控制网

        随着现代传感技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术的发展，计算机监测控制系统得到了很大的发展。目前计算机控制系统一般包括以计算机（单片机、PC机、工控机）为信息处理核心的所有控制装置，它包括信息的获取、信息的传送、信息的处理和信息的输出等多个硬、软件环节。

       本文是在掌握自动控制原理、传感器技术、微机控制原理、力控组态软件的基础上，完成对实验单容水箱、智能变送器、数据采集卡、工控机和电动执行器等硬件系统的搭建，并且利用北京三维力控组态软件建立了软件平台，以实现对水箱系统的监测和控制。

        随着工业的自动化程度日益增加，过程控制领域的研究也在不断的深化。过程控制系统可分为常规仪表过程控制系统和计算机过程控制系统。过程工业中被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度。其中液位不仅是工业过程中的常见参数，而且便于直接观察和测量，同时液位控制装置也是过程控制中最常用的实验装置。通常的液位控制主要是水位和油位的控制，而实验室的研究又多以水位研究为主。

        国内外所研究的水箱控制系统基本上是：单容水箱系统、双容水箱系统、三容水箱系统。其中单容水箱可以作为单输入单输出一阶对象；双容水箱可以作为单输入单输出一阶对象、二阶对象，双输入双输出对象；三容水箱可以作为单输入单输出的一阶对象、二阶对象、三阶对象，双输入双输出对象。目前主要研究对象是三容水箱系统，因为它具有更多的优点（无论是模型、算法、控制逻辑等），特别是三容水箱系统可以作为多功能的实验设备去验证各种算法的实现。限于目前实验室的情况，本文的研究对象是单容水箱系统，此系统可以很好的完成水位硬件和软件的实现，只是模型、算法和控制逻辑上很单一。

水位控制系统的硬件一般主要包括：检测元件（传感器或变送器）、调理电路、数据采集卡、板卡及工控机IPC（内有ISA总线插槽）和信号发生器等。

①方法一

        变送器+PLC（该信号与设定值比较经PID运算）+变频器（变频调节电机转速）+电机

②方法二

        变送器+ A/D + 单片机微处理器 + D/A + 电动执行机构

        以单片机为核心的数字调节器，通过使用不同的程序来实现新的算法。对于硬件系统：由于A/D转换器要求输入信号为DC0～5V电压信号，而压力变送器输出的信号为DC0～10mA的电流信号，所以在两者之间需要电流/电压转换；同样由于D/A转换器输出的信号为电压信号，而执行机构输入为DC0～10(4～20)mA的电流信号，所以两者之间需要电压/电流的转换。要实现电流/电压、电压/电流转换可以通过设计专门的电路来实现。

③方法三

         变送器+ 电路调理+ 数据采集卡（A/D）+工控机（IPC）+数据采集卡(D/A)+电动执行器

        本系统先把温度、绝压（绝对压力）、流量、水位的信号送给智能变送器，然后一方面通过显示仪表来对数据进行显示,另一方面通过数据采集卡采集数据送入工控机，由组态软件构造的系统控制界面和电动执行器界面，在界面上显示实时数据并且控制电动执行器，以使电动执行器来调节水阀门，达到控制系统水位的目的。

        因为各种外界条件和干扰的影响，水箱的水位会发生变化，因此需要合理地设计自动控制系统以便控制水箱达到要求的水位。为了控制水位，需要测得的参量有水的温度、绝压、流量、水位。其中温度由管道里的电偶传感器采集信号至温度变送器；绝压、差压、水位由水管直接从管道采集信号送至各自对应的变送器，而流量则可以通过公式 （Q为流量， 为差压）计算得到。随后各个变送器得到的信号传至接线端子排，然后通过端子排把各个变送器对应的信号传送至仪表柜里的8块仪表显示，另外再通过8根信号线和1根地线传输信号至1711数据采集卡（内部含有A/D、D/A转换器）。1711数据采集卡接收端子排的8路输入信号后，送入工控机。工控机可以观测并调节各路信号，最终输出两开关信号至电动执行器。电动执行器接收两开关信号，开动电动机，运行电动执行器，调节控制水阀门，通过水阀门来控制水流量，以使水箱达到要求的水位。下图为水位控制系统的方框图：

        一个应用系统要完成各项功能必须要有较完善的硬件作保证，同时还必须要有相应设计合理的软件支持。本文所用的硬件和软件组成如下：

4.1.1 智能变送器

       智能变送器是将各种被测参数如温度、压力、流量、液位等物理量转换成0～10mA DC或者4~20mA DC 的统一标准信号，传送到指示、记录、计算、调节等仪表或检测装置、工控机，以实现对现场的自动检测和控制。

