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關鍵詞:過程控制 儀表 系統
中圖分類號:TH86 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2011)03-0016-01
1、過程控制儀表與控制系統
如圖所示是一個單元組合儀表構成的簡單控制系統。圖中控制對象代表生產過程中的某個環節,控制對象輸出的被控變量(T P L F等),經變送、轉換成相應的信號,送顯示、記錄、調節與給定單元來的給定值進行比較,將偏差值進行一定運算后,發出信號控制執行單元的動作,將閥門開大或關小,改變控制量,直到被控變量與給定值相等。
2、控制系統的工作原理
2.1 液位控制系統
圖中,檢測變送器檢測到水位高低,當水為高度與正常給定水位之間出現偏差時,調節器就會立刻根據偏差的大小去控制給水閥,使水位回到給定值上。從而實現水位的自動控制。
2.2 溫度控制系統
它由蒸汽加熱器、溫度變送器、調節器和蒸汽流量閥組成?？刂颇繕耸潜３殖隹跍囟群愣?。當進料流量或溫度等因素的變化引起出口物料的溫度變化時,通過溫度儀表測得的變化,并將其信號送至調節器與給定值進行比較,調節器根據其偏差信號進行運算后將控制命令送至調節閥,改變蒸汽量維持出口溫度。
2.3 流量控制系統
它由管路、孔板和差壓變送器、流量調節器和流量調節閥?？刂颇繕耸潜３至髁亢愣ā．敼艿榔渌糠肿枇Πl生變化或有其他擾動時,流量將偏離設定值。利用孔板作為檢測元件,把孔板上、下游的差壓接至差壓變送器,將流量信號標準信號;該信號送至調節器與給定值進行比較,流量控制器根據偏差信號進行運算后將控制命令送至控制閥,改變閥門開度,就調整了管道中流體的阻力,從而影響了流量,使流量維持在設定值。
自控系統由被控對象、檢測元件、控制器和調節閥四部分組成。組成方框圖如下:
3、控制系統的分類
由于控制技術的廣泛應用以及控制理論的發展,使得控制系統具有各種各樣的形式,但總的來說分為兩大類,即開環和閉環控制系統。
3.1 開環控制
這種控制方式又分兩種、一種是按設定值進行控制。其操縱變量與設定值保持一定的函數關系,當設定值變化時,操縱變量隨之變化。另一種是按擾動量進行控制,即所謂前饋控制,如圖:在蒸汽加熱器中,若負荷為主要干擾,如果使蒸汽流量與冷流體流量保持一定關系,當擾動出現時,操縱變量隨之變化。
3.2 閉環控制系統
系統的輸出(被控變量)通過測量、變送環節,又返回到系統的輸入端,與給定信號比較,以偏差的形式進入控制器,對系統起控制作用,整個系統構成一個封閉的反饋回路,這種控制系統統稱為閉環控制系統或反饋控制系統。
4、結語
通過上面論述表明,自動化程度的完善就等于生產力的提高,雖然先期階段增大了投資費用,然而在長期正常的運轉中可以實現各項能源的節約,其特點十分顯著,其取得的收益遠遠大于先期的投入。
參考文獻
關鍵詞：過程控制 PID控制器 參數整定
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2015）10-0250-01
一、過程控制系簡介
1.過程控制的任務
過程控制的任務就是在了解、掌握工藝流程和生產過程的靜態和動態特性的基礎上，根據工業生產對過程控制安全性、經濟性和穩定性的要求，應用理論對控制系統進行分析和綜合，最后采用適宜的技術手段加以實現。
2.過程控制系統的組成
過程控制系統是指工業生產過程中自動控制系統的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分等這樣一些過程變量時的系統。
3.過程控制的特點
（1）系統由過程檢測控制儀表組成。（2）被控過程的多樣性。（3）控制方案的多樣性。（4）過程控制的控制過程多屬慢過程，而且多半屬參量控制。（5）定值控制是過程控制的一種主要控制形式。
4.控制系統的控制質量指標
一個控制性能良好的過程控制系統，再受到外來擾動作用或給定值發生變化后，應平穩迅速準確地恢復到給定值上。
二、壓力過程控制系統設計
壓力的測量和控制在生產過程自動化中具有特殊的地位。保持實際生產過程的壓力為一個穩定值，對生產過程有著至關重要的作用?？紤]到經濟成本等問題，本系統采用單回路控制。下面對整個系統作詳細介紹：
1.工作流程
1.1工藝簡況
在工業生產過程中，氣體測量罐設備應用十分普遍，為了保證生產的正常進行，空氣進出量需均衡，以保證過程的物料平衡。因此，工藝要求空氣罐內的氣體壓力需維持在某給定值上下，或在某一小范圍內變化，并保證空氣罐壓力不致過大。本系統要求超調量小于5%。
1.2工作流程
本系統使用的介質為空氣。空氣從空氣壓縮機進入系統空氣入口，經過節流閥的調節后，進入過濾器過濾，過濾后的空氣進入減壓閥1，減壓閥1的出口壓力一般保持在1kg/cm^調節后的空氣進入減壓閥2，減壓閥2的出口壓力一般保持在0.55kg/cm^這時空氣的流向有兩種方式，當擾動電磁閥打開時，空氣一部分經過節流閥、擾動電磁閥流向外界；一部分進入控制閥。當擾動電磁閥沒有打開時，空氣全部進入控制閥，經過控制閥的空氣最后流進測量罐中。
2.壓力過程控系統建模
用測試法建立被控對象的數學摸型，.首要的問題就是選定模型的結構。
自衡單容過程對象的對象特性的一般形式為 ，為建立其數學模型，可通過測量其
階躍響應的方法求得對象特性參數K、T、τ。
3.壓力過程控系統的設計方案
3.1被控參數選擇
被控參數的選擇對于穩定生產、提高產品的產量和質量、改善勞動條件、保護環境衛生等具有重要意義。若被控參數選擇不當，則無論組成什么樣的控制系統，選用多么先進的過程檢測控制儀表，均不能達到預期的控制效果。由于本系統是模擬實際生產過程的一套實驗過程控制系統，被控參數壓力在系統設計之前已決定。
3.2控制參數選擇
擾動作用是由擾動通道對過程的被控參數產生影響，力圖使被控參數偏離給定值；控制作用是由控制通道對過程的被控參數起主導影響，以使被控參數盡力維持在給定值。在分析與設計控制回路時，要深入研究過程的特性，認真分析各種擾動，正確選擇控制參數。
