液位自控系统实验装置优化设计探讨

摘要：本题以一节教学实验课为契机，展开了对实验室中液位自控系统实验装置的探究，通过一系列的探究，得出了现今实验装置的优缺点，通过对优缺点进行分析，进行模拟实验，得出实际可行的优化改进方案。

关键词：液位自动控制系统；实验研究；实验仪器；优化探究

1绪论

1）选题背景

在工业及生产中众多方面涉及液位的自动控置，在化工行业的生产过程中，数控机床等装置的水冷却方式中，污水的处理净化过程中，以及居民生活用水的供应等方面都是同过对液位参数的控制来保证正常的生产及生活。对于实验室来说想要模拟众多复杂的生产情况，由于条件问题所以是非常困难的。但是可以通过将工业生产中的情况转化成不同组合的水箱液位自控系统来模拟这些情况，这样就可以把这些情况展示在实验装置上。另一方面转化后的水箱液位自控系统相对与工艺流程更加直观。

2实验仪器分析

在工业中液位控制系统有单容，双容，多容几种类型，但在工业中多容液位控制相对复杂，实验仪器难以模拟。所以我们只需要在实验仪器上模拟单容双容水箱液位控制系统。然而现今实验室中所用的仪器是由两个单容水箱组成。因此仪器无法模拟双容水箱液位控制的情况，所以我们要在原先的基础上增加双容液位自控系统，提高模拟效果。对于液位自控系统，还需要注意的就是液位自控系统的变送器，控制器，执行器三个部分，也就是液位自控系统中控制阀和调节阀，液位控制器，液位传感器三个部分。由于行业发展十分成熟，每个部分都拥有应对各种工况与需求的产品，例如控制阀，控制阀按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。除此之外液位控制器与传感器也也有众多种类，调节阀的种类甚至多达数十种。所以对于这三个部分均可直接采用市面上的产品，因此其关键便在于正确且更加合理选用。

3）优化探究及优化方案

3.1水箱优化

在水箱方面，原实验装置采用两侧单水箱方式，水箱体积过大，用水量大，实验时间长，并且我们还希望模拟双容水箱情况，所以我们采取了如下方案。我们在左右两侧分别放置双容串联水箱和双容并联水箱来模拟双容串并联的情况，在原先放置控制器的中间部位进行调整，将中间部分一分为二，放置一个单容水箱和液位控制器。另外，对于中间部分可以根据实际情况调节水箱与液位控制器的位置，甚至可以取消单容水箱，听过在并联双容部分加装手动阀来达到模拟单容液位模拟的要求。

从图中我们可以看到并联水箱是分别进行控制也就是原理与单容相同，所以我们在这里只探究双容并联的情况。双容系统水泵作水源，抽取水槽中的水，维持上位水箱中的水位，然后通过电动阀，按需求对水位进行控制，调节手动阀，把水自上位水箱向下位水箱供给，使下位水箱的水位也达到所需的需求。

根据系统的要求，为达到一定的精确度，我们把下位水箱的液位设为主调节参数，然后把上位水箱的液位设为副调节参数，通过上下水箱的连接，从而组成双容串联液位控制系统。对于下位水箱来说，将传感器所检测到的液位信号与所需求的液位值相对比，然后输送至PID组中的串联主调节器，通过PID運算，再输入到副调节器，最后与上位水箱的传感器所检测到的液位信号对比，把比较所得送至副调节器，通过PID运算，其输出可以对电动阀开度，进水流量的大小、快慢施加准确控制。最终，可以精确而高效的模拟双容串联的情况。

3.2控制器优化

对于控制器方面，现今在控制器方面的技术非常成熟在市面上的控制端智能仪表都很完善，可以直接进行使用，只需按照条件与需求正确的选择就可以达到要求。虽然较为完善，但仍存在问题那就是在显示及操作方面存在问题。显示均为仪表数值型显示，并且参数的设定十分繁琐复杂。如果可以将控制器信号转化传输呈现在其他设备上。会达到更好的效果。

除此之外，我们还对双容串联的仪表的情况开展了模拟分析：通过利用实验装置上所用的的仪表（SWP-C80，SWP-D80，SWP-201-DL-12-21-），并且通过组态软件MCGS，来实时监控并精确、详细显示各种信息。

模拟所采用的仪表，是十分完善的，所以对于精确度以及信号的检测上完全可以达到相关的要求，仪表SWP-201-Dl采用4-20mA/1-5V输出，采用AC220V 50Hz电源，除此之外，SWP-C80/D80还能设置报警；当仪表接入热电偶，仪器的内部有专门的冷端补偿部件；当仪表以电压/电流为输入源，那么可以任意设置仪表所显示的物理参数；当仪接入表热电阻，则选用三线制接线，可以非常好的减小由引线所带来的误差。所以，系统对于湿度、流量、压力及温度等，都能很好的精确控制，并且拥有多种控制类型，例如通讯、控制及变送、人工智能调节等。另外，还有手动自整定及手动调节、位置比例输出等功能，很适用于串联液位控制。选用的MCGS5工业控制组态软件，经转换器，能够使智能仪表与PC机之间实时通信。而对于MCGSS.5组态软件而言，能够现场采集数据，可以对历史数据进行实时处理，实时监控模拟过程，另外，还可以绘制趋势曲线及报警等功能。

最后对于控制系统的调节为了使系统的精确度达到需求，可采用两步整定法，首先整定副环，根据4：1衰减曲线法，得出=83，=40s，用相同方法，对主环进行整定，得出=6.5，=30s，最终便可得到主调节器的参数：=100，=20s，副调节器参数=100，=20s。

3.3变送器优化

在不同的工业方面对于液位的控制方式不同，需要根据不同情况更换变送器并且如果更换物理量就要重新设定仪表参数，相对繁琐。对于传感器优化，我们采用几种传感器运用调节开关，即采用多通开关线路来调节传感器的使用，采用旋转开关更加简便。

3.4控制阀调节阀优化

对于控制阀和调节阀只需要选择合适的阀门就可以满足要求但对优化探究其中涉及众多阀门需要按类分析选择合适的阀门，比如控制阀，电动控制阀采用电能取用方便，信号传递速度快，但结构复杂、防爆性低安全性较差。气动控制阀以压缩空气为能源，操作简单、输出平稳、推力较大、维修方便、防火防爆、价格较低。液动控制阀目前已经极少使用。在这里我们采用电动阀为控制阀。

3.5整体优化

实验室的液位自控实验装置在整体上还存在一些问题需要解决；实验仪器以金属为框架下方为水泵，当仪器开启后，整体噪音较大，应适当在其中加入多孔吸音材料来减小噪音。另外全部结构采用钢铁架构易发生锈蚀情况；实验仪器内空余空间过多，导致体积过大，不利于放置与调整；仪器的基础结构导致实验装置维护与修理相对困难复杂。

4结语

综上所述为本题的优化方案，本选题通过液位自控的基础理论知识分析以及结合实例分析对液位自动控制系统的实验装置进行仔细的探究，通过探究得出实验装置现存的优缺点，保留优点，优化缺点，得出一套可行的方案，此方案可以更好的利用实验装置进行模拟。

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.

[3]李国勇主编 过程控制系统 电子工业出版社

[4]施仁主编 自动化仪表与过程控制 电子工业出版社

[5]赵家龙，张宇航，李辰等.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