        本文使用Honeywell（霍尼韦尔）公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器。智能变送器是将压力传感器、温度传感器集成在同一单晶硅片上，采用复合传感新技术与微处理器结合一体，形成各种补偿回路可以实现自校准的仪表。本文所使用的智能变送器主要是完成对温度、绝压、水位、流量等信号的精确采集和转换。

       电动执行器是执行单元，由执行机构和调节阀两部分组成，它使用电动机的电动力开启或关闭调节阀，将来自调节器的信号转变为阀的开度。其原理为：来自调节器的信号通过伺服放大器驱动电动机，再经减速器带动调节阀，同时经位置发生器将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成位置随动系统。依靠位置负反馈，保证输入信号准确转换为阀杆的行程。

        系统中可以对控制阀进行手动控制，也可以使用电动执行器组态控制界面进行控制。系统中采用了脉宽调制PWM(Pulse－Width Modulation)的方式，通过设置脉冲的占空比来控制电动执行器。电动执行器接收执行信号并将其转换为阀门的开度或挡板转角的位移，然后带动阀门控制水位。

        在水箱水位控制系统中，需要采集的数据有水位、流量、绝压、温度等电压值以及电动执行器的模拟点输入电压值；另外系统向电动执行器发出顺转和逆转两路开关信号。系统的任务主要是实现数据的实时采集、处理和显示，并对执行机构的运行进行实时监测和控制。

        本文使用研华PCI-1711数据采集卡。研华PCI-1711数据采集卡是基于PCI总线的数据采集卡，内部包含A/D转换器和D/A转换器和计数器。它具有16通道单端模/数输入，16通道数字输入、输出和2通道数/模输出。本文中1711采集卡的接线中8路为智能变送器的模拟输入，1路为电动执行器的模拟输入；其中还含有2路输出，都是开关量（数字量）输出，直接输送到电动执行器，用以控制电动执行器的正反转。

本文使用和PCI-1711数据采集卡配套的研华工控机IPC-610(Industrial PC)。

4.2 软件设计：

        软件主要完成系统参数结构的设置和数据的采集、显示以及控制策略。

        本文使用研华工控组态软件，主要完成人机交互控制界面的搭建（包括系统界面和执行器界面）、系统数据分析曲线、报表生成、编制动作脚本等。

        GENIE工业监控组态软件是运行在WINDOWS平台上的基于图标的过程软件包，GENIE使PC机变成了一个以图形方式创建、仿真、运行实时数据采集和过程控制“策略”的设计工具。工控组态软件的基本结构为：前台显示界面部分和后台数据采集与传输部分。后台数据采集及控制程序通过对板卡的读写达到数据输入和控制参数的输出功能。前台显示界面则通过与后台数据采集及传输程序共享数据单元或传递数据方式，得到实时采集的数据在屏幕上加以显示。现在在组态软件里自带的动态链接库中有直接对板卡（数据采集卡）进行编程的函数，很方便且可靠。

        力控组态软件分为开发系统和运行系统，开发系统（Draw）是一个集成的开发环境，可以创建工程画面、分析曲线、报表生成，定义变量、编制动作脚本等，同时可以配置各种系统参数，启动力控其他程序组件等。组态软件还可以完成实时多任务：实现图形显示和人机对话、现场数据采集和输出、数据的处理和控制算法、实时数据的存储、实时通信等。力控可以与一系列I/O设备进行通信，其中包括串行通信方式、板卡方式、网络节点方式等，本文采用板卡方式。

本文开发出一套基于组态的水位测控系统，设计出了整个系统的界面和电动执行器的控制界面，在界面内就可以实现电动执行器的正反转，利用工控机组态软件设计的整个系统的界面就可以实时的得到温度、压力、水位、流量的数据。以下为利用工控机组态软件设计的控制系统界面：

        本文结合实验室现有的单容水箱、智能变送器、数据采集卡、板卡、电动执行器和工控机来建立硬件系统；用工控机组态软件设计出了系统界面和电动执行器控制界面；实现了对水位系统的温度、绝压、水位和流量等信号的传感、采集、转换和显示；在控制界面内可以实时显示采集的数据，并且可以利用力控的控制策略来控制电动执行器的阀门旋转角度；然后使用电动执行器来调节水阀门，很好的实现了对水位预定位置的控制。但是还不能很好的实现控制算法和控制策略，有待进一步改进。

1. 力控用户手册  北京三维力控科技有限公司  2004.7

2.  机电控制  李运华 北京航空航天大学出版社 2003.6

3.  检测技术和系统  陈岭丽 冯志华  清华大学出版社  2005.5