液位自控系統(tǒng)實驗裝置優(yōu)化設計探討

摘要：本題以一節(jié)教學實驗課為契機，展開了對實驗室中液位自控系統(tǒng)實驗裝置的探究，通過一系列的探究，得出了現今實驗裝置的優(yōu)缺點，通過對優(yōu)缺點進行分析，進行模擬實驗，得出實際可行的優(yōu)化改進方案。

關鍵詞：液位自動控制系統(tǒng)；實驗研究；實驗儀器；優(yōu)化探究

1緒論

1）選題背景

在工業(yè)及生產中眾多方面涉及液位的自動控置，在化工行業(yè)的生產過程中，數控機床等裝置的水冷卻方式中，污水的處理凈化過程中，以及居民生活用水的供應等方面都是同過對液位參數的控制來保證正常的生產及生活。對于實驗室來說想要模擬眾多復雜的生產情況，由于條件問題所以是非常困難的。但是可以通過將工業(yè)生產中的情況轉化成不同組合的水箱液位自控系統(tǒng)來模擬這些情況，這樣就可以把這些情況展示在實驗裝置上。另一方面轉化后的水箱液位自控系統(tǒng)相對與工藝流程更加直觀。

2實驗儀器分析

在工業(yè)中液位控制系統(tǒng)有單容，雙容，多容幾種類型，但在工業(yè)中多容液位控制相對復雜，實驗儀器難以模擬。所以我們只需要在實驗儀器上模擬單容雙容水箱液位控制系統(tǒng)。然而現今實驗室中所用的儀器是由兩個單容水箱組成。因此儀器無法模擬雙容水箱液位控制的情況，所以我們要在原先的基礎上增加雙容液位自控系統(tǒng)，提高模擬效果。對于液位自控系統(tǒng)，還需要注意的就是液位自控系統(tǒng)的變送器，控制器，執(zhí)行器三個部分，也就是液位自控系統(tǒng)中控制閥和調節(jié)閥，液位控制器，液位傳感器三個部分。由于行業(yè)發(fā)展十分成熟，每個部分都擁有應對各種工況與需求的產品，例如控制閥，控制閥按其能源形式可分為氣動、電動、液動三大類。除此之外液位控制器與傳感器也也有眾多種類，調節(jié)閥的種類甚至多達數十種。所以對于這三個部分均可直接采用市面上的產品，因此其關鍵便在于正確且更加合理選用。

3）優(yōu)化探究及優(yōu)化方案

3.1水箱優(yōu)化

在水箱方面，原實驗裝置采用兩側單水箱方式，水箱體積過大，用水量大，實驗時間長，并且我們還希望模擬雙容水箱情況，所以我們采取了如下方案。我們在左右兩側分別放置雙容串聯(lián)水箱和雙容并聯(lián)水箱來模擬雙容串并聯(lián)的情況，在原先放置控制器的中間部位進行調整，將中間部分一分為二，放置一個單容水箱和液位控制器。另外，對于中間部分可以根據實際情況調節(jié)水箱與液位控制器的位置，甚至可以取消單容水箱，聽過在并聯(lián)雙容部分加裝手動閥來達到模擬單容液位模擬的要求。

從圖中我們可以看到并聯(lián)水箱是分別進行控制也就是原理與單容相同，所以我們在這里只探究雙容并聯(lián)的情況。雙容系統(tǒng)水泵作水源，抽取水槽中的水，維持上位水箱中的水位，然后通過電動閥，按需求對水位進行控制，調節(jié)手動閥，把水自上位水箱向下位水箱供給，使下位水箱的水位也達到所需的需求。

根據系統(tǒng)的要求，為達到一定的精確度，我們把下位水箱的液位設為主調節(jié)參數，然后把上位水箱的液位設為副調節(jié)參數，通過上下水箱的連接，從而組成雙容串聯(lián)液位控制系統(tǒng)。對于下位水箱來說，將傳感器所檢測到的液位信號與所需求的液位值相對比，然后輸送至PID組中的串聯(lián)主調節(jié)器，通過PID運算，再輸入到副調節(jié)器，最后與上位水箱的傳感器所檢測到的液位信號對比，把比較所得送至副調節(jié)器，通過PID運算，其輸出可以對電動閥開度，進水流量的大小、快慢施加準確控制。最終，可以精確而高效的模擬雙容串聯(lián)的情況。

