流量控制系统

本科毕业设计说明书（论文） 第 31 页 共 31 页1 绪论1.1 选题背景随着石油、化工等生产工艺日趋复杂和生产自动化水平不断提高，对生产过程的控制已由运行稳定为主要目的，发展到现在所要求的最佳化控制。为此，对流量测量和控制提出了更多、更新和更高的要求。如大口径流量、微小流量的检测；高温介质、低温介质流量的检测；高黏度介质、强腐蚀介质流量的检测；粉料、沾污介质的检测；脉动流、多相流的检测等。为适应不同发展的要求，一些新的流量检测原理和技术、新型流量仪表相继诞生。流量测量是一门复杂、多样的技术，这不仅由于测量精确度的要求越来越高，而且测量对象复杂多样。如流体种类有气体、液体、混相流体，流体工况有从高温到极低温的温度范围，从高压到低压的压力范围，既有低黏度的液体，也有黏度非常高的液体，而流量范围更是悬殊，微小流量只有每小时数毫升，而大流量可能每秒就达数万立方米。而脉动流、多相流更增加了流量测量的复杂性。另一方面，这种复杂性和多样性促进了人们对流量测量仪表的应用领域。流量测量是研究物质量变的科学，质与量的互变规律是事物联系与发展的基本规律，因此，其测量对象已不限于传统意义上的管道流体，凡是需要掌握流体流动的地方都有流量测量的问题。工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。在整个过程检测仪表中，流量仪表的产值约占。随着社会的不断发展，过程检测、智能仪表类相关教学设备产业面临着新的发展机遇和挑战。国内的一些高等院校、公司和企业近几年都在研究、探索仪表自动化实验装置。传统的将生产过程中使用的仪表拿回实验室进行校准的方法已不能满足生产的要求,取而代之的是在现场直接对仪表进行校准。自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。近年来国内仪表自动化实验实训系统发展比较快，生产厂家也比较多，普遍应用自动化仪表技术实现系统的自动化控制，在仪表自动化控制中，自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。一般的自动化检测仪表主要由三个部分组成:传感器,利用各种信号检测被测模拟量;变送器,将传感器所测量的模拟信号转变为420 mA的电流信号,并送到可编程序控制器(PLC)中;显示器,将测量结果直观地显示出来,提供结果。自动化检测仪表在工业生产过程中起着非常重要的作用。过程检测是指在生产过程中，为及时掌握生产情况和监视、控制生产过程，而对其中一些变量进行的定性检查和定量测量。检测的目的是为了获取各过程变量值的信息。根据检测结果可对影响过程状况的变量进行自动调节或操纵，以达到提高质量、降低成本、节约资源、减少污染和安全生产等目的。在现代工业生产过程中，仪表自动化技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。1.2 仪表装置研究目的与意义在现代工业生产过程中，仪表自动化技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。仪表自动化实验装置的目的是让同学了解和掌握典型的过程检测和控制仪表的工作原理与工作性能，并能根据生产过程的特点和控制要求，选用适当的自动化仪表和适当的控制策略。如何设计出一套适合于教学的、先进的、高效的、功能齐全的、经济性好的仪表自动化实验装置是目前从事仪表自动化教学人员和工程技术人员急需解决的一个问题。本课题研究旨在让学生亲身经历实验过程和对未知结论的探索，潜意识地接受技能训练，从而培养学生独立思考、独立解决问题的能力和创新意识，提高学生分析问题、解决问题的能力。因此，设计新型的仪表自动化实验装置并且在教学中进行创新型实验教学，对教学改革和创新型人才的培养具有重大的意义。1.3 本课题研究的内容设计完成仪表自动化实验装置的控制对象，并设计完成控制柜，包括电气原理图和接线图等，以基于智能仪表的流量控制系统为例阐述自己设计系统的控制原理与控制过程，并说明实验的步骤以及参数整定的方法。具体工作内容：（1）与团队成员合作完成仪表自动化实验装置的整体设计思路，并做好自动化实验装置以及实验所需的各类仪器仪表的选型工作，做好仪表自动化实验装置各部分系统的统筹工作；（2）设计完成基于智能仪表的流量控制系统实验装置，完成内容包括控制系统原理图和系统接线图；（3）设计完成基于智能仪表的流量控制系统的上位机实验界面，与下位机智能仪表进行通讯调试，整定PID参数；（4）完成各项实验数据的记录；（5）汇总仪表自动化实验装置的工程设计图纸。2 流量监控系统的组成及概况2.1 过程控制系统简介过程控制(process control )技术是自动化技术的重要组成部分，通常是指石油、化工、纺织、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动化，与其他自动控制系统比较，过程控制具有以下特点:1.被控过程复杂多样； 2. 对象动态特性存在滞后和非线性；3. 过程控制方案丰富多样；4. 控制系统分为随动控制和定值控制；5. 过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成等。