在本系統中，被控參數是壓力，模擬的生產過程是測量罐，測量罐的容積和濕度在某一實驗中幾乎是不變的，因而測量罐中的壓力只能由氣體的物質的量決定，控制參數也就唯一確定了，即：氣體的物質的量。
3.3執行器
調節閥的選擇：執行器由執行機構和調節閥組成。在過程控制中他接受調節器輸出的控制信號并轉換成角位移或直線位移，來改變調節閥的流通截面積，以控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現對過程參數的自動控制。
調節閥的尺寸選擇根據對象的慣性特征選管徑。在生產過程中，調節閥氣開、氣關形式的選擇，主要是從工藝生產的安全角度來考慮，當氣源一旦中斷時，閥門處于全開還是全關狀態，在生產上要能保證設備和人身的安全。所謂氣開式，即當信號壓力P>0.02Mpa時，閥開始打開，也就是說“有氣”時閥開，氣關式則相反。
因為調節閥的特性對整個過程控制系統的品質有很大的影響。理想流量特性就是在調節閥前后壓差一定的情況下得到的流量特性。它取決于閥芯的形狀。閥芯的形狀有快開、直線、拋物線和等百分比等4種，其相應的流量特性有直線流量特性、對數（或稱等百分比）流量特性、拋物線流量特性、快開流量特性。
綜上考慮，本系統根據選用氣開式氣動調節閥V-5110，其流量特性為直線流量特性。動力源由空氣壓縮機提供的。
3.4測量變送
測量和變送是解決一個信息獲得和傳遞問題。信息的測量和邊送必需迅速可靠地反映被控參數的實際變化情況，為系統設計提供準確的控制依據。本系統選用差壓式壓力傳感器作為檢測和反饋元件，將測量罐的壓力值轉化為電信號，被測壓力值為大氣壓力值加壓差。
3.5調節器
本系統選用東芝EC-311型調節器
通常，選擇調節器動作規律時應根據對象特性、負荷變化、主要擾動和系統控制要求等具體情況，同時還應考慮系統的經濟性以及系統投入方便等。
廣義對象控制通道時間常數較大或容積遲延較大時，應引入微分動作。如工藝容許有殘差，可選用比例微分動作；如工藝要求無殘差時，則選用比例積分微分動作。
控 制 統設 計
系
目錄
1．系統控制要求 ······························································································ 4 2．系統硬件設計 ······························································································ 4
2.1 方案論述····························································································· 4 2.2 主要控制器件選擇 ················································································ 6
2.2.1 PLC的選擇 ················································································· 6 2.2.2變頻器的選擇 ·············································································· 7 2.2.3溫度變送器的選擇 ········································································ 8 2.2.4流量變送器的選擇 ········································································ 9 2.2.5 壓力變送器的選擇 ······································································· 9 2.2.6液位變送器的選擇 ······································································· 10 2.2.7 觸摸屏的選擇 ············································································ 10 2.2.8 A/D模塊的選擇 ·········································································· 11 2.2.9 D/A模塊的選擇 ·········································································· 12 2.3 系統其它設備及元器件規格 ··································································· 14 2.4 系統電氣原理 ····················································································· 14 3．系統軟件設計 ····························································································· 16
3.1 變頻器配置 ························································································· 16