3.2控制器優(yōu)化

對于控制器方面，現今在控制器方面的技術非常成熟在市面上的控制端智能儀表都很完善，可以直接進行使用，只需按照條件與需求正確的選擇就可以達到要求。雖然較為完善，但仍存在問題那就是在顯示及操作方面存在問題。顯示均為儀表數值型顯示，并且參數的設定十分繁瑣復雜。如果可以將控制器信號轉化傳輸呈現在其他設備上。會達到更好的效果。

除此之外，我們還對雙容串聯(lián)的儀表的情況開展了模擬分析：通過利用實驗裝置上所用的的儀表（SWP-C80，SWP-D80，SWP-201-DL-12-21-），并且通過組態(tài)軟件MCGS，來實時監(jiān)控并精確、詳細顯示各種信息。

模擬所采用的儀表，是十分完善的，所以對于精確度以及信號的檢測上完全可以達到相關的要求，儀表SWP-201-Dl采用4-20mA/1-5V輸出，采用AC220V 50Hz電源，除此之外，SWP-C80/D80還能設置報警；當儀表接入熱電偶，儀器的內部有專門的冷端補償部件；當儀表以電壓/電流為輸入源，那么可以任意設置儀表所顯示的物理參數；當儀接入表熱電阻，則選用三線制接線，可以非常好的減小由引線所帶來的誤差。所以，系統(tǒng)對于濕度、流量、壓力及溫度等，都能很好的精確控制，并且擁有多種控制類型，例如通訊、控制及變送、人工智能調節(jié)等。另外，還有手動自整定及手動調節(jié)、位置比例輸出等功能，很適用于串聯(lián)液位控制。選用的MCGS5工業(yè)控制組態(tài)軟件，經轉換器，能夠使智能儀表與PC機之間實時通信。而對于MCGSS.5組態(tài)軟件而言，能夠現場采集數據，可以對歷史數據進行實時處理，實時監(jiān)控模擬過程，另外，還可以繪制趨勢曲線及報警等功能。

最后對于控制系統(tǒng)的調節(jié)為了使系統(tǒng)的精確度達到需求，可采用兩步整定法，首先整定副環(huán)，根據4：1衰減曲線法，得出=83，=40s，用相同方法，對主環(huán)進行整定，得出=6.5，=30s，最終便可得到主調節(jié)器的參數：=100，=20s，副調節(jié)器參數=100，=20s。

3.3變送器優(yōu)化

在不同的工業(yè)方面對于液位的控制方式不同，需要根據不同情況更換變送器并且如果更換物理量就要重新設定儀表參數，相對繁瑣。對于傳感器優(yōu)化，我們采用幾種傳感器運用調節(jié)開關，即采用多通開關線路來調節(jié)傳感器的使用，采用旋轉開關更加簡便。

3.4控制閥調節(jié)閥優(yōu)化

對于控制閥和調節(jié)閥只需要選擇合適的閥門就可以滿足要求但對優(yōu)化探究其中涉及眾多閥門需要按類分析選擇合適的閥門，比如控制閥，電動控制閥采用電能取用方便，信號傳遞速度快，但結構復雜、防爆性低安全性較差。氣動控制閥以壓縮空氣為能源，操作簡單、輸出平穩(wěn)、推力較大、維修方便、防火防爆、價格較低。液動控制閥目前已經極少使用。在這里我們采用電動閥為控制閥。

3.5整體優(yōu)化

實驗室的液位自控實驗裝置在整體上還存在一些問題需要解決；實驗儀器以金屬為框架下方為水泵，當儀器開啟后，整體噪音較大，應適當在其中加入多孔吸音材料來減小噪音。另外全部結構采用鋼鐵架構易發(fā)生銹蝕情況；實驗儀器內空余空間過多，導致體積過大，不利于放置與調整；儀器的基礎結構導致實驗裝置維護與修理相對困難復雜。

4結語

綜上所述為本題的優(yōu)化方案，本選題通過液位自控的基礎理論知識分析以及結合實例分析對液位自動控制系統(tǒng)的實驗裝置進行仔細的探究，通過探究得出實驗裝置現存的優(yōu)缺點，保留優(yōu)點，優(yōu)化缺點，得出一套可行的方案，此方案可以更好的利用實驗裝置進行模擬。

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