过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成分、黏度、温度和pH 值(酸碱度或氢离子浓度)等一些过程变量的系统。常规的过程控制系统框图如图2.1 所示。设定值 偏差值 控制信号 控制量 被控变量控制器执行器被控对象 检测变送器Z图2.1 过程控制系统框图过程控制涉及工业生产的各个领域，不同的工艺过程控制有不同的要求。但总的归纳起来有三个方面的要求：安全性、经济性和稳定性。目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。22. 1 一般计算机测控系统的组成组态控制技术是一种计算机控制技术。利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机测控系统在结构上没有本质上的区别，它们都由被控对象、传感器、仪表接口、计算机和执行机构几部分组成，如图2.2所示。传感器的作用是对被控对象的各种参数进行检测。通过传感器，计算机能感知生产进行的情况，将参数在显示器上显示。并根据参数实际值与设定值的偏差，按照一定的控制算法发出控制命令，控制执行机构的动作，从而完成控制任务。如水箱水位控制系统中计算机通过水位传感器测知水位的高低和是否越限，将这一情况在显示器上显示出来，并根据水位的高低控制给水阀门的关闭或打开，实现水位测量与控制的目的。 显示器 键盘 仪表接口 被控对象执行器计算机传感器 现场 现场设备 参数 图2.2 一般计算机控制系统的结构组成如果把计算机比喻成系统的大脑，传感器就相当于它的眼睛，执行器就是手和脚。计算机只能接受数字信号（电压、电流），计算机和传感器及执行器需要I/O接口设备来进行信号的转换与联系，因此I/O设备是沟通计算机和现场设备的桥梁。I/O接口里只要的部件常常用来将模拟量转换成数字量的A/D转换器、将数字量转换成模拟量的D/A转换器，对开关量进行信号隔离的光电隔离器等。I/O设备可安装在计算机里（如各种I/O板卡）、计算机外控制室里（如带通信接口的智能仪表），也可安装在现场（如智能传感变送器、I/O模块）基于组态软件的仪表自动化监控系统方案。22. 2 MCGS的流量监控系统的设计本系统主要由装有MCGS的上位机通过RS232C或RS485与仪表通讯，仪表对被控变量进行控制。由执行器：电动调节阀；变送器：流量传感器：4 20mA信号；水箱、水泵、流量计等组成。单向回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节阀只接受一个信号，其输出也只控制一个执行机构。首先水泵从储水箱抽水，打开调节阀流进上水箱，当水位在一定时间内达到某一高度时，从流量传感器上显示的数据，可得知水箱的水位高度是否越限。并根据水位的高低要求来控制水的流量，即控制给水控制阀的开关程度，最后水经过手动调节阀流回储水箱。流量：执行器选用电动调节阀，变送器选用电磁流量计。电磁流量计以电磁感应定律为基础，通过安装在管道两侧的磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测知管道内液体的流速和流量。液位：执行器选用电动调节阀，变送器选用4-20mA信号的压力传感器。通过压力传感器的4-20mA电流信号来控制电动调节阀的开口大小，从而控制液位的高低达到动态的平衡。3 流量监控系统硬件设计方案3.1 工艺流程图图3.1 仪表自动化实验装置设计与制作如图3.1所示的仪表自动化实验装置工艺流程图，可以实现对流量、液位、温度、压力四大过程参数的控制。流量控制：首先上电，将总阀、手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行流量参数的设置，通过流量传感器进行检测并控制电动调节阀开口的大小来控制液体的流量。液位控制：首先上电，将总阀、手动阀2、上水阀1、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行液位参数设置，通过对参数的设置来设置报警位置，由液位变送器进行监测并控制电磁阀的通断来控制液位的稳定；或者将手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行液位参数设置，通过对参数的设置来设置报警位置，由液位变送器进行监测并控制电动调节阀开口的大小来控制液位的平衡。压力控制：首先上电，将手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，通过上位机进行压力设定，并设置智能PID调节仪中P、I、D等相关参数，由压力变送器采集管道压力大小信息并传送至智能PID调节仪，控制电动调节阀开度的大小来控制管道压力的大小。温度控制：首先上电，将总阀和上水阀2打开，关闭下水阀3和下水阀4，将换热器中注入适量的水，然后将总阀关闭，把下水阀4打开少许开度，让水缓慢流通。然后断开转换开关给电热管供电、给调节器供电。通过对智能PID调节仪进行温度的参数设置控制液体的温度。3.2 硬件组成该仪表自动化试验装置的机械部分由以下器件组成：1#水槽、2#水槽、换热器、储水箱、流程柜、上水管和下水管。通过该机械部分可以完成液体的上水、排水和循环。