3.1.1 變頻器配置參數 ········································································· 16 3.1.2 FR-D700系列的操作面板 ······························································ 17 3.1.3 變頻器的運行模式 ······································································ 18 3.2 PLC程序設計 ····················································································· 19 3.3 觸摸屏界面設置 ·················································································· 20 4．安全文明規范操作 ······················································································· 26 5．系統安裝與調試 ·························································································· 26
5.1 系統安裝···························································································· 26 5.2 系統調試···························································································· 26
5.2.1 硬件調試 ·················································································· 26 5.2.2 軟件調試 ·················································································· 27
6．總結 ········································································································· 27 7．附錄 ········································································································· 28
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摘要
【摘要】隨著科技的發展社會的進步，人們對工業控制的要求越來越高。本文主要介紹了如何利用觸摸屏、變頻器、PLC 、AD 模塊、DA 模塊與各種變送器設計出過程控制系統。利用該系統來準確、及時、有效的控制溫度、壓力、流量和液位。
【關鍵詞】過程控制；觸摸屏；變頻器；PLC ；PID 運算。
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1、系統控制要求
液位、壓力、流量過程控制系統由一臺帕斯卡微泵驅動，該泵的速度利用三菱PLC 由PID 指令運算產生的數字量經D/A轉換成的模擬量控制，以實現恒液位、恒壓力、恒流量；恒溫度過程控制采用加熱棒控制。
（1）系統配置：PLC （含 D/A、A/D模塊） 、變頻器、觸摸屏、帕斯卡微泵、液位計變送器、壓力變送器、渦輪流量變送器、溫度變送器。
（2）系統連接：從工作臺的電源板用安全插線引出電源到電源端子排，變頻器連接 PLC的 D/A ，觸摸屏利用串口通訊連接 PLC ，用于參數設定及顯示，壓力、流量、液位及溫度傳感器與A/D模塊連接。
（3）觸摸屏界面編制：開關、指示燈在觸摸屏第一頁顯示，液位、流量、壓力、溫度在此頁面選擇。液位、流量、溫度、壓力頁面分別顯示每個傳感器所對應的實際值、設定值和對P 、I 、D 的設置。
2、系統硬件設計
2.1 方案論述
本系統通過PLC 、變頻器實現了對電動機的轉速控制，并通過觸摸屏實現了實際設定和實測數值的顯示。通過編寫程序使得PLC 輸出變頻器的啟動信號，同時通過PLC （A/D模塊）的運算處理把通過液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器采集的這一模擬量（電流）轉換成數字量輸入，PLC （D/A模塊）通過運算輸出啟動信號和頻率信號轉換成的模擬量（電流信號）給變頻器，變頻器按照給定的頻率信號，實時輸出不同頻率的電流從而改變電機的轉速， PLC和觸摸屏進行通訊，把傳感器讀出的這一數據量通過PLC 運算在觸摸屏上進行顯示。本系統是實時信號輸入，實時反饋信號，并且實時顯示數據值。
該系統的主要硬件配置為PLC 、變頻器、觸摸屏、SBWZP 型溫度變送器、LWGY-A 型渦輪流量傳感器、AOB-131型壓力變送器、GB2100A 型液位傳感器、加熱棒各一個和一臺三相異步電機，其框圖如圖2-1所示, 其軟件流程圖如2-2所示。
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圖2-1 系統主要硬件
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圖2-2軟件流程圖
2.2 主要控制器件選擇
2.2.1 PLC的選擇
