基于组态王软件的双容水箱流量监控系统设计
2019-06-26姚振静段艳丽
姚振静 段艳丽
摘 要：文章采用组态王软件设计双容水箱流量监控系统，运用扩散硅液位变送器进行液位测量，电动调节阀为执行器，采用PI算法控制双容水箱流量。经过实验，可以实现在系统工作时的实时监控与速度曲线显示，当双容水箱受到阶跃扰动时，控制效果最优，上升时间为22 s，超调量为26.7%，达到较为良好的监控要求。
关键词：组态王;流量;监控
基金项目：防灾科技学院精品建设课程基金项目;项目编号：NO.JPJS2016010。防灾科技学院教学团队建设项目;项目编号：NO.JT201702。
作者简介：姚振静（1980— ），女，河北故城人，副教授，博士;研究方向：仪器仪表技术。
流量监控系统是以液体或气体的流量为被控参数的控制系统，已被广泛应用在化工、石油、钢铁、轻工等行业的生产过程中，都要求对某个流量参数进行控制[1-2]。例如，城市天然气输配系统需要安装天然气流量监控系统，以对生产现场工艺参数、设备状态等数据进行实时采集与处理。在钢铁行业中，需要实时监控空气流量和氧气流量，以保证产品的质量。自来水输送管道也需要实时监控水流量，确保自来水的安全输送。因此，流量控制系统一直受到人们的广泛重视，也引起了很多科研工作者的关注[3-5]。本文利用组态王软件设计一个双容水箱流量监控系统。
1 双容水箱流量控制系统工艺流程
双容水箱流量监控系统是由水箱V102和V103、储水箱V104、流量计FT102、电动调节阀、水泵、手阀、可编程控制器组成，系统工艺流程如图1所示，双容水箱由中水箱V103和上水箱V102组成，V102流过管道的流量为该系统的被控变量，FV101为操纵变量。储水箱中水介质经过水泵流入水箱V103，由流量计FT102测量流量，流量测量值送入控制器中，根据控制算法输出控制信号，调整FV101的开度，直到流速稳定到设定值。控制器采用西门子S7-200PLC，控制算法采用PI算法。
图1 双容水箱流量控制系统工艺流程
2 雙容水箱流量监控系统的设计
双容水箱流量监控系统采用组态王软件实现流量监控系统设计，包括组态流量监控系统画面设计、数据库的建立、动画链接、曲线显示、运行调试等，实现流量实时趋势曲线显示、控制参数在线调整、数据报表等功能。
双容水箱流量监控系统主画面是水箱、管道、水泵、电磁阀、传感器、PLC组成的系统（见图2）。首先，开始创建组态画面，使用工程管理器新建一个组态王工程后，进入组态王工程浏览器，建立新的画面，并命名为“双容水箱流量监控系统”。其次，在画面开发系统中制作储水箱V104、中水箱V103、上水箱V102，在图2中选择水泵、阀门、PLC、传感器、电动调节阀等放置在主画面的对应位置上。最后，将所有器件用管道和折线按照工艺流程图连接起来，形成控制回路。水泵开启按钮为启动和停止的浮动按钮P102，可用于启动水泵或系统出现问题时设置停止。控制界面主要由历史曲线、报表、流量显示窗口、调节阀开度显示、PID控制组成，分别由历史曲线按钮、报表按钮、PID控制按钮控制窗口。实时曲线显示界面，用来显示调节阀的开度、设定值以及测量值的变化的界面。
PID参数设定界面包含PID参数设定、流量SP设置设定及流量实时曲线。根据控制系统的性能要求设置PID参数值，根据设定的PID及测量值作用于到调压模块，使之达到设定液位，最终使系统消除余差，响应快、更稳定。实时曲线能真实反映设定液位值与当前时间液位的值，从曲线可以判断系统的响应速度、稳定性、误差等。
建立历史曲线画面时，点击图库，然后单击打开图库选项，在“图库管理器”画面中选择“历史曲线”，鼠标点击历史曲线，并放置在画面上，完成历史曲线的建立（见图3）。点击历史曲线画面中的关闭按钮可关闭该画面，点击画面中的返回按钮可返回主界面，历史曲线可以显示未做实验之前设定值和测量值的变化。
建立报表界面时，从工具箱菜单中找出报表选项，用鼠标选中报表窗口按钮，放置到画面对应位置即可产生报表窗口（见图4）。报表可以显示给定值，测量时，调节阀开度等实时变化的参数，点击报警画面中的关闭按钮即可关闭该画面，点击画面中的返回按钮即可返回主界面。
3 系统测试及分析
点击P102开启水泵，根据工业现场的实际情况设置流量设定值，采用经验整定法整定PI控制器的参数，使得流量控制系统测量值与设定值一致。经过反复调试，P=2，I=10 000时得到的曲线较为理想，其输出曲线如图5所示。系统的最大动态偏差为8，衰减率为75%，超调量为26.7%，残差为0，调节时间大约为60 s，上升时间为22 s。同时，该系统实现了流量的历史曲线功能（见图6）和报表功能（见图7）。
4 结语
利用组态王软件设计双容水箱流量监控系统，实现对流量的实时监控与报表统计功能，同时控制器参数在线可调，采用经验整定法整定PI控制器参数。实验验证该流量监控系统实现了上位机对流量监控的要求，系统超调量小，上升时间短，可实现对流量的稳定控制。
基金项目：防灾科技学院精品建设课程基金项目;项目编号：NO.JPJS2016010。防灾科技学院教学团队建设项目;项目编号：NO.JT201702。
作者简介：姚振静（1980— ），女，河北故城人，副教授，博士;研究方向：仪器仪表技术。
