硅液位變送器進(jìn)行液位測(cè)量，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行器，采用PI算法控制雙容水箱流量。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)工作時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與速度曲線顯示，當(dāng)雙容水箱受到階躍擾動(dòng)時(shí)，控制效果最優(yōu)，上升時(shí)間為22 s，超調(diào)量為26.7%，達(dá)到較為良好的監(jiān)控要求。

關(guān)鍵詞：組態(tài)王;流量;監(jiān)控

基金項(xiàng)目：防災(zāi)科技學(xué)院精品建設(shè)課程基金項(xiàng)目;項(xiàng)目編號(hào)：NO.JPJS2016010。防災(zāi)科技學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目;項(xiàng)目編號(hào)：NO.JT201702。

作者簡介：姚振靜（1980— ），女，河北故城人，副教授，博士;研究方向：儀器儀表技術(shù)。

流量監(jiān)控系統(tǒng)是以液體或氣體的流量為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，已被廣泛應(yīng)用在化工、石油、鋼鐵、輕工等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，都要求對(duì)某個(gè)流量參數(shù)進(jìn)行控制[1-2]。例如，城市天然氣輸配系統(tǒng)需要安裝天然氣流量監(jiān)控系統(tǒng)，以對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理。在鋼鐵行業(yè)中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控空氣流量和氧氣流量，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。自來水輸送管道也需要實(shí)時(shí)監(jiān)控水流量，確保自來水的安全輸送。因此，流量控制系統(tǒng)一直受到人們的廣泛重視，也引起了很多科研工作者的關(guān)注[3-5]。本文利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)一個(gè)雙容水箱流量監(jiān)控系統(tǒng)。

1? ? 雙容水箱流量控制系統(tǒng)工藝流程

雙容水箱流量監(jiān)控系統(tǒng)是由水箱V102和V103、儲(chǔ)水箱V104、流量計(jì)FT102、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、水泵、手閥、可編程控制器組成，系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，雙容水箱由中水箱V103和上水箱V102組成，V102流過管道的流量為該系統(tǒng)的被控變量，F(xiàn)V101為操縱變量。儲(chǔ)水箱中水介質(zhì)經(jīng)過水泵流入水箱V103，由流量計(jì)FT102測(cè)量流量，流量測(cè)量值送入控制器中，根據(jù)控制算法輸出控制信號(hào)，調(diào)整FV101的開度，直到流速穩(wěn)定到設(shè)定值。控制器采用西門子S7-200PLC，控制算法采用PI算法。

圖1? 雙容水箱流量控制系統(tǒng)工藝流程

2? ? 雙容水箱流量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雙容水箱流量監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)流量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括組態(tài)流量監(jiān)控系統(tǒng)畫面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫的建立、動(dòng)畫鏈接、曲線顯示、運(yùn)行調(diào)試等，實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線顯示、控制參數(shù)在線調(diào)整、數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。

雙容水箱流量監(jiān)控系統(tǒng)主畫面是水箱、管道、水泵、電磁閥、傳感器、PLC組成的系統(tǒng)（見圖2）。首先，開始創(chuàng)建組態(tài)畫面，使用工程管理器新建一個(gè)組態(tài)王工程后，進(jìn)入組態(tài)王工程瀏覽器，建立新的畫面，并命名為“雙容水箱流量監(jiān)控系統(tǒng)”。其次，在畫面開發(fā)系統(tǒng)中制作儲(chǔ)水箱V104、中水箱V103、上水箱V102，在圖2中選擇水泵、閥門、PLC、傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等放置在主畫面的對(duì)應(yīng)位置上。最后，將所有器件用管道和折線按照工藝流程圖連接起來，形成控制回路。水泵開啟按鈕為啟動(dòng)和停止的浮動(dòng)按鈕P102，可用于啟動(dòng)水泵或系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)設(shè)置停止。控制界面主要由歷史曲線、報(bào)表、流量顯示窗口、調(diào)節(jié)閥開度顯示、PID控制組成，分別由歷史曲線按鈕、報(bào)表按鈕、PID控制按鈕控制窗口。實(shí)時(shí)曲線顯示界面，用來顯示調(diào)節(jié)閥的開度、設(shè)定值以及測(cè)量值的變化的界面。

PID參數(shù)設(shè)定界面包含PID參數(shù)設(shè)定、流量SP設(shè)置設(shè)定及流量實(shí)時(shí)曲線。根據(jù)控制系統(tǒng)的性能要求設(shè)置PID參數(shù)值，根據(jù)設(shè)定的PID及測(cè)量值作用于到調(diào)壓模塊，使之達(dá)到設(shè)定液位，最終使系統(tǒng)消除余差，響應(yīng)快、更穩(wěn)定。實(shí)時(shí)曲線能真實(shí)反映設(shè)定液位值與當(dāng)前時(shí)間液位的值，從曲線可以判斷系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、誤差等。

建立歷史曲線畫面時(shí)，點(diǎn)擊圖庫，然后單擊打開圖庫選項(xiàng)，在“圖庫管理器”畫面中選擇“歷史曲線”，鼠標(biāo)點(diǎn)擊歷史曲線，并放置在畫面上，完成歷史曲線的建立（見圖3）。點(diǎn)擊歷史曲線畫面中的關(guān)閉按鈕可關(guān)閉該畫面，點(diǎn)擊畫面中的返回按鈕可返回主界面，歷史曲線可以顯示未做實(shí)驗(yàn)之前設(shè)定值和測(cè)量值的變化。

建立報(bào)表界面時(shí)，從工具箱菜單中找出報(bào)表選項(xiàng)，用鼠標(biāo)選中報(bào)表窗口按鈕，放置到畫面對(duì)應(yīng)位置即可產(chǎn)生報(bào)表窗口（見圖4）。報(bào)表可以顯示給定值，測(cè)量時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度等實(shí)時(shí)變化的參數(shù)，點(diǎn)擊報(bào)警畫面中的關(guān)閉按鈕即可關(guān)閉該畫面，點(diǎn)擊畫面中的返回按鈕即可返回主界面。

3? ? 系統(tǒng)測(cè)試及分析

點(diǎn)擊P102開啟水泵，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況設(shè)置流量設(shè)定值，采用經(jīng)驗(yàn)整定法整定PI控制器的參數(shù)，使得流量控制系統(tǒng)測(cè)量值與設(shè)定值一致。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，P=2，I=10 000時(shí)得到的曲線較為理想，其輸出曲線如圖5所示。系統(tǒng)的最大動(dòng)態(tài)偏差為8，衰減率為75%，超調(diào)量為26.7%，殘差為0，調(diào)節(jié)時(shí)間大約為60 s，上升時(shí)間為22 s。同時(shí)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了流量的歷史曲線功能（見圖6）和報(bào)表功能（見圖7）。

4? ? 結(jié)語

利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)雙容水箱流量監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能，同時(shí)控制器參數(shù)在線可調(diào)，采用經(jīng)驗(yàn)整定法整定PI控制器參數(shù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該流量監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)流量監(jiān)控的要求，系統(tǒng)超調(diào)量小，上升時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的穩(wěn)定控制。

基金項(xiàng)目：防災(zāi)科技學(xué)院精品建設(shè)課程基金項(xiàng)目;項(xiàng)目編號(hào)：NO.JPJS2016010。防災(zāi)科技學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目;項(xiàng)目編號(hào)：NO.JT201702。

作者簡介：姚振靜（1980— ），女，河北故城人，副教授，博士;研究方向：儀器儀表技術(shù)。