由于此控制系統采用液位傳感器、壓力變送器、流量傳輸器、溫度變送器對水位、水壓力、水流量、水溫進行實時測量，并根據設定值計算控制電機的轉速、加熱棒加熱時間，并將此數值和溫度值反饋至觸摸屏加以顯示。因此，在選擇PLC 時，要考慮PLC 的功能是否滿足題目要求，而且在在根據實驗室的現有設備，
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本系統選擇了FX3U 系列的PLC ，FX3U 系列PLC 是FX2N 系列的升級產品，具有功能強大、速度快、容量大、性價比高等特點完全滿足此控制系統的控制要求。PLC 另外承擔的任務是通過輸出點的開關信號控制變頻器的啟停、脈沖信號控制繼電器的閉合，因此在選擇PLC 輸出點類型時，采用繼電器、晶體管輸出型均可，綜上所述，采用實驗室現有的PLC 型號：FX3U-32M 作為系統的控制器，各部位名稱如圖2-6所示。
【1】 上蓋板 【2】 電池蓋板 【3】 連接特殊適配器
用的卡扣
【11】 連接擴展設備用的連接器蓋板
【4】 功能擴展板部分的
空蓋板 【5】 RUN/STOP開關
【6】 連接外圍設備用的連接口 【7】 安裝DIN 導軌用的卡扣
【13】 顯示輸出用的LED 【12】 顯示運行狀態的LED 【9】 顯示輸入用的LED 【10】 端子排蓋板
【8】 型號顯示
圖2-6三菱FX3u 型PLC-32MR 的各部位名稱
三菱FX3u-32M 型PLC 的主要特點有可編程控制器上直接接線的輸入輸出（最大256點）和網絡（CC-Link ）上的遠程I/O（最大256點）的合計點數可以擴展到384點；輸入輸出的擴展設備可以連接FX3u 系列的輸入輸出擴展單元/模塊；可以通過內置開關進行RUN/STOP的操作，也可以從通用的輸入端子或外圍設備上發出RUN/STOP的指令；通過計算機用的編程軟件，可以在可編程控制器RUN 時更改程序。 2.2.2變頻器的選擇
變頻器在此控制系統中主要根據實際反饋的數值對三相導步電動機進行調速，根據系統設計方案中，采用變頻器的模擬量輸入功能即可滿足題目要求，對變頻器的其他功能沒有太高要求，普通變頻器即可滿足要求。因此，選擇實驗室現有的變頻器型號：FR-D700。
變頻器頻率給定通道有兩種選擇方案，一種是采用外部輸入模擬量信號給定，即通過變頻器的模擬量端子從外部輸入模擬量信號（電壓或電流）進行給定，
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并通過調節模擬量的大小來改變變頻器的輸出頻率。需要PLC 連接D/A特殊功能模塊，優點：PLC 程序編制簡單方便、工作穩定。缺點：在大規模生產線中，控制電纜較長，尤其是D/A模塊采用電壓信號輸出時，線路有較大的電壓降，影響了系統的穩定性和可靠性。另一種是采用端子脈沖給定，即通過變頻器的特定的高速開關端子從外部輸入脈沖序列信號進行頻率給定，并通過調節脈沖的頻率來改變變頻器的輸出頻率。由PLC 輸出點產生可調脈沖，要求PLC 的輸出類型為晶體管型，且輸出脈沖頻率達50KHZ 。
根據以上分析及實驗室現有條件，采用外部輸入模擬量（電流）信號作為變頻器的頻率給定通道。
變頻器與PLC 的接線如圖2-7所示，變頻器的STF 接控制電機的線圈Y6、SD 接公共端COM2，變頻器的U 、V 、W 分別接電機的三根相線，因為變頻器的模擬量輸入我們用的是電流輸入，而且是通道一，所以變頻器的4端與D/A模塊的IOUT1相接，5接公共端COM1。并且在D/A模塊和變頻器接線的時候用的線是屏蔽線，這樣能夠很好的避免電壓信號的干擾。
圖2-7 變頻器與PLC 的接線
2.2.3溫度變送器的選擇
熱電偶溫度變送器的工作原理是，兩種不同成分的導體兩端經焊接、形成
回路，當測量端和參比端存在溫差時，就會在回路中產生熱電流，接上顯示儀表，儀表上就指示出熱電偶所產生的熱電動勢的對應溫度值。
根據實際情況的設備，本文所選的溫度變送器的規格如表2-1所示。
表2-1 溫度變送器規格表
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2.2.4流量變送器的選擇
渦輪流量傳感器是一種精密流量測量儀表，與相應的流量積算儀表配套可用于測量液體的流量和總量。
其工作原理：流體流經傳感器殼體，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉動力矩，克服摩擦力矩和流體阻力之后葉片旋轉，在力矩平衡后轉速穩定，在一定的條件下，轉速與流速成正比，由于葉片有導磁性，它處于信號檢測器的磁場中，旋轉的葉片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應出電信號，此信號經過處理后，可遠傳至顯示儀表，顯示出流體的瞬時流量和累計量。
根據實際情況的設備，本文所選的溫度變送器的規格如表2-2所示。
表2-2 流量傳感器規格表
2.2.5 壓力變送器的選擇
壓力變送器主要由測壓原件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測量電路和過程連接件三部分組成。它能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數轉變成標準的電信號（如4~20MADC等）， 以供給指示報警儀、記錄儀、調節器等二次儀表進行測量、指示和過程調節。
工作原理:當壓力信號作用于傳感器時，壓力傳感器將壓力信號轉換成電信號，經差分放大和輸出放大器放大，最后經電流轉換成與被測介質（液體）的液位壓力成線性對應關系的4-20MA 標準電流輸出信號。
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根據實際情況的設備，本文所選的溫度變送器的規格如表2-3所示。
表2-3 壓力變送器規格表
2.2.6液位變送器的選擇
S18UIA 工作原理：可分為四個區域，最小和最大工作范圍，近限和遠限設定點。
（1）檢測物體在最小和最大工作范圍內，電源指示燈變為綠色，代表物體在可工作區域內；
