1、组态软件应用技术项目式教程,项目四：双容水箱液位串级控制系统的设计与调试任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,任务描述：,画出系统的硬件构成图;,熟悉AE2000A的系统构成;,工艺要求分析；,掌握智能仪表AI818的使用,1,2,3,4,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,4.1.1 AE2000A实验对象介绍 过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱（长宽高：850450400mm）、强制对流换热管系统、串接圆筒有机玻璃上水箱（250370mm）、下水箱（250270mm）、三相1.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外
2、循环不锈钢冷却锅炉夹套组成），纯滞后盘管实验装置。系统动力支路分为两路组成：一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由单相丹麦格兰富循环水泵、变频调速器、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。图4-1所示的系统结构图中，检测变送和执行元件有：液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、压力表、电动调节阀、电磁阀等。,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,4.1.1 AE2000A实验对象介绍,图4-1 AE2000A系统结构,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,4.1.1 AE2000A实验对象介绍 AE2000A
3、实验对象的检测及执行装置包括： （1）检测装置：HART智能液位传感器。分别用来检测上水箱、下水箱液位的管道压力；电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计用来检测单相格兰富水泵动力支路流量；Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、热水出口水温。 （2）执行装置：三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加热管的工作电压；电动调节阀调节管道出水量；变频器调节小流量丹麦水泵。,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,4.1.2 双容水箱液位控制系统的硬件介绍 （1）液位传感器工作原理：当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差
4、分放大并输入到V/A电压/电流转换器，转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的420mA标准电流输出信号。接线如图4-2所示：,图4-2 传感器接线图,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,4.1.2 双容水箱液位控制系统的硬件介绍 （2）执行机构-电动调节阀 QSVP20-15N智能电动单座调节阀 主要技术参数： 执行机构 型式：智能型直行程执行机构 输入信号：010mA/420mADC/05VDC/15VDC 输入阻抗：250/500 输出信号：420mADC 输出最大负载：500 信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开/全关/0100%间的任意值 电源：220V10%/
5、50Hz,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,4.1.2 双容水箱液位控制系统的硬件介绍 （3）智能调节仪AI818A 智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司AI818A，除具备AI708A的全部功能特点外，还具备外给定、手动/自动切换操作、手动整定及显示输出值等功能，并具备直接控制阀门的位置比例输出（伺服放大器）功能，也可独立做手动操作器或伺服放大器用。此外，还具备可控硅移相触发输出功能，可节省可控硅移相触发器，能精确控制温度、压力、流量、液位等各种物理量。,图4-3 智能调节仪AI818A面板,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,4.1.2 双容水箱液位控制系统的硬件介绍 （
6、3）智能调节仪AI818A 面板接线端子功能说明： 1、2端子：1-5V，0-5V信号输入端。（1端+，2端-）2、3、4端子：2、3为0.2-1V信号输入端（注：0.2-1V信号必须从2、3端子输入,2端为-，3端为+）；2、3、4为热电阻，热电偶信号输入端。 RSV（I/V转换）：将测量或外部输入电流信号转换为电压信号后输入到1、2端或2、3端。 7、8：测量或控制电流信号输出端。9、10：220V交流供电电源输入端。RS485通讯口：与上位机通讯接口。,图4-3 智能调节仪AI818A面板,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,4.1.2 双容水箱液位控制系统的硬件介绍 （3）智能
7、调节仪AI818A 智能调节仪使用参数设置如下（见图4-4所示设置面板）： 修改参数时，按住 键3秒，即可调出如表4-2第一个参数HIAL，用 、 、修改参数的值。修改好第一个参数后，再按一下 即可进入下一个参数的修改。,图4-4 智能调节仪AI818A参数设置面板,任务4.1：双容水箱液位控制系统的硬件组成,4.1.2 双容水箱液位控制系统的硬件介绍 （3）智能调节仪AI818A,表4-2智能调节仪AI818A的参数说明,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,任务描述：,根据系统工作原理设计串级控制系统;,PID串级控制系统结构;,理解PID算法；,1,2,3,任务4.2 双容水箱
8、液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍 在实际生产过程控制中，应用最广泛的调节器控制为比例、积分、微分控制，简称PID控制或PID调节。PID调节以结构简单、稳定性好、工作可靠、调节方便而成为工业控制的主要技术之一。 1. 模拟PID控制器 典型的PID模拟控制系统如图4-5所示。图中的各物理量均为模拟量，SV(t)是设定值，PV(t)是过程变量，c(t)是被控量，PID调节器的输入输出关系式为（4-1） 式中，误差信号 ；y(t)是PID控制器的输出值；KP是控制器的比例系数；TI和TD分别是积分时间常数和微分时间常数。PID控制程序的主要任务就是实现式（4-1）中的运算，因
9、此有人将PID控制器称为PID控制算法。,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍 2. PID控制器的作用 1）比例调节器 比例调节器的微分方程为： Y=Kpe(t) (4-2) 式中：Y为调节器输出；KP为比例系数；e(t)为调节器输入偏差。由式(5-2)可以看出，调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例调节器的特性曲线如图4-6所示。,图4-6 比例调节器阶跃响应曲线,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的
