液 位 控 制 系 统

过程控制与仪表液位控制系统一：方案选择1：分析被空对象：被空对象是三容的液位控制系统，某连续生产过程需要三个生产罐，罐A、B、C罐A直径1.5米，高2米，生产中为原料输入罐；罐B为生产中间缓冲罐，直径1.5米，高2米；罐C为生产罐，直径2米，高2米；三个罐依照自然落差进行安装。

罐A底边距地6米，罐B底边距地3米，罐C落地安装。

生产中罐A输入主要原料为液体，管径为DN40；最大工艺流量8T/h ；调节阀 p=0.09MPa。

工艺要求罐C液位处于1.5米左右。

2：要实现对C罐的控制有以下考虑1）、测量变送单元仪表的选择，显然采用压力测量比较简单，例如：差压测量，但是为了实现精确测量采用压力传感器进行罐底的压力测量——也是为了实现计算机控制进行A/D转换2）、影响液位的因素：进液量B1以及排液量C1，C罐为生产容器所以对B罐进行控制比较合理——B是缓冲罐。

在必要时可也可以对c罐进行控制——不影响生产情况下，所以在进行计算机控制时就要设计相应的控制优先级，根据实际情况进行控制3）、对于A、B罐液要进行相应控制，只是不需要精确控制，只要不超过上限以及不影响C罐需求的情况下即可3：方案比较单回路控制的原理图以及系统工程图控制方案说明对于上述控制主要就是通过一般的闭环系统，通过输出的反馈实现对输入的控制——单回路控制，控制方案简单；因为生产实践队也为控制要求不是太高所以单回路控制可以满足要求，被控对象是c罐的液位所以要选取液位高度h 作为被控参数，为了使c罐的也为基本无差调节规律可以采用PI调节；最后根据系统木星对参数进行整定即可计算机控制的原理图以及控制流程图控制方案说明计算机控制方法能够更加精确的控制液位，但是具有很强的专业性，在编写控制算法是必须全面考虑影响被控参数的因素，实现优先级别的排列，只有那样才能处理实际中出现的各种情况；最重要的是必须熟练掌握相应的计算机语言能够熟练应用软件实现算法的编写，计算机控制时为了实现实际测量量与计算机数据间的联系所以必须用A/D、D/A转换芯片实现模拟量与数字量之间的变换。

它是现代工业进行控制的主流技术，在计算机控制系统中可以实现自动化控制，既节省人力资源又可以大大提高生产率。

调节阀采用电动调节阀主要是它能源取用方便，信号传输距离远、速度快；再有就是在实际中对防火等级要求不是太高经比较可知虽然采用计算机控制有较大优势但是限于我们对专业知识掌握的不足，所以还使用单回路控制方案对系统进行控制。

控制思路简单，实际安装维护也方便不需要很高的专业知识二：参数计算以及调节阀的选择由已知条件管径为DN40；最大工艺流量Qmax=8T/h(8000kg/h) ；调节阀∆p=0.09MPa 。

1）、调节阀口径的计算只要根据流体密度以及阀门前后压差就可以计算出调节阀的流量系数，然后再查询相关参数手册就可以得出调节阀口径、公式如下：c Q =c 流量系数；g Q 最大计算流量；ρ 流体密度；p ∆ 调节阀前后压差选取调节阀口径所采用的最大流量应比工艺流程的最大流量大25-60%，这是必不可少的安全系数，这样就可以避免调节阀在全开位置上进行工作为了得到最大计算流量g Q ，首先要知道额定流量n Q 或者是生产过程中允许的最大工艺流量max Q ；然后根据g Q =（1.5~2.5）max Q 的最大计算流量max Q =8000kg/h p ∆=0.09MP ρ要根据实际流体进行选择再次我选择以水的密度为例：ρ=1000kg/3m ；当流体粘度较大时可以进行一定的粘度修正计算中g Q 为体积流量，根据换算则有g Q =（1.5~2.5）*8000/10003m /h=12~203m /h取g Q =203m /h c = ≈21.083m /h则根据流量系数查表得相应的阀座直径dg=40mm 公称通径Dg=40mm流量特性：选择有“等百分比特性“的调节阀2）、为了使调节反能够及时准确定位调节流量，可以增加辅助元件——阀门定位器（ZPQ-01型气动阀门定位器——他是可以与气动调节法、直行程气动活塞调节法及角行程气动调节阀配套使用的辅助仪表，他接受来自气动调节仪表给出的20-100Kpa 信号来控制调节阀）3)、从安全角度考虑调节阀选择有“气开”功能的部件控制系统都是通过负反馈来实现系统的稳定控制执行器（气开）v k ＞0测量变送单元一般情况 m k ＞0被控对象肯定有 o k ＞0为了使***o c v m k k k k ＞0，所以必须有c k ＞0，也就是调节器选择有负作用的调节器4)、根据实际情况选择HRTP 系列智能电动单座调节阀（它由HRL 智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀，可广泛应用于电力、冶金、石油、化工、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中——电动执行机构接受4～20mA 控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。

