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案例頻道1. 引言：
隨著現代傳感技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術的發展，計算機監測控制系統得到了很大的發展。目前計算機控制系統一般包括以計算機（單片機、PC機、工控機）為信息處理核心的所有控制裝置，它包括信息的獲取、信息的傳送、信息的處理和信息的輸出等多個硬、軟件環節。
本文是在掌握自動控制原理、傳感器技術、微機控制原理、力控組態軟件的基礎上，完成對實驗單容水箱、智能變送器、數據采集卡、工控機和電動執行器等硬件系統的搭建，并且利用北京三維力控組態軟件建立了軟件平臺，以實現對水箱系統的監測和控制。
2. 目前的國內外研究：
隨著工業的自動化程度日益增加，過程控制領域的研究也在不斷的深化。過程控制系統可分為常規儀表過程控制系統和計算機過程控制系統。過程工業中被控量通常有以下四種：液位、壓力、流量、溫度。其中液位不僅是工業過程中的常見參數，而且便于直接觀察和測量，同時液位控制裝置也是過程控制中最常用的實驗裝置。通常的液位控制主要是水位和油位的控制，而實驗室的研究又多以水位研究為主。
國內外所研究的水箱控制系統基本上是：單容水箱系統、雙容水箱系統、三容水箱系統。其中單容水箱可以作為單輸入單輸出一階對象；雙容水箱可以作為單輸入單輸出一階對象、二階對象，雙輸入雙輸出對象；三容水箱可以作為單輸入單輸出的一階對象、二階對象、三階對象，雙輸入雙輸出對象。目前主要研究對象是三容水箱系統，因為它具有更多的優點（無論是模型、算法、控制邏輯等），特別是三容水箱系統可以作為多功能的實驗設備去驗證各種算法的實現。限于目前實驗室的情況，本文的研究對象是單容水箱系統，此系統可以很好的完成水位硬件和軟件的實現，只是模型、算法和控制邏輯上很單一。
水位控制系統的硬件一般主要包括：檢測元件（傳感器或變送器）、調理電路、數據采集卡、板卡及工控機IPC（內有ISA總線插槽）和信號發生器等。
一般硬件組成可以有以下多種方式實現：
①方法一
變送器+PLC（該信號與設定值比較經PID運算）+變頻器（變頻調節電機轉速）+電機
②方法二
變送器+ A/D + 單片機微處理器 + D/A + 電動執行機構
以單片機為核心的數字調節器，通過使用不同的程序來實現新的算法。對于硬件系統：由于A/D轉換器要求輸入信號為DC0～5V電壓信號，而壓力變送器輸出的信號為DC0～10mA的電流信號，所以在兩者之間需要電流/電壓轉換；同樣由于D/A轉換器輸出的信號為電壓信號，而執行機構輸入為DC0～10(4～20)mA的電流信號，所以兩者之間需要電壓/電流的轉換。要實現電流/電壓、電壓/電流轉換可以通過設計專門的電路來實現。
③方法三
變送器+ 電路調理+ 數據采集卡（A/D）+工控機（IPC）+數據采集卡(D/A)+電動執行器
3. 系統的原理及其流程圖：
本系統先把溫度、絕壓（絕對壓力）、流量、水位的信號送給智能變送器，然后一方面通過顯示儀表來對數據進行顯示,另一方面通過數據采集卡采集數據送入工控機，由組態軟件構造的系統控制界面和電動執行器界面，在界面上顯示實時數據并且控制電動執行器，以使電動執行器來調節水閥門，達到控制系統水位的目的。
因為各種外界條件和干擾的影響，水箱的水位會發生變化，因此需要合理地設計自動控制系統以便控制水箱達到要求的水位。為了控制水位，需要測得的參量有水的溫度、絕壓、流量、水位。其中溫度由管道里的電偶傳感器采集信號至溫度變送器；絕壓、差壓、水位由水管直接從管道采集信號送至各自對應的變送器，而流量則可以通過公式 （Q為流量， 為差壓）計算得到。隨后各個變送器得到的信號傳至接線端子排，然后通過端子排把各個變送器對應的信號傳送至儀表柜里的8塊儀表顯示，另外再通過8根信號線和1根地線傳輸信號至1711數據采集卡（內部含有A/D、D/A轉換器）。1711數據采集卡接收端子排的8路輸入信號后，送入工控機。工控機可以觀測并調節各路信號，最終輸出兩開關信號至電動執行器。電動執行器接收兩開關信號，開動電動機，運行電動執行器，調節控制水閥門，通過水閥門來控制水流量，以使水箱達到要求的水位。下圖為水位控制系統的方框圖：
圖1 水位控制系統方框圖
4. 計算機控制系統實驗設計：
一個應用系統要完成各項功能必須要有較完善的硬件作保證，同時還必須要有相應設計合理的軟件支持。本文所用的硬件和軟件組成如下：
4.1硬件設計
4.1.1 智能變送器
智能變送器是將各種被測參數如溫度、壓力、流量、液位等物理量轉換成0～10mA DC或者4~20mA DC 的統一標準信號，傳送到指示、記錄、計算、調節等儀表或檢測裝置、工控機，以實現對現場的自動檢測和控制。