（2）檢測物體在近限和遠限設定點內，信號指示燈變為黃色，代表物體在 設定點范圍內，有信號輸出；
（3）檢測物體在最小和最大工作范圍外，電源指示燈變為紅色，信號指示燈變為白色，代表物體在工作范圍外，無信號輸出。
根據實際情況的設備，本文所選的液位傳感器的規格如表2-4所示。
表2-4
液位變送器規格表
2.2.7 觸摸屏的選擇
觸摸屏的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點
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坐標，再送給CPU ，它同時能接收CPU 發來的命令并加以執行。在此控制系統中，觸摸屏提供系統的啟動與停止信號并設定P 、I 、D 值和所需的數值，顯示實際中的設定值和傳感器的輸入值，因此，普通的觸摸屏便可滿足要求，選擇了實驗室內現有三菱GT15觸摸屏，該觸摸屏具有表現力豐富的字體、語言切換畫面制作簡單、支持USB 接口/FA透明傳輸等特點，并能同時讓電腦監測程序運行狀況，提高了工作效率，縮短了啟動與調試時間，完全滿足此系統的控制要求。 2.2.8 A/D模塊的選擇
A/D模塊的外部聯接則需根據外界輸入的電壓或電流量不同而有所不同，選擇分辨率為12位的A/D模塊。 由需要四路輸入方可滿足要求，因此，選擇了FX2N-2AD 作為模擬量的輸入模塊。FX2N -2AD有2個輸入通道，分別為通道1（CH1）、通道2（CH2）。每一通道都可以進行A/D轉換，輸入的模擬值范圍，電壓為 DC-10V ～ +10V，DC0V ～ +5V， DC-4MA ～+20MA，分辨率為2.5MV,1. 25MV ，4uA 。
D/A轉換模塊提供了12位高精度分辨率（包括符號）；2通道電壓輸入（DC0～+10V，DC0～+5V）或電流輸出（DC4～+20MA）；對每一通道，可以規定電壓或電流輸入。FX2N —2AD 模擬量輸入模塊的性能見表2-5。
表2-5 FX2N—2DA 模擬量輸入模塊的性能
A/D轉換的關系有電壓和電流輸入兩種形式，本系統設計采用電電流輸入模式。其轉換關系如圖2-8所示
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圖2-8 A/D轉換的關系
FX2N —2AD 的緩沖寄存器（BFM ）分配見表2-6
表2-6 FX2N—2AD BFM分配表
BFM#0：由BFM#17(低8位數據) 指定的通道的輸入數據當前值被存儲。當前值數據以二進制形式存儲。BFM#1：輸入數據當前值（高端4位數據）被存儲。當前值數據以二進制形式存儲。BFM#17：b0進行模擬到數字轉換的通道(CH1,CH2)被指定。當b0由10時，通道CH2A/D轉換開始。當b1由10時，通道CH1D/A轉換開始。 2.2.9 D/A模塊的選擇
D/A模塊的作用是將數字量轉換成模擬量的裝置，此模擬量作為變頻器的頻率給定，為了提高設定與運行速度曲線的平滑度和精度，選擇分辨率為12位的D/A模塊。由于只需要一路輸出便可滿足要求，因此，選擇了FX2N-2DA 作為模擬量的輸出模塊。FX2N -2DA 有2個輸出通道，分別為通道1（CH1）、通道2（CH2）。每一通道都可以進行D/A轉換，輸出的模擬值范圍，電壓為 DC0V ～
+10V，DC0V ～ +5V， DC4MA ～+20MA，分辨率為2.5MV ,1. 25MV，4uA 。
D/A轉換模塊提供了12位高精度分辨率（包括符號）；2通道電壓輸出（DC0 V ～+10V，DC0V ～+5V）或電流輸出（DC4 MA～+20MA）；對每一通道，可以規定電壓或電流輸出。FX2N —2DA 模擬量輸出模塊的性能見表2-7。
表2-7 FX2N—2DA 模擬量輸出模塊的性能
D/A轉換的關系有電壓和電流輸出兩種形式，系統設計采用電流輸出模式。其轉換關系如圖2-9所示，
圖2-9 D/A轉換的關系
FX2N —2DA 的緩沖寄存器（BFM ）分配見表2-8。BFM#16用于寫入由BFM#17通道指定標注位指定的通道輸出的D/A轉換數據值，數據值按二進制形式保存，這樣可以有利于保存低八位和高四位數據分兩部分保存。在BFM#17中，當b0由10時，通道CH2D/A轉換開始。當b1由10時，通道CH1D/A轉換開始。當b2由10時，D/A轉換的低八位數據保持。
表2-8 FX2N—2DA BFM分配表
2.3 系統其它設備及元器件規格
該系統除了PLC 、D/A模塊、A/D模塊、變頻器、觸摸屏、傳感器等，還用到了一些其它設備及元器件，其名稱、規格型號和數量見表2-9。
2.4 系統電氣原理
關鍵詞：過程控制系統，液位，測量原理，控制方式，測量設備
1 前言
德國FESTO公司研制的“PCS” 即“過程控制系統”，是一套集目前工業控制中較為典型的控制系統（液位控制、流量控制、壓力控制、溫度控制）于一體的實驗裝置（見圖1.1）。實驗裝置由四個操作站和一個中間調度站組成，分別實現四種典型環節（液位、流量、壓力、溫度）的檢測與控制。每站由相應的檢測傳感器、控制器和電動執行器構成。控制器由中央處理單元、信號處理單元和驅動電路等組成，可以實現開環、閉環 PID算法控制開度閥（比例閥）動作和直流電動機的調速。各站之間通過管道及開關閥（電磁閥）連接，由中間站的PLC控制開關閥導通，可形成耦合系統。
2 液位系統簡介
本文中的液位系統如圖1所示。
圖1液位系統
液位控制系統是FESTO四個獨立站中的一站，包括一高一低兩個容器（通過中間連接管道上手動閥的開閉控制其通斷）、超聲波液傳感器、直流電機、直流電機調速器；以及四個系統都包含的向中間調度站PLC傳送開關量的電容接近傳感器，和PLC控制的電磁開度閥。
3 相關測量原理
液位測量是料位測量的一類。許多生產過程都要求監視工藝流程中各種容器內的物料貯量和控制容器進出料量的平衡。免費論文。為此目的所需要的信號當前主要通過測量容器中的物料表面位置得到。[1]
