以智能仪表为基础的串联双容水箱液位控制系统的设计探讨

赵家龙+张宇航+吴翼翔+何鑫+李辰

摘要：本文基于智能仪表A1808，提出了串级控制串联双容水箱液位的方法，另基于MCGS组态软件，提出了上位机对现场开展实时、动态的监控方法，以期为此领域设计研究提供些许参考。

关键词：智能仪表；串联双容水箱；液位控制系统；设计

在工业过程控制的整体架构中，串联双容水箱得到了十分广泛的应用。在控制串联双容水箱水位方面，所进入的水首先会流入到第一个水箱，然后经第二个水箱而实现外排，相比于第一个水箱，由于额外增加了另外一个水箱，因此，被控量的实际时间，相比之前，要明显落后于后者，造成不同程度的容积延迟，最终造成此过程无法得到有效控制。针对串级控制而言，其作为改善调节过程动态性能的主要且有效的方法，因其具有比较前卫的控制作用，因此，对于系统所存在的容积延迟情况，能够给予有效克服。运用两步整定法，利用MCGS组态软件，实时监控整定过程与曲线，直到主回路与副回路均能达到最佳的整定参数。

1.串联双容水箱系统的基本流程

图1为串联双容水箱系统的工艺流程。

从图1可知，运用水泵，将其当作输送源，抽储水槽当中的水，使之维持在高位水箱，然后利用电动调节阀所具有的调节作用，能够根据实际需要，对进水量进行适当性调节，然后经手动阀，能够把水自高位水箱向低位水箱输送，以此促使低位水箱的水位始终处于固定值，维持在一定高度。在整个工序当中，无论是高位水箱，还是低位水箱，均有与之相对应的仪表来控制与检测。

2.控制系统的控制要求及实现策略

2.1串联双容水箱液位控制要求

依据系统的整体工艺要求，为保障精度的准确性，系统将低位水箱液位作为主要调节参数，然后以高位水箱液位作为系统的副调节参数，通过高、低位水箱的融合与互联，构建起串联双容水箱的串级控制系统。针对低位水箱而言，其液位传感器所检测到的液位信号，通过对比给定液位值，然后输送至主调节器，通过IPD的系统化运算，将其输出当作副调节器的给定值，然后将其对比于高位水箱的液位传感器所检测到的液位信号，把比较所得最终值送至副调节器，通过开展系统化IPD运算，其输出除了能够对电动调节阀相应开度进行有效控制外，还能对进水流量的大小、快慢施加准确控制，因此，能够较好的控制水箱的液位。

2.2控制系统的基本结构及实现方法

依据总体的工艺要求，由于系统需要处理的内容主要是模拟量信号，即流量、液位等，因此，可以选用智能仪表AI808，用此来全面、准确的处理信号，还能实现对整个系统的实时、有效控制；另外，通过选用组态软件MCGS，能够实时监控并准确、详细显示系统各类信息。

（1）信号的采集及控制。针对智能仪表AI808而言，其选用的是时下比较先进的微电脑芯片与技术，此芯片不仅体积小，而且在整体可靠性方面也得到较大提升，具有较强的抗干扰能力。仪表的测量精度可以达到0.2级，能够在AC85～265V宽范围内完成自由电源的输入，除此之外，还能安装各种尺寸的芯片，其采用自校准技术与数字校正系统，具有更佳稳定的测量精确，还能最大化消除时漂、温漂所造成的测量误差。另外，系统还能设置各种报警方式，当仪表接的是热电阻输入时，选用三线制接线，能够较好消除由引线所造成的误差；如果接入的时热电偶输入，仪表内部配置有专门的冷端补偿部件；如若接入接电压/电流时，那么可以随意设置所显示的物理量程。因此，此系统对于诸如湿度、液位、流量、压力及温度等，均能实现精确控制，具有各種控制类型，如通讯、报替、人工智能调节、控制及变送等，此外，还具有位置比例输出、手动自整定及手动调节等功能，对于液位的串级控制非常适用。针对由低位压力传感器所检测到的低位水箱压力信号，通过液位变送器，能够变成标准信号，然后向主调节器AISOS输送，将其对比于液位给定值，通过PID运算之后，将其输出当作副调节器AI808的给定值，其值对比于高位水箱压力传感器所检测到的高位水箱实际信号，通过PID运算，输出驱动电动调节阀，以此来控制阀门，使其变大或变小，以此达到对低位水箱相应液位施加有效控制的目的，使其在精度准允范围内得以调节。（2）上位机监控组态软件。本系统选用的MCGS5工业控制组态软件（北京昆仑公司），经RS232/RS485转换器，能够使智能仪表AISOS与PC机之间实时通信。而对于MCGSS.5组态软件而言，其能够现场采集数据，并能够对历史数据进行实时处理，实时监控工艺过程，另外，还有呈现趋势曲线及报警等功能。

3.控制系统的调试

为了使控制系统的精度满足实际要求，可选用两步整定法，首先整定副环，根据4：1衰减曲线法，得出δs1=83，Ta1=40s，用相同方法，对主环进行整定，得出δa2=6.5，Ta2=30s，最终便可得到主调节器的参数：δ1=100，Tn=20s，副调节器参数δ2 =100，TD2=20s。把它们投入系统运行，便可得出实时控制曲线。

4.结语

综上，选用串级控制方案，能够较好的克服双容对象的容量延迟对液位控制所造成的不良影响，具有较好的控制效果。利用上位机对组态界面进行监控，能够使系统运行与控制变得更加直观，经投运得知，系统运行效果良好。

参考文献：

[1]吴兴纯， 杨燕云， 吴瑞武，等.基于参数自整定的双容液位模糊控制系统设计[J].自动化与仪器仪表， 2011（4）：41-43.

[2]王华忠， 孙自强， 王慧锋，等.基于智能仪表和PLC的双容水箱测控实验系统开发[J].电气电子教学学报， 2009， 31（s2）：1-3.endprint