本文使用Honeywell（霍尼韋爾）公司生產的DSTJ-3000系列智能變送器。智能變送器是將壓力傳感器、溫度傳感器集成在同一單晶硅片上，采用復合傳感新技術與微處理器結合一體，形成各種補償回路可以實現自校準的儀表。本文所使用的智能變送器主要是完成對溫度、絕壓、水位、流量等信號的精確采集和轉換。
4.1.2 電動執行器（被控對象）
電動執行器是執行單元，由執行機構和調節閥兩部分組成，它使用電動機的電動力開啟或關閉調節閥，將來自調節器的信號轉變為閥的開度。其原理為：來自調節器的信號通過伺服放大器驅動電動機，再經減速器帶動調節閥，同時經位置發生器將閥桿行程反饋給伺服放大器，組成位置隨動系統。依靠位置負反饋，保證輸入信號準確轉換為閥桿的行程。
本系統使用DKJ型電動執行器，它接受調節器來的0～10mA DC信號，并將其線性轉換為0º～90º的機械轉角，用以操作閥門。其中轉角θ =KI（K=9º/Ma，K為電動執行器靜態傳遞系數），從上式可以看出機械轉角與輸入電流成線性關系。本系統把電動執行器和控制閥相連接，電動執行器一旦接收到來自變送器的電流就可以產生一定的轉角，也就可以實現對控制閥進行控制，以滿足系統要求。本文中的電動執行器在控制箱里的接線圖如下：
系統中可以對控制閥進行手動控制，也可以使用電動執行器組態控制界面進行控制。系統中采用了脈寬調制PWM(Pulse－Width Modulation)的方式，通過設置脈沖的占空比來控制電動執行器。電動執行器接收執行信號并將其轉換為閥門的開度或擋板轉角的位移，然后帶動閥門控制水位。
4.1.3 數據采集卡和工控機：
在水箱水位控制系統中，需要采集的數據有水位、流量、絕壓、溫度等電壓值以及電動執行器的模擬點輸入電壓值；另外系統向電動執行器發出順轉和逆轉兩路開關信號。系統的任務主要是實現數據的實時采集、處理和顯示，并對執行機構的運行進行實時監測和控制。
本文使用研華PCI-1711數據采集卡。研華PCI-1711數據采集卡是基于PCI總線的數據采集卡，內部包含A/D轉換器和D/A轉換器和計數器。它具有16通道單端模/數輸入，16通道數字輸入、輸出和2通道數/模輸出。本文中1711采集卡的接線中8路為智能變送器的模擬輸入，1路為電動執行器的模擬輸入；其中還含有2路輸出，都是開關量（數字量）輸出，直接輸送到電動執行器，用以控制電動執行器的正反轉。
本文使用和PCI-1711數據采集卡配套的研華工控機IPC-610(Industrial PC)。
4.2 軟件設計：
軟件主要完成系統參數結構的設置和數據的采集、顯示以及控制策略。
本文使用研華工控組態軟件，主要完成人機交互控制界面的搭建（包括系統界面和執行器界面）、系統數據分析曲線、報表生成、編制動作腳本等。
GENIE工業監控組態軟件是運行在WINDOWS平臺上的基于圖標的過程軟件包，GENIE使PC機變成了一個以圖形方式創建、仿真、運行實時數據采集和過程控制“策略”的設計工具。工控組態軟件的基本結構為：前臺顯示界面部分和后臺數據采集與傳輸部分。后臺數據采集及控制程序通過對板卡的讀寫達到數據輸入和控制參數的輸出功能。前臺顯示界面則通過與后臺數據采集及傳輸程序共享數據單元或傳遞數據方式，得到實時采集的數據在屏幕上加以顯示。現在在組態軟件里自帶的動態鏈接庫中有直接對板卡（數據采集卡）進行編程的函數，很方便且可靠。
力控組態軟件分為開發系統和運行系統，開發系統（Draw）是一個集成的開發環境，可以創建工程畫面、分析曲線、報表生成，定義變量、編制動作腳本等，同時可以配置各種系統參數，啟動力控其他程序組件等。組態軟件還可以完成實時多任務：實現圖形顯示和人機對話、現場數據采集和輸出、數據的處理和控制算法、實時數據的存儲、實時通信等。力控可以與一系列I/O設備進行通信，其中包括串行通信方式、板卡方式、網絡節點方式等，本文采用板卡方式。
本文開發出一套基于組態的水位測控系統，設計出了整個系統的界面和電動執行器的控制界面，在界面內就可以實現電動執行器的正反轉，利用工控機組態軟件設計的整個系統的界面就可以實時的得到溫度、壓力、水位、流量的數據。以下為利用工控機組態軟件設計的控制系統界面：
5. 結束語：
本文結合實驗室現有的單容水箱、智能變送器、數據采集卡、板卡、電動執行器和工控機來建立硬件系統；用工控機組態軟件設計出了系統界面和電動執行器控制界面；實現了對水位系統的溫度、絕壓、水位和流量等信號的傳感、采集、轉換和顯示；在控制界面內可以實時顯示采集的數據，并且可以利用力控的控制策略來控制電動執行器的閥門旋轉角度；然后使用電動執行器來調節水閥門，很好的實現了對水位預定位置的控制。但是還不能很好的實現控制算法和控制策略，有待進一步改進。
參考文獻：
1. 力控用戶手冊 北京三維力控科技有限公司 2004.7
2. 機電控制 李運華 北京航空航天大學出版社 2003.6
3. 檢測技術和系統 陳嶺麗 馮志華 清華大學出版社 2005.5
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號