料位包括液位和固體顆粒的料位，本文采用的料位測量方法是超聲波式，利用超聲波在一定狀態介質中的傳播具有一定速度這一特性，當聲源與料位的距離變化時，回聲的時間（從發射到接收超聲波的時間間隔）也要改變，這是非接觸式測量，可用于液位和固體顆粒料位測量。
4測量設備
超聲波液位傳感器
它是基于聲波的產生和在物體上的反射探測原理。正常情況下，大氣作為了超聲波的載體。聲發生器在短時間內啟動，發射出超聲脈沖，人耳無法聽到。隨著超聲脈沖的發射，超聲波被固定的物體所反射，并返回給接收器。超聲脈沖的持續時間可用電子方法評估。在一個固定的范圍內，在超聲脈沖信號持續時間，輸出信號是成比例的。
電機/泵：
不帶調速，只起攪和作用；
離心泵適合于冷水或加熱水的再循環；泵不能干燥的使用，也不能用海水或受污染的液體。
（3）電容接近傳感器：
電容接近傳感器的工作原理是基于RC諧振電路中電容器的電容變化來估算的。當有物體接近傳感器時，電容增加。這導致了RC電路振蕩作用的變化。LED的黃色發光二極管指示切換狀態。電容的變化很大程度上依靠距離，和各自材質的尺寸以及介電常數【3】。
（4）電機調速器：
通過改變輸入電壓來改變泵的轉速，輸入-10V――+10V，輸出-24V――+24V 【4】。
5 控制方式
過程控制系統按照控制方式的不同分為開環控制、閉環控制，單回路控制、串級控制、比值控制等多種方式【2】。免費論文。本液位控制系統采用閉環單回路控制方式，如圖2所示。
關鍵詞:制造工業自動化控制過程控制系統
中圖分類號:TP2 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2011)03-0022-01
自動控制技術在工業、農業、國防和科學技術現代化中起著十分重要的作用,自動控制水平的高低也是衡量一個國家科學技術先進與否的重要標志之一。隨著國民經濟和國防建設的發展,自動控制技術的應用日益廣泛,其重要作用也越來越顯著。生產過程自動控制(簡稱過程控制)是自動控制技術在石油、化工、電力、冶金、機械、輕工、紡織等生產過程的具體應用,是自動化技術的重要組成部分。
1、過程控制系統的特點
(1)生產過程的連續性:在過程控制系統中,大多數被控過程都是以長期的或間歇形式運行,在密閉的設備中被控變量不斷的受到各種擾動的影響。
(2)被控過程的復雜性:過程控制涉及范圍廣,被控對象較復雜。
(3)控制方案的多樣性:過程控制系統的控制方案非常豐富。
2、工業中過程控制系統的主要應用
2.1 自動檢測系統
利用各種檢測儀表對工藝參數進行測量、指示或記錄。
2.2 自動信號和聯鎖保護系統
自動信號系統:當工藝參數超出要求范圍,自動發出聲光信號。聯鎖保護系統:達到危險狀態,打開安全閥或切斷某些通路,必要時緊急停車。(如圖1所示)
2.3 自動操縱及自動開停車系統
自動操縱系統:根據預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作。自動開停車系統:按預先規定好的步驟將生產過程自動的投入運行或自動停車。
2.4 自動控制系統
利用自動控制裝置對生產中某些關鍵性參數進行自動控制,使他們在受到外界擾動的影響而偏離正常狀態時,能自動的回到規定范圍。
3、過程控制系統的組成
3.1 檢測元件
該單元的主要作用是檢測被控元件的物理量。
3.2 控制器
將設定值與測量信號進行比較,求出它們之間的偏差,然后按照預先選定的控制規律進行計算并將計算結果作為控制信號送給執行裝置。
3.3 執行器
該部分元件作用是接受控制器的控制信號,直接推動被控對象,使被控變量發生變化。
4、過程控制系統中的閉環控制系統
按照自動控制有無針對對象來劃分,自動控制可分為“開環控制”和“閉環控制”。區分“開環控制”和“閉環控制”最直接的辦法是看是否有最終對象的反饋,當然這個反饋不是人為直觀觀察的。目前工業自動化控制中采用最為廣泛的就是閉環控制系統。
4.1 閉環控制系統的優缺點
閉環控制系統主要是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯系的控制系統。 其主要優點為,不管任何擾動引起被控變量偏離設定值,都會產生控制作用去克服被控變量與設定值的偏差。其主要缺點為,由于閉環控制系統的控制作用只有在偏差出現后才產生,當系統的慣性滯后和純滯后較大時,控制作用對擾動的克服不及時,從而使其控制質量大大降低。
4.2 閉環控制系統的主要類型
根據設定值分為定值控制系統,隨動控制系統和程序控制系統。
(1)定值控制系統,其特點是設定值是固定不變的閉環控制系統稱為定值控制系統。
作用為克服擾動的影響,使被控變量保持在工藝要求的數值上。
(2)隨動控制系統 ,其特點為設定值是一個未知的變化量的閉環控制系統稱為隨動控制系統。作用為以一定的精度跟隨設定值的變化而變化。
(3)程序控制系統可以看成是隨動控制系統的特殊情況,其分析研究方法與隨動控制系統相同。其特點為設定值是變化的,且按一定時間程序變化的時間函數。作用為以一定的精度跟隨設定值的變化而變化。
5、過程控制系統的性能指標及要求
過程控制系統的常見信號有:階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、加速度信號和正弦信號等。我們在生產中使用最頻繁的就是階躍信號,其數學表達式為:
當A=1時稱為單位階躍信號。其特點是易產生,對系統輸出影響大,便于分析和計算。在階躍信號作用下,被控變量隨時間的變化表現的形式有:發散振蕩過程,非振蕩衰減過程,等幅振蕩過程,衰減振蕩過程,非振蕩發散過程。
通過以上的陳述不難看,過程制造系統在我國各行各業已經有了十分廣泛的應用,并且技術也在日趨成熟。隨著人們物質生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈,產品的質量和功能也向更高的檔次發展,制造產品的工藝過程變得越來越復雜,為滿足這些更高的要求,做為工業自動化的重要分支的過程控制的任務也愈來愈繁重。
參考文獻
[1]陳詩濤編著.工業過程儀表與控制.輕工業出版,2000.