该仪表自动化实验装置的自动装置部分由以下器件组成：执行器：电动调节阀，可以由智能PID调节仪驱动对流量或者液位参数进行控制，能够通过改变阀开度的大小对液体的流量大小和液位的高度进行控制。变送器：PT100液位变送器可以将液位信号采集并传送到智能PID调节仪对液位进行监测、控制；流量积算仪将电磁流量计的电信号传到智能PID调节仪去控制管道的流量。控制器：通过上润仪表对流量、液位被控变量进行设定，并设置控制参数；无纸记录仪可以将液位的高度、流量的大小，这些抽象的数据转换成具体的曲线图，便于研究人员进行实验结果检测、数据的收集，还可以实现报警、参数修改、历史曲线、实时报表、历史报表、安全机制等内容。具体的硬件器件选型，见附录。3.3 监控系统硬件组成结构图图3.2 监控系统硬件组成结构图现场层组成，各阶段的所应实现的功能，即：(1) 监控层：监控层PC机实现对生产设备的监控、故障报警、统计、调度等功能。(2) 控制层：该层主要完成仪表与监控层PC机之间的信息传送，通过RS485串行通讯向监控层传送数据和接受监控层控制指令。(3) 现场层：主要功能是连接现场设备，如传感器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。设备生产工艺控制程序存储在上润机中，所有现场设备都由上润机指挥管理。3.4 基于上润仪表的控制系统搭建3.4.1 控制器选型上润仪表功能简介：本实验装置中控制器采用福建上润精密仪器有限公司生产的智能自整定PID调节控制仪，该品牌在仪表自动化行业市场占有率排名居首，其具体参数如下。 1.仪表主要特点（1）采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。 （2）输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精度高达0.2级。 （3）采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要，交货迅速且维护方便。 （4）全球通用的100240VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电，并具备多种外型尺寸供客户选择。 （5）产品抗干扰性能符合在严酷工业条件下电磁兼容（EMC）的要求。 2.仪表技术规格线性电压：15V线性电流：420mA使用环境：温度-10+60；湿度90%RH3.仪表接线仪表后盖端子排布如图3.3所示：图3.3 上润仪表接线端子电气特性图该仪表具备手动/自动无扰动切换及手动自整定功能，其支持的输入输出信号如下所示。1.模拟量输入热电偶：标准热电偶-K、S、WRe、E、J、T、B、N等；电阻：标准热电阻-Pt100、Cu50或远传压力电阻等；电流：420mA、020mA等-输入阻抗250，010mA500；电压：020mV 01V-输入阻抗5M，05V-输入阻抗100K。2.模拟量输出DC 010mA（负载电阻750）DC 420mA（负载电阻500）DC 05V（负载电阻250K）DC 15V（负载电阻250K）3.开关量输出继电器控制输出-继电器ON/OFF带回差。AC220V/1A；DC24V/1A(阻性)固态继电器输出-SSR(固态继电器控制电压信号)输出，DC12V/30mA 可控硅控制输出-单/三相SCR过零触发：可触发5500A的双向可控硅（或单向可控硅反并联模块）4.通讯输出接口方式-标准串行双向通讯接口：光电隔离，RS-485，RS-232C等 波特率-3009600bps 内部自由设定5.馈电输出DC24V，负载25mA 图3.4 上润仪表接线端子实验面板图图3.5 上润智能自整定PID调节控制仪3.4.2 执行器选型3810L系列直行程电子式电动执行器简介：3810L系列直行程电子式电动执行器是以220V交流单相电源做为驱动电源，接受来自调节器控制信号（DC4 20mA 或DC1 5V），实现预定直线往复运动的新型执行器。本系列执行器被用作调节阀的执行机构时，几乎具备了调节阀本身所要求的各种动作变换功能以及阀开度信号功能和手动功能。因此被广泛应于发电、冶金、石化、轻工及环保等工业部门。3810L系列直行程电子式电动执行器各部分组成：控制器：接受来自调节器的DC4 20mA 或DC1 5V 信号,控制执行器按预定模式工作。传动机构：把电机的旋转运动变成动力输出轴的直线往复运动，实现调节阀的开关和调节功能。开度检测机构： 将输出轴的直线运动位移（阀芯的开度）经齿条、齿轮反馈给电位器，由电位器转换成电信号再反馈给控制器，当来自调节器的输入信号和阀芯的开度信号之差为零时，电机将停止工作。联结机构：通过支架将执行器和被控阀门联结，并由开合螺母将执行器输出轴和阀杆连接，开合螺母上带有指针，支架上有标尺，可指示输出轴(或阀杆)的位移手动机构：本执行器还设计有手动机构，在断电情况下，根据需要可由手动操作来完成调节阀的开、关和调节功能。它的内部接线如图3.6所示图3.6 执行器外观图3.7 执行器剖视图图3.8 执行器结构示意图图3.9 执行器内部接线示意图正反动作状态设定：“正动作状态”将开关1向右拨ON（通），将开关2向左拨OFF（断）（随着输入信号增大，输出轴向下端运动（关闭阀芯），随着输入信号减小，输出轴向上升运动（开启阀芯）。