）执行机构的主要技术参数型 式：HRL 智能型直行程机构输入信号：4～20mADC输入阻抗：250Ω输出信号：4～20mADC输出最大负载：＜650Ω断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0～100%间予置的任意值电 源：220V±10%/50Hz推力规格：1KN 、2KN 、4KN 、8KN 、10KN 、16KN 、20KN 、25KN阀作用型式：任意设置正/反作用保护等级：IP65基本误差：±1.0%死 区：≤±1.0%环境温度：-10～+65℃三：系统模型及仿真1:根据系统参数可列以下方程式112121222323233343434*/*/*/d h Q Q C dt Q h R d h Q Q C dt Q h R d h Q Q C dt Q h R ∆∆-∆=∆=∆∆∆-∆=∆=∆∆∆-∆=∆=∆参数说明：1234Q Q Q Q 分别是流入A 、B 、C 罐的流量以及从C 罐流出的液体量123C C C 分别是A 、B 、C 罐的液容根据已知可得：1C =1.767、2C =1.767、3C =3.14对于液阻选择如下：（假设液位的变化不是很大，则各液阻可以看作是常量）1R =2R =3R =4R =12：对以上方程组进行拉氏变换方程组变换如下()()()()()()()()()()()()()()()121121223223233433434///Q s Q s C SH s Q s H s R Q s Q s C SH s Q s H s R Q s Q s C SH s Q s H s R -==-==-==根据以上方程得系统方框图则根据方框图可得系统传递函数如下()()()()()143122334111Q s R H s C R S C R S C R S =+++ 代入参数值则有：()()()()12311 1.7671 3.14Q s H s s s =++仿真记录在进行仿真时利用一阶加惯性环节来替代原来的三阶系统，其中滞后环节选取的滞后时间常数是2秒。

因为对于液位控制系统来说当输入量变化时输出量要经过一段时间——也就是存在滞后，所以在模拟时要价滞后进行等效。

三：参数整定采用“衰减曲线法“进行参数整定，得衰减曲线如下其中比例调节放大倍数为K=3.5则可以根据上图得到衰减比为4：1时的放大倍数v k =3.5 以及衰减周期r T =8s则根据上述参数查表可以得 采用PI 调节时的残书可以选取如下K =1.2v k =4.2、i T =0.85r T =6.8s只要在设备连接好之后将相应参数植入到调节器,并根据实际情况经校正即可以，但注意参数变化范围不要太大参数整定过程中注意事项：采用衰减曲线法进行整定步骤简单，并且是比较安全；正定要求的是达到衰减比=4：1，投入运行后再只有比例作用的情况下不断调节比例环节的放大倍数，达到要求后记录相应的放大倍数v k 、以及衰减周期r T 。

四：控制器的选择及背部接线图XD815、XS815、XD415、XS415、XD715、XD915、系列的调节器有以下特点 1、 适用于需要进行高精度测量控制的系统。

2、可自动跟随外部给定值进行控制输出（模拟量控制输出或继电器控制输出）。

3、可实现自动/手动无扰动切换。

手动切换至自动时，采用逼近法积算，并带切换限幅功能，以实现手动/自动的平稳切换。

4、可同时两路输入并显示测量信号及外给定信号。

5、可分别带有一路模拟量控制输出或开关量控制输出--继电器及一路模拟量变送输出，适用于各种测量控制场合。

6、可带串行通信输出，可与各种带串行输入/输出的设备进行双向通信，组成网络控制系统。

7、采用双LED 数码（可同时显示测量值+外给定值、输出量）+双光柱（可同时显示测量值+外给定值、输出量，光柱显示分辨率达101线）显示，使显示更为清晰直观根据以上要求可以选择XD815五：结束语：此设计采用单回路控制系统，方案简单、并且在设计中采用了智能仪表能够更好的适应环境变化对于控制系统的要求；对于三阶系统采用一阶控制方案，这种等效控制可以应用到很多系统当中去，在对系统分析时尽量简化系统模型采用低阶系统进行近似模拟，从而采用最适当的方案进行控制在实际的应用中只要确定了被控系统的技术指标，就可以把此指标作为控制器的外给定，系统在运行时控制器够自己进行参数整定找到最佳控制参数总而言之随着技术进步单回路控制在实际中的应用越来越显得不足，但是对于一些简单控制系统来说还能达到控制要求，在以后计算机控制以及各种智能仪表将在自动控制系统中占有绝对的优势！在以后将会逐步学习优越的控制方案，应用智能控制仪表从而完成更好的系统控制六：参考文献：书籍《自动化仪表与过程控制》作者：施仁、刘文江、郑辑光电子工业出版社《石油化工自动控制设计手册》作者：陆德民化学工业出版社《模拟调节仪表》作者：陈荣化学工业出版社《过程控制系统与仪表》作者：王再英、刘淮霞、陈毅静机械工业出版社《调节阀选型样本》《自动化仪表产品样本》论文《三位液位对象状态空间控制系统》何离庆重庆大学自动化系《三级液位过程控制实验系统》王艳刘哈尔滨工业大学控制工程系。