[2]李友善主編.自動控制原理.國防工業出版社,2001.
[3]吳勤勤等編著.控制儀表及裝置.化學工業出版社,2002.
Abstract: The so-called process control system refers to the realization of automatic control of production process of system. As stated in the introduction, in petroleum, chemical production process, generally includes the content of automatic detection, automatic protection, automatic regulation and automatic controlling. Automatic detection system can complete "understanding" production task; Signal interlocking protection system could only take safety measures when process conditions are into some kind of limit state to provent production accidents. Automatic control system can be only predefined procedures in accordance with the operation of a cyclical or regularity, only automatic adjustment system can automatically eliminate all sorts of interference factors on the influence of process parameters, that they remain in prescribed numerical to ensure production in normal or the best maintain process operation condition.
關鍵詞：過程控制；自動調節；程序控制
Key words: process control; automatic regulation; program control
中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2011）12-0058-01
1 自動調節系統的組成
自動調節系統是在人工調節的基礎上產生和發展起來的，自動調節系統的組成包含三部分：
1.1 測量變送器 測量實際液位高度并將其轉換成統一的標準信號。
1.2 調節器 接收變送器送來的液位信號，與事先設定好的工藝希望的液位值即給定值進行比較得出偏差，然后根據一定的運算規律進行運算，然后將運算得出的調節器命令用統一標準信號發送出去。
1.3 執行器 通常指調節閥，它和普通閥的功能一樣，只不過它能自動地根據調節器送來的調節命令改變閥門的開度。
2 自動調節系統的分類
2.1 定值調節系統 所謂定值調節系統就是給定值是恒定的調節系統。在工藝生產中，如果要求調節系統的被調參數保持在一個生產指標上不變，或者說要求工藝參數的給定值不變，那么就要采用定值調節系統。在定值調節系統中，引起被調參數波動的原因是各種干擾，對于這類調節系統，設計分的重點是在存在干擾的情況下如何將被調參數控制在所希望的給定值上。石油、化工生產中大多數調節系統屬于這種類型。
2.2 隨動調節系統（或稱自動跟蹤系統） 隨動調節系統即給定值不是固定的，是隨時間不斷變化的，而且這種變化不是預先規定好的，即給定值是隨機變化的。隨動調節系統時目的就是使所控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。比如各種變送器均可看作是一個隨動調節系統，它的輸出應嚴格、及時地隨輸入而變化，再比如后面將要介紹的比值調節系統、串級調節系統中的副回路都是隨動調節系統的一些例子。
2.3 程序控制系統 這類系統的給定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數，即生產指標需按一定的時間程序變化。近年來，隨著微機的廣泛應用，為程序調節系統提供了良好的技術工具與有利條件。
3 自動調節系統的過渡過程
當調節系統受到外界干擾信號或給定值變化信號時，被調參數都會被迫離開原來的平衡狀態而開始變化，只有當調節作用重新找到一個合適的新數值來平衡外界干擾或給定值的變化時，此系統才可處于新的平衡狀態。因此，調節系統的過渡過程實際上是：當調節系統在外界干擾或給定干擾作用下，從一個平衡狀態過渡到另一個新的平衡狀態的過程，它是一個調節系統的調節作用不斷克服干擾影響的過程。
自動調節系統的過渡過程直接表示了調節系統質量的好壞，與生產中的安全及產品產量、質量有著密切的聯系，因此研究過渡過程具有相當重要的意義。
4 自動調節系統的靜態與動態
自動調節系統的過渡過程包括了靜態與動態。把被調參數不隨時間變化的平衡狀態稱為系統的靜態，而把被調參數隨時間變化的不平衡狀態稱為系統的動態。
當一個自動調節系統的給定和外界干擾恒定不變時，整個系統就處于一個相對的平衡狀態，系統的各個組成環節如調節器、調節閥、變送器等都暫不動作，它們的輸出信號都處于相對靜止狀態，這種狀態就是上述的靜態。注意這里所指的靜態與習慣中所講的靜態不同。習慣中所說的靜態都指靜止不動，而在自動化領域中的靜態是指各參數（或信號）的變化率為零。如果一個系統原來處于相對平衡狀態即靜態，由于干擾的作用，破壞了這種平衡。被調參數就會變化，從而使調節器等自動化裝置也就會改變調節作用以克服干擾的影響，并力求使系統恢復平衡狀態。從干擾的發生，經過調節，直到系統重新建立平衡，在這一段時間中整個系統的各個環節和參數都處于變動狀態之中，這種狀態就稱之為動態。