“反动作状态”将开关2向右拨ON（通），将开关1向左拨OFF（断）（随着输入信号增大，输出轴向上升运动（开启阀芯），随着输入信号减小，输出轴向下端运动（关闭阀芯）。3.4.3 变送器选型流量仪表概述：在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。流量仪表分类：在流体工业中有大量的物料（流体）需要通过管道来传送，如石油生产企业中的石油传输和控制、污水处理企业中的污水传送和检测、化工企业中各种气体的传输和控制。为了提高产品质量，降低生产成本，控制污气污水的排放以保护环境，对管道中流体的测量和控制实现自动化就成为生产过程中必不可少的一项任务。工业上常用的流量计种类很多，如按照其测量原理来分类，大致有四类：差压式流量计，速度式流量计，容积式流量计及其它类型流量计如基于电磁感应原理的电磁流量计和超声波流量计等。差压式流量计主要利用管内流体通过节流装置时，其流量与节流装置前后的压差有一定的关系，只要设法测出这一压差值，就可求得流量之犬小。属于这一类流量计的有标准节流装置及转子流量计等。节流装置的发展较早，技术成熟而较完善，又因为应用广泛，国际和国内都有这方面的标准；转子流量计又名浮子流量计，它是工业上最常用的一种流量仪表，它具有压力损失小，可以用来测量液体或气体的流量，而且适宜在200mm的小管径上测量。但转子流量计因为其结构上的特点决定了它只能安装在垂直流动的锥形管子上使用，而流体介质的流向应该是自下而上的。速度式流量计主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转，叶轮的转速和流体的瞬时流量成正比，一段时间内的转数与该时间段的累积总流量成正比。属于这类流量计的有叶轮式水表和涡沦流量计等。家用自来水表就是典型的叶轮式流量计，叶轮式自来水表比较简单价廉，但精确度不高。涡沦流量计的基本原理是涡轮在流体流动的作用力推动之下不断转动，涡轮转动的角速度，也就是讯号的频率数，它基本上与流体介质的体积流量值成正比，测量这一频率数就可确定流体的瞬时流量和累积流量值。涡轮流量计具有较高的精度，但由于它具有轴承部分，所以影响了仪表的使用范围和寿命，同时还必须严格要求流体纯净。容积式流量计主要利用流体连续通过一定容积之后进行流量累计的原理。属于这类流量计有椭圆齿轮流量计和腰轮（罗茨）流量计等。椭圆齿轮流量计和腰轮流量计原理相近，通过测量腰轮或齿轮的转数就可知道累计总容积，这种仪表精确度较高，但只适应小流量的测量。其它类型的流量计有电磁式流量计和超声波流量计等。电磁式流量计利用导体在磁场中运动切割磁力线时，就会产主感应电动势，其方向又右手定则确定，其大小有磁感应强度B、导体在磁场内的长度L、导体的运动速度V三者的乘积决定，这就是法拉第定律。根据此原理可以测导电流体的流量。但是由于感应电势很小，一般为毫伏数量级，故对抗干扰要求很高，且流体必须具有导电性。对于大管径流量方面，电磁式流量计较前面所述的流量计具有较大优势，它可以制成直径3M的流量计。超声波流量计是一种较新的测量方法，它利用超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可以实现流量测量。这种方法也不会造成压力损失，并且适合于大管径、非导电性、强腐蚀性的液体或气体流量的测量。分析比较以上几种流量计的优缺点，前三种中虽然有的测量精度较高，但是都有一定的压力损失，因为这些方法对流动或多或少有些阻力，而且只适用于小管径的流量测量；而电磁式和超声式流量计则可维持管道畅通无阻，或者说压力损失微不足道，而且对于大管径流量测量具有绝对的优势；从电磁式和超声式来比较，超声式对于大管径的流量测量更具有优势，且抗干扰能力比电磁式要强。电磁流量计简介：一、概述电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律研制成功的一种流量计，主要用于测量导电液体体积流量。20世纪30年代便有了比较系统的电磁流量计的理论，20世纪50年代开始进入工业应用领域。20世纪70、80年代电磁流量计技术有了突破性的发展，成为使用广泛的一类仪表，应用领域涉及工业、农业、医学等多个领域，可测介质范围也从电导率很低的蒸馏水到电导率很高的液态金属，并有成熟的耐高温高压及高腐蚀性的设计方法。电磁流量计已基本实现小型化、智能化、一体化，并已有0.2级精度的商品化电磁流量计出现。电磁流量计采用的原理与常见的差压式流量计不同，后者需要在管道中设置一定的检测元件，因此也易造成堵塞，且会带来一定的压力损失。而电磁流量计以电磁感应定律为基础，通过安装在管道两侧的磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测知管道内液体的流速和流量。由电磁流量计的测量过程，不难看出它有以下主要优点：1）属于非接触性仪表，测量管段是光滑直管，管内没有任何阻碍流体流动的节流元件，不会引起额外的压力损失，节能效果好，可用于测量各种粘度的液体，特别适于测量含固体颗粒的液固混合流，如纸浆、泥浆、污水等。此外除电极外没有其他组件与液体直接接触，因此它还适于测量腐蚀性大的液体，由此形成了独特的应用领域。2）流量计测量过程不受被测介质的温度、粘度、密度等因素的影响，因此只需一次经水标定后就可用于测量其他导电液体的流量。