10、选择,4.2.1 PID算法介绍 2. PID控制器的作用 （2）比例积分调节器 所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。积分微分方程为：（4-3）式中：Ti是积分时间常数，它表示积分速度的大小， Ti越大， 积分速度越慢，积分作用越弱。 积分作用的阶跃响应特性曲线如图4-7所示。,图4-7 积分调节器阶跃响应曲线,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍 2. PID控制器的作用 （2）比例积分调节器 积分作用的特点是调节器的输出与偏差存在的时间有关，只要有偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除，调节器的输出才不会变化。因此，积分作
11、用能消除静差，但从图4-7中可以看出，积分的作用动作缓慢，而且在偏差刚一出现时，调节器作用很弱，不能及时克服扰动的影响， 致使被调参数的动态偏差增大，调节过程增长，它很少被单独使用。若将比例和积分两种作用结合起来，就构成PI调节器，调节规律为：（4-4）,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍 2. PID控制器的作用 （2）比例积分调节器 由图4-8可以看出，对于PI调节器，当有一阶跃作用时，开始瞬时有一比例输出y1，随后在同一方向，在y1的基础上输出值不断增大，这就是积分作用y2。由于积分作用不是无穷大，而是具有饱和作用，因此经过一段时间后，PI调节器的
12、输出趋于稳定值KiKpe(t)，其中，系数KiKp是时间t趋于无穷时的增益，称之为静态增益。由此可见，这样的调节器，既克服了单纯比例调节有静差存在的缺点，又避免了积分调节器响应慢的缺点，静态和动态特性均得到了改善。,图4-8 PI调节器阶跃响应曲线,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍 2. PID控制器的作用 （3）比例微分调节器 PI调节器虽然动作快，可以消除静态误差，但当控制对象具有较大的惯性时，用PI调节器就无法得到很好的调节品质。这时，若在调节器中加入微分作用，即在偏差刚刚出现，偏差值尚不大时，根据偏差变化的趋势(速度)，提前给出较大的调节作用，
13、这样可使偏差尽快消除。微分调节器的微分方程为：（4-5）式中TD为微分时间常数。,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍 2. PID控制器的作用 （3）比例微分调节器,图4-9 微分调节器阶跃响应曲线,图4-10 PD调节器阶跃响应曲线,从图中可以看出，当偏差刚一出现的瞬间，PD调节器输出一个很大的阶跃信号，然后，按指数下降，以致最后微分作用完全消失，变成一个纯比例环节。 通过改变微分时间常数TD，可以调节微分作用的强弱。,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍 2. PID控制器的作用 （4）比例积分微分调节器 为了进
14、一步改善调节品质，往往把比例、积分、微分三种作用组合起来，形成PID调节器。,图4-11 PID调节器阶跃响应曲线,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍 3. 数字PID控制器 因为式(4-1)表示的调节器的输入函数及输出函数均为模拟量，所以计算机是无法对其进行直接运算的。为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。取T为采样周期，k为采样序号，k=0，1，2，i， k，因采样周期T相对于信号变化周期是很小的，这样可以用矩形法算面积， 用向后差分代替微分，即于是，式(4-1)可写成：（4-8）,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.
15、2.1 PID算法介绍 3. 数字PID控制器 式中：y(k)是采样时刻k时的输出值；e(k)是采样时刻k时的偏差值；e(k-1)是采样时刻k-1时的偏差值。 输出量y(k)为全量输出。它对应于被控对象的执行机构(如调节阀)每次采样时刻应达到的位置，因此，式(4-9)称为PID位置控制算式。这即是PID控制规律的离散化形式。应指出的是，按式(4-9)计算y(k)时，输出值与过去所有状态有关，计算时要占用大量的内存和花费大量的时间，为此，将式(4-9)化成递推形式：（4-9）,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍 3. 数字PID控制器 用式(4-8)减去式
16、(4-9)，经整理后可得：（4-10） 按式(4-10)计算在时刻k时的输出量y(k)，只需用到采样时刻k的偏差值e(k)，以及向前递推一次及两次的偏差值e(k-1)、 e(k-2)和向前递推一次的输出值y(k-1)，这大大节约了内存和计算时间。 应该注意的是，按PID的位置控制算式计算输出量y(k)时，若计算机出现故障，输出量的大幅度变化，将显著改变被控对象的位置(如调节阀门突然加大或减小)，可能会给生产造成损失。为此，常采用增量型控制，即输出量是两个采样周期之间，控制器的输出增量y(k)。 由式(4-10)，可得：,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.1 PID算法介绍
17、 3. 数字PID控制器(4-11) 式(4-11)称为PID增量式控制算式。 式(4-10)和式(4-11)在本质上是一样的，但增量式算式具有下述优点： 计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，误动作影响小。 在进行手动/自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.2 串级控制基本概念及组成结构,一般的串级控制系统结构框图如图4-12所示。从图中可以看到，串级控制系统有一个明显的特点：在结构上有两个闭环。一个环在里面，称之为副环或副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，称之为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以
18、最终保证被调量满足工艺要求。无论主环还是副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器（PID控制器又称为PID调节器）。应该指出，系统中尽管有两个调节器，但它们的作用各不相同。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则送到执行机构去控制生产过程。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.3 串级控制系统的工作过程 当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点
19、的位置不同，分三种情况进行分析： （1）扰动作用于副回路 （2）扰动作用于主过程 （3）扰动同时作用于副回路和主过程 分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。,任务4.2 双容水箱液位控制系统控制策略的选择,4.2.4 双容水箱液位控制系统串级控制设计,任务4.3 双容水箱液位控制系统上位机监控软件设计,任务描述：,人机界面设计;,数据库组态;,智能仪表硬件设备定义；,1,2,3,任务4.3 双容水箱液位控制系统上位机监控软件设计,4.3.