在研究調節系統的過渡過程時，雖然研究其靜態是重要的，但研究其動態更為重要。因為在干擾引起系統變動后，需要知道系統的動態情況，即被調參數是如何運動的，并搞清系統究竟能否建立新的平衡和怎樣去建立平衡，干擾作用總是會不斷產生，調節作用也就不斷地去克服干擾作用的影響，所以自動調節系統總是處在運動狀態之中，而靜態或平衡是暫時的，因此，研究自動調節系統，重點要研究過渡過程的動態。
5 分析自動調節系統常用的干擾形式――階躍干擾
關鍵詞：過程控制系統；設備數據管理；日志系統
1.過程控制概述
過程控制的主要任務是指通過各種的協調方法與協調措施，對生產制造過程中的各個設備的數據以及產品制造數據等進行統計與分析，從而防止生產過程中可能發生的生產計劃脫離與目標偏差，并對已經出現生產計劃脫離與生產制造目標偏差等問題進行處理，最終保證生產制造活動的順利完成，保證生產進行控制、在制品控制、以及生產制造過程中的成本控制與質量控制。
過程控制系統一般是指由被控對象、測量變送、計算機和執行機構組成的閉環控制系統。其中控制器的設計用到經典的控制理論和現代控制理論，并通過計算機來進行相關操作與實現。計算機控制的建立在自動控制理論和計算機技術為基礎之上的。其中，自動控制理論是計算機控制的理論基礎。而不斷發展的計算機技術為自動控制理論的發展與應用提供了豐富的空間。計算機網絡以及各種通信技術的發展，使得過程控制的范圍與階段極大的得到了擴張。目前，企業生產管理的全過程的信息化的實現方法逐漸趨于成熟。
過程控制系統所涉及的數學基礎可以從以下幾個方面進行了解。由于在生產制造過程中的大部分物力參數通常通過模擬信號來進行表示，而計算機采用的信號通常是數字信號，為了保證信號傳遞的通暢無阻需要進行數模轉化，從而實現兩種不同信號的轉換。過程控制系統通常起到的作用體現在連接生產管理系統與基礎自動化系統的連接作用上。除了這些工作，過程控制系統還要對生產過程中不同的數據進行有效的管理。所以控制系統中需要進行信號的采樣、信號的保持以及信號的變化。要對生產制造過程中的數學模型分為輸入與輸出模型和狀態空間模型兩種類型。輸入輸出模型主要是為了描述過程在輸入函數的作用下的輸出特性，它只刻畫過程的外部特征。而狀態空間模型則對過程的內容進行描述，通常揭示了過程內部的運動狀態。
現代過程控制理論為過程控制系統提供來了理論技術。通過利用現代過程控制理論，不但可以有效地解決簡單控制的問題，而且可以設計復雜的控制系統。特別是多輸入與多輸出系統，非線性響應系統，時變系統以及隨機系統等等。現代控制技術涉及到過程控制的很多方面，比如系統狀態的最優估計、最有控制、過程識別以及自適應控制等等。
2. 過程控制系統的主要功能與技術要求
過程控制系統具有以下功能：與生產管理計算機進行通訊的功能；能夠接收并管理生產計劃數據的功能；原料數據與生產要求數據的功能；工作人員交接班數據的功能；向生產管理系統發送生產計劃申請的能力；原料數據申請的能力等等。
企業的生產作業計劃一般采用如圖1所示的模式。通常企業根據客戶的需求制定整個產品的生產需求計劃，并根據產品各個部件的零部件特征分發至各個加工車間，制定不同零部件的加工計劃。為了保證生產作業計劃的順利完成，需要根據生產作業計劃進行生產進度控制；為了實現產品制造過程中消耗資源與費用的降低，需要進行通過過程控制系統成本控制；為了經常保持科學的原材料、在制品的數量，需要進行高效的庫存控制。這一系列工作于過程控制系統密不可分。
3. 現代生產企業的過程控制信息系統組成層次
現代生產企業的信息系統包含了過程控制層、制造試行層以及企業資源規劃層。其中由于過程控制直接面向企業生產過程，因此對過程控制系統要求具有極高的實時性、可靠性、數據完整性與可用性。過程控制系統的工作原理如圖2所示。
當前先進的網絡技術為過程控制的實現提供了強有力的實施基礎?，F場總線是過程控制系統實現的重要基礎。它與Internet等信息網絡系統具有明顯的區別。一般而言，現場總線是在標準網絡協議的基礎上實現的，并進行了一定的簡化?，F場總線一般只包括IOS/OSI七層模型中的三層。也就是現場總線只具有物理層、數據鏈路層以及應用層。過程控制系統利用現場總線，將企業生產自動化系統中最低層的現場控制器與現場職能儀表設備互聯形成實時控制的通信網絡，也被稱為工程的底層網絡。
過程控制因素是生產過程建模的參數，一般而言它是由不同模式下的生產特征與生產過程控制決策所共同決定的。在生產過程中，在制品的控制的最終目標是為了將在制品的庫存數量保持在一個合理的級別。即能夠維持企業正常的生產，又可以保證企業生產物流的連續性，從而盡量建設企業庫存量，從而盡可能的降低企業生產成本。
企業在制品的控制主要取決與車間生產類型與生產組織的形式。在大批量生產模式下，在制品的通過加工路線單與工票憑證，來保證在制品數量的穩定。隨著計算機網絡在生產中的應用，不同的過程控制系統應運而生。這些過程控制系統利用先進的計算技術，實現了在制品物流信息的追蹤與監督，為生產過程中的控制提供了動態的數據。因此，利用過程控制系統提供的在制品生產信息，可以實現對制造過程中產品控制的最終目的。
過程控制系統能夠將生產過程中產品的各種質量問題與加工失誤率降至最低。過程控制系統通過建設整個制造過程中產品的質量狀況，通過對原材料與不同零部件的檢驗，使產品在各個生產階段的不合格率盡可能的降低。
參考文獻：
[1]金以慧， 王詩宓. 過程控制的發展與展望[J]. 控制理論與應用， 1997， 14（2）： 145-151.