3）电磁场的产生是极快的过程，因此电磁流量计反应速度快，无机械惯性，可以测量瞬时流量，还可测水平或垂直管道中两个轴向的流量。4）流量计输出只与被测介质的流速有关，量程范围宽。5）应用口径范围大，小口径、微小口径常用于医药卫生等有卫生要求的场所，中小口径常用于高要求或难测场合，如造纸工业测量纸浆液，大口径多用于给排水工程。同时电磁流量计也有以下一些不足之处：不能测较高温度流量；不能测气体、蒸汽以及含有大量气泡的液体；易受外界电磁干扰，造成输出精度受影响；结构复杂，成本较高。二、电磁流量计的结构在结构上电磁流量传感器由传感器和转换器两部分组成。测量管上下装有励磁线圈，通励磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电动势送到转换器，励磁电流则由转换器提供。转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成与流量信号成正比的标准信号输出，最终完成显示、记录和调节控制等功能。电磁流量传感器主要由测量管组件、磁路系统等部分组成。1测量管组件测量管位于传感器中心，它的材料及制造应满足下列要求：1）必须由不导磁材料制成，以使磁力线能进入被测介质；2）一般还应由高阻抗材料构成，如玻璃钢或不锈钢，以减小涡电流带俩的损耗。3）在使用金属做测量管（如不锈钢）时，整根测量管的内侧应涂有绝缘层或衬垫绝缘套管，以避免流体中的电流被管壁短路。2磁路系统磁路系统的作用是要产生一个磁场，而产生的磁场波形由选用的励磁方式决定。励磁方式的不同直接影响到仪表的抗干扰性，常用的有直流励磁、正弦交流励磁、恒电流方波励磁三种。（1）直流励磁 利用永磁体或者直流电源励磁产生恒定磁场，简单可靠，受交流磁场干扰小。但其显著缺点是直流感应电动势在两个电极表面形成固定的正负极性，引起被测介质电解，电极间电阻增大，感生的流量产生的电动势减小。所以这种方式只适合于非电解质的导电液体（如液态金属）的测量。（2）正弦交流励磁 利用正弦交流电给电磁流量传感器中的励磁绕组供电，产生交流正弦磁场，能避免直流励磁所带来的电极极化问题，缺点是会带来一系列的磁干扰和噪声，如串模干扰和共模干扰。创模干扰：在相位上比流量信号滞后90的干扰信号，途径之一是导电液体和外电路构成的闭合回路在交变磁场作用下产生的感应电动势；其二是被测导电流体形成流柱，在垂直于磁力线的轴向截面上产生涡电流。共模干扰：频率相位与流量信号一致的干扰信号，产生的主要原因之一是绝缘电阻和分布电容产生分压；之二是杂散电流在地线上产生压降。实际应用中可采用降低电源频率、严格电磁屏蔽、线路补偿、使用独立地线等方法，减小这些干扰的影响。（3）恒电流方波励磁 励磁电流大小恒定，克服了直流励磁带来的电极极化问题，但线路较为复杂。电磁流量转换器的作用是通过内部的线性放大器将传感器输出的毫伏级电压信号放大，并装换成标准电流、电压或频率输出，实现流量的显示、记录、积算等功能。此外，针对相应的励磁方式，内部电路中还应包括抗干扰电路。三、电磁流量计的选用和安装（一）选用电磁流量计的选用应综合使用场合、被测介质、测量要求等因素来考虑。一般的化工、冶金、污水处理等行业可以选用通用型电磁流量计，有爆炸性危险的场合则应选用防爆型，医药卫生等行业则可选用卫生型。对于测量精度的选择也应视具体情况而定，应在经济允许范围内追求精度等级高的流量计，例如一些高精度的电磁流量计误差可以达到（0.51），可用于昂贵介质的精确测量，而一些低精度流量计成本较为低廉，用于对控制调节等一般要求的场合。被测介质的腐蚀性、磨蚀性、流速、流量等因素也会影响电磁流量计的选择，实际应用中应因情况而合理选择，具体可查询相关手册。（二）传感器的安装传感器的安装应注意以下问题：1）避免安装在周围有强腐蚀性气体的场所；避免安装在周围有电动机、变压器等可能带来电磁干扰的场合；如果测量对象是两相或多相流体，应避免可能会使流体相分离的场所；避免安装在可能被雨水浸没的场所，避免阳光直射。2）水平安装时，电极轴应处于水平，防止流体夹带气泡可能引起的电极短时间绝缘；垂直安装时流动方向应向上，可使较轻颗粒上浮离开传感电极区。3）传感器应采取接地措施以减小干扰的影响。在一般情况下，可通过将参比电极或金属管将管中流体接地，将传感器的接地片与地线相连。如果是非导电的管道或者没有参比电极，可以将流体通过接地环接地。本实验装置选用电磁流量计作为传感器。控制阀概述：控制阀是自动控制系统中非常重要的一个环节，犹如人的手和脚。控制阀调节流体流量，克服干扰来保证被控变量达到给定的工艺指标。控制阀的阀部分由阀的内件和阀体组成，阀的内件包括阀芯、阀杆、填料函和上阀盖等。上阀盖和填料函用于对阀杆密封和对阀杆进行导向，防止工艺介质沿控制阀门的阀杆这个可动部件向外泄漏，它是阀体不可分割的一部分。常规的上阀盖结构形式一般有四种：普通型、散热片型、长颈型和波纹管密封型。材质一般有铸铁、铸钢和不锈钢，填料函一般为聚四氟乙烯或柔性石墨。典型的控制阀的阀盖由与阀体相同的材料或等效的材料制成。阀盖承受与阀体相同的温度和腐蚀性影响，阀杆密封在经过几百次的循环动作之后，就会磨损，在工程应用中，流体压力也会导致密封磨损；填料的选择也是一个问题，填料选择不当，控制阀的摩擦力增大而导致控制阀死区增大或者很容易使阀杆密封失效。