20、1 工程的建立,图4-14 组态王的工程浏览器,任务4.3 双容水箱液位控制系统上位机监控软件设计,4.3.2 设备的配置 双击工程目录显示区中“设备”大纲项下面的“COM1”成员名，然后在出现的窗口中输入串行通信口COM1的通信参数（如图4-15所示）：波特率为9600b/s，无校验，8位数据位，2位停止位，RS232为通信方式，然后单击“确定”按钮，这就完成了对COM1的通信参数配置，保证COM1同智能仪表AI818A的通信能够正常进行。,图4-15 串口COM1的通讯参数设置,任务4.3 双容水箱液位控制系统上位机监控软件设计,4.3.2 设备的配置由于“组态王”软件驱动包中没有AI81
21、8A的驱动，我们可以采用本系列的AI808，随后双击目录内容显示区的“新建”图标，在出现的“设备配置向导”中单击“智能仪表” “宇光”“AI808_50”“串口”，如图4-16所示，然后，再单击“下一步”按钮，在该窗口给要安装的设备指定一个唯一的逻辑名称，可以取名为“调节仪一”，再单击“下一步”，在下一个窗口中选择串口号为“COM1”,再单击“下一步”按钮，为要安装的虚拟设备指定地址为“1”（注意，实验装置的第一个调节仪AI818的“Addr”参数设置为“1”），再单击“下一步”按钮，出现“通信故障恢复策略”设定窗口，使用默认设置即可，再单击“下一步”按钮，出现“信息总站”窗口，检查无误后单击
22、“完成”按钮，完成设备的配置。此时在工程浏览器的“目录内容显示区”中出现了“调节仪一”图标。我们采用同样的方法为第二个调节仪AI818进行设备定义，取名为“调节仪二”，地址设定为“2”（实验装置的第二个调节仪AI818的“Addr”设置为“2”）。,任务4.3 双容水箱液位控制系统上位机监控软件设计,4.3.3 变量的定义,任务4.3 双容水箱液位控制系统上位机监控软件设计,4.3.4 监控画面的制作 1主监控画面,任务4.3 双容水箱液位控制系统上位机监控软件设计,4.3.4 监控画面的制作 2报警窗口的制作,图4-15 报警窗口,任务4.3 双容水箱液位控制系统上位机监控软件设计,4.3.
23、4 监控画面的制作 3. 趋势曲线画面的制作,图 4-17 趋势曲线画面,任务4.4 双容水箱液位控制系统的调试,任务描述：,.主、副回路PID控件参数设置;,测量变送器的校准;,智能仪表设备的参数设置；,1,2,3,实时曲线的采集及分析；,4,任务4.4 双容水箱液位控制系统的调试,4.4.1 设备的连接与检查 在调试前，先要确保AE2000A实验装置各个硬件正常，检查步骤如下： （1）打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。 （2）打开上水箱和下水箱的出水阀至适当开度。 （3）检查电源开关是否关闭。,任务4.4 双容水箱液位控制系统的调试,4.4.2 系统连线图 (1)电源控制板上的三相电源、单相泵电源开关打在关的位置。 (2)智能调节仪的0220V电源开关打在关的位置。 (3)如图4-19所示：将I/O信号接口板上的下水箱液位的钮子开关打到OFF位置，上水箱液位的钮子开关打到ON位置。 (4）将主调节仪的420mA输出接至I/O信号面板的转换电阻上转换成15V电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为0.21V的信号后接入副调节器的3、2两端。调节器输出的420mA接电动调节阀的420mA控制信号两端。,图4-19 双容水箱串级控制实验接线图,