因此，选择控制阀，除了阀体结构、材质、执行机构、口径计算外，还应根据控制流体的压力、温度、压差、流体的性质，合理选择上阀盖的结构形式和填料函，以防止流体沿着控制阀阀杆泄漏出来，即应充分考虑阀杆密封的性能和使用寿命。这在工程设计中显得非常重要。在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺流体中，控制阀一般不采用普通型、散热片型、长颈型上阀盖及密封结构形式，因为此种结构形式的密封性能和使用寿命极为有限。在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺条件下，一旦阀杆密封被破坏，强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺介质从控制阀阀杆中泄漏出来，会对周边环境和人身安全带来严重的后果。采用波纹管密封型形式是解决上述问题的一个途径。波纹管一般由不锈钢做成。这种特殊的阀盖结构保护控制阀的填料函避免和流体接触，一旦波纹管破裂，在波纹管上面的填料函结构会防止波纹管破裂失效时产生的严重后果。在工程实际中，波纹管密封形式的选择应充分考虑波纹管密封的压力的额定值会随温度的增高而降低，流体中不能有固体的颗粒存在，及波纹管材料的最长循环动作寿命等。在不锈钢不耐某些工艺介质腐蚀的强腐蚀的场所，如工艺介质为湿氯气时，湿氯气中含有的微量盐酸会使不锈钢波纹管很快被腐蚀，则控制阀阀杆不能采用波纹管密封的形式。4 流量监控系统软件设计方案4.1 MCGS组态软件简介4.1.1 MCGS组态软件的功能和特点MCGS即“监视与控制通用系统”，英文全称为：“Monitor and Control Generated System”。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。MCGS 工控组态软件的功能和特点可归纳如下： 1.概念简单，易于理解和使用。普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。 2.功能齐全，便于方案设计。MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表 输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。 3.实时性与并行处理。MCGS充分利用了Windows 操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。工程作业中，大量的数据和信息需要及时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等。另外许多工作则是非实时性的，或称为非时间关键任务，如画面显示，可在主机运行周期时间内插空进行。而像打印数据一类的工作，可运行于后台，称为脱机作业。MCGS 是真正的32位系统，可同时运行于Microsoft Windows95，98和Microsoft Windows NT平台，以线程为单位进行分时并行处理。 4.建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。MCGS 组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。其中的“实时数据库”是整个系统的核心。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。 5.设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。不同的设备对应于不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，从这一意义上讲，MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备局部改动，而影响整个系统。 6.“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。 7.利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。以图象、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。图元、图符对象定义相应的状态属性，即可实现动画效果。同时，MCGS为用户提供了丰富的动画构件，模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动作和功能。每个动画构件都对应一个特定的动画功能。如：实时曲 线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。 8.引入“运行策略”的概念。复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。MCGS 开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换。同时，也可以由用户创建新 的策略构件，扩展系统的功能。 9.MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。不同的构件有着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。用户也可以根据需要，定制特定类型构件，使MCGS系统的功能得到扩充。这种充分利用“面向对象”的技术，大大提高了系统的可维护性和可扩充性。 10.支持OLE Automation技术。MCGS允许用户在Visual Basic中操作MCGS中的对象，提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。 11.MCGS 中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。 12.设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。所谓对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时，可把制作完好的对象（包括图形对象，窗口对象，策略对象，以至位图文件等等）以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象 元件库将日益扩大和丰富，组态工作将会变得越来越简单方便。 13.提供对网络的支持。考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS 充分运用现今发展的 DCCW(Distributed Computer Cooperator Work)技术，即分布式计算机协同工作方式，来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作。 通过MCGS组态软件，不同的工作站之间可以实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。4.2 基于MCGS组态软件流量监控界面的设计本流量控制系统实验装置设计采用了PID控制器、电动调节阀、上水箱、流量传感器、水泵等设备。这是一个闭环反馈单回路流量控制回路，采用智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单向回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的参数，可以带来满意的控制效果。反之，则会使控制效果不理想，达不到预期实验效果。一个控制系统设计好之后，系统的运行和参数整定是十分重要的工作。上水箱流量PID参数整定控制实验的界面图如图4.1所示。除此之外还有相关实验报表，如图4.2所示。图4.1 水箱流量控制的界面图图4.2 水箱液位监控的报表图4.3 MCGS组态软件数据设置简介工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。工程立项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。MCGS组态软件组态设置包括：主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略的组态设置。1.主控窗口组态主控窗口是用户应用系统的主窗口，也是应用系统的主框架，它展现了工程的总体外观。主控窗口提供菜单命令，响应用户的操作。主控窗口负责调度设备窗口的工作，管理用户窗口的打开和关闭，驱动动画图形的显示和调度用户策略的运行等工作。2.设备窗口组态设备窗口组态是连接和驱动外部设备工作环境的重要窗口，在这里可以配置数据采集和输出设备之间的关系，定义它们之间的通讯协议，将外部设备中的变量与组态软件中的数据库变量进行链接，达到实时在线通信的目的。3.用户窗口组态用户窗口是用来建立动画图形的，用户在规定了不同名称的动画窗口后，就可以在其上编辑自己需要的工程画面。然后再借助于内部命令和脚本程序来实现其工艺流程和画面的调用，从而实现现场工艺组态的目的。图4.3 用户窗口组态4.实时数据库组态在MCGS中的数据不同于传统意义上的数据与变量，它不只包含了变量的数值特征，还将与数据相关的其他属性以及对数据的操作方法封装在一起，作为一个整体，以对象的形式提供服务。这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。5.运行策略组态所谓“运行策略”，是用户为实现对系统运行流程自由控制所组态生成的一系列功能模块的总称。根据运行策略的不同作用和功能，MCGS把运行策略分为启动策略、退出策略、循环策略、用户策略、报警策略、事件策略、热键策略7种。制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。5 流量监控系统的组态实现与调试5.1 流量监控系统上位机与仪表通讯 设置通讯基本步骤：（1）在MCGS 工作台窗口中，点击设备窗口，选中设备窗口图标，点击设备组态,进入设备组态窗口。 （2）点击主菜单上的“查看”选项下的“设备工具箱”。（3）双击工具箱中“串口通讯父设备” ，再双击“AI808设备”，完成设备的添加。 （4）在设备组态窗口中，双击串口通讯父设备。进入设置参数的窗口。以上润仪表的 AI708 为0105，AI808P为0008，使用 COM2 为例，设置的参数如下：设置 COM口根据实际情况定，波特率 9600，8 位数据位，1 位停止位，无校验。如果PLC 的AI708、AI808P 有改动，则：串口通讯父设备的参数也应相应的修改，务必和上润仪表的参数设置保持一致。（5）在设备组态窗口中双击 AI808设备设置其属性。设置如图5.1所示。 图5.1 AI808基本属性窗口 在通道连接和设备调试中设置如图5.2所示。 图5.2 通道连接与设备调试设置上述内容设置完成后，点击“检查”按钮，无误后点击“确认”按钮完成设置。5.2 控制算法设计5.2.1 PID算法简介自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器、变送器、通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器，力量比值控制系统的传感器是流量传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的流量控制器等。理想的模拟PID算式可以表示为： （5.1）式中 控制器的输出信号；给定值与测量值之差值，即 （5.2)分别为控制器的比例常数、积分时间和微分时间。1、开环控制系统开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2、闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。3、阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。5.2.2 PID参数整定PID参数整定方法就是确定调节器的比例带PB、积分时间Ti和和微分时间Td。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验数据法、试凑法、扩充临界比例度法。各种方法的大体过程如下：1经验数据法PID控制器的参数整定在大量的工程实践中，逐渐被广大工程技术人员经过大量的经验积累找到了一种快捷的整定方法，就是我们现在介绍的所谓“经验法”。实际上比例、积分和微分三部分作用是相互影响的，应用经验法可避免一些重复工作，节省调试时间，尤其是在缺少一些资料和试验数据的时候。从应用的角度看，只要被控对象主要指标达到设计要求，能满足现场要求即可。长期的实践经验发现，各种不同被控对象的PID的参数都是有一定规律的，也就是说有一定的数据范围。这样就为现场调试提供了一个大致基准，可方便依据此基准迅速查找。2试凑法顾名思义，试凑法就是根据过渡过程中被调参数变化的情况进行再调整PID参数的方法。此法边观察过程曲线（过过程变量变化情况），边修改参数，直到满意为止。大家都知道，增大比例系数Kp会加快系统的响应速度，提高系统的快速性。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，有可能产生振荡使稳定性变差，并且有稳态误差。减小积分系数KI将减少积分作用（与积分常数的变化相反），有利于减少超调使系统稳定，减小系统稳态误差，但系统消除静差的速度慢。增加微分系数KD有利于加快系统的响应，使系统提前作出响应，使超调减少，稳定性增加，但缺点明显，对干扰的抑制能力差，而且整定不当反而使系统处于不稳定状态。试凑时，一般可根据以上各参数特点，对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。（1） 比例部分整定。首先将积分系数KI和微分系数KD置零，取消微分和积分作用而采用纯比例控制。将比例系数Kp由小到大变化，观察系统的响应，直至响应速度快，且有一定范围的超调为止。如果系统静差在规定范围之内，且响应曲线已满足设计要求，那么只需用纯比例调节器即可。（2） 积分部分整定。如果比例控制系统的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作用。在整定时将积分系数KI由小逐渐增加（积分作用就逐渐增强），观察输出，系统的静差应逐渐减少直至消除（在性能指标要求下）。反复试验几次，直到消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大，可能需要适当降低一些比例系数Kp。（3） 微分部分整定。若使用比例积分（PI）控制器经反复调整仍达不到设计要求，应考虑加入微分作用。整定时先将微分系数KD从零逐渐增加（微分作用逐渐增强），观察超调量和稳定性，同时相应地微调比例系数Kp、积分系数KI，逐步试凑，直到满意为止。注意，在设计控制系统时，应使微分环节为实际微分环节，而不可以是理想微分环节。3扩充临界比例度法扩充临界比例度法也成为扩充临界比例带法。这种方法适用于有自平衡能力的被控对象，是模拟系统中临界比例度法的扩充。整定步骤如下：（1） 选择一个足够短的采样周期T。所谓足够短，就是采样周期小于对象的纯滞后时间的1/10。（2） 让系统作纯比例控制，并逐渐缩小比例度（=1/Kp）使系统产生临界振荡。此时的比例度和振荡周期就是临界比例度k和临界振荡周期TK。（3） 选定控制度。所谓控制度，就是以模拟调节器为基准