摘要：本題以一節(jié)教學(xué)實驗課為契機，展開了對實驗室中液位自控系統(tǒng)實驗裝置的探究，通過一系列的探究，得出了現(xiàn)今實驗裝置的優(yōu)缺點，通過對優(yōu)缺點進(jìn)行分析，進(jìn)行模擬實驗，得出實際可行的優(yōu)化改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：液位自動控制系統(tǒng)；實驗研究；實驗儀器；優(yōu)化探究

1緒論

1）選題背景

在工業(yè)及生產(chǎn)中眾多方面涉及液位的自動控置，在化工行業(yè)的生產(chǎn)過程中，數(shù)控機床等裝置的水冷卻方式中，污水的處理凈化過程中，以及居民生活用水的供應(yīng)等方面都是同過對液位參數(shù)的控制來保證正常的生產(chǎn)及生活。對于實驗室來說想要模擬眾多復(fù)雜的生產(chǎn)情況，由于條件問題所以是非常困難的。但是可以通過將工業(yè)生產(chǎn)中的情況轉(zhuǎn)化成不同組合的水箱液位自控系統(tǒng)來模擬這些情況，這樣就可以把這些情況展示在實驗裝置上。另一方面轉(zhuǎn)化后的水箱液位自控系統(tǒng)相對與工藝流程更加直觀。

2實驗儀器分析

在工業(yè)中液位控制系統(tǒng)有單容，雙容，多容幾種類型，但在工業(yè)中多容液位控制相對復(fù)雜，實驗儀器難以模擬。所以我們只需要在實驗儀器上模擬單容雙容水箱液位控制系統(tǒng)。然而現(xiàn)今實驗室中所用的儀器是由兩個單容水箱組成。因此儀器無法模擬雙容水箱液位控制的情況，所以我們要在原先的基礎(chǔ)上增加雙容液位自控系統(tǒng)，提高模擬效果。對于液位自控系統(tǒng)，還需要注意的就是液位自控系統(tǒng)的變送器，控制器，執(zhí)行器三個部分，也就是液位自控系統(tǒng)中控制閥和調(diào)節(jié)閥，液位控制器，液位傳感器三個部分。由于行業(yè)發(fā)展十分成熟，每個部分都擁有應(yīng)對各種工況與需求的產(chǎn)品，例如控制閥，控制閥按其能源形式可分為氣動、電動、液動三大類。除此之外液位控制器與傳感器也也有眾多種類，調(diào)節(jié)閥的種類甚至多達(dá)數(shù)十種。所以對于這三個部分均可直接采用市面上的產(chǎn)品，因此其關(guān)鍵便在于正確且更加合理選用。

3）優(yōu)化探究及優(yōu)化方案

3.1水箱優(yōu)化

在水箱方面，原實驗裝置采用兩側(cè)單水箱方式，水箱體積過大，用水量大，實驗時間長，并且我們還希望模擬雙容水箱情況，所以我們采取了如下方案。我們在左右兩側(cè)分別放置雙容串聯(lián)水箱和雙容并聯(lián)水箱來模擬雙容串并聯(lián)的情況，在原先放置控制器的中間部位進(jìn)行調(diào)整，將中間部分一分為二，放置一個單容水箱和液位控制器。另外，對于中間部分可以根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)水箱與液位控制器的位置，甚至可以取消單容水箱，聽過在并聯(lián)雙容部分加裝手動閥來達(dá)到模擬單容液位模擬的要求。

從圖中我們可以看到并聯(lián)水箱是分別進(jìn)行控制也就是原理與單容相同，所以我們在這里只探究雙容并聯(lián)的情況。雙容系統(tǒng)水泵作水源，抽取水槽中的水，維持上位水箱中的水位，然后通過電動閥，按需求對水位進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)手動閥，把水自上位水箱向下位水箱供給，使下位水箱的水位也達(dá)到所需的需求。

根據(jù)系統(tǒng)的要求，為達(dá)到一定的精確度，我們把下位水箱的液位設(shè)為主調(diào)節(jié)參數(shù)，然后把上位水箱的液位設(shè)為副調(diào)節(jié)參數(shù)，通過上下水箱的連接，從而組成雙容串聯(lián)液位控制系統(tǒng)。對于下位水箱來說，將傳感器所檢測到的液位信號與所需求的液位值相對比，然后輸送至PID組中的串聯(lián)主調(diào)節(jié)器，通過PID運算，再輸入到副調(diào)節(jié)器，最后與上位水箱的傳感器所檢測到的液位信號對比，把比較所得送至副調(diào)節(jié)器，通過PID運算，其輸出可以對電動閥開度，進(jìn)水流量的大小、快慢施加準(zhǔn)確控制。最終，可以精確而高效的模擬雙容串聯(lián)的情況。

3.2控制器優(yōu)化

對于控制器方面，現(xiàn)今在控制器方面的技術(shù)非常成熟在市面上的控制端智能儀表都很完善，可以直接進(jìn)行使用，只需按照條件與需求正確的選擇就可以達(dá)到要求。雖然較為完善，但仍存在問題那就是在顯示及操作方面存在問題。顯示均為儀表數(shù)值型顯示，并且參數(shù)的設(shè)定十分繁瑣復(fù)雜。如果可以將控制器信號轉(zhuǎn)化傳輸呈現(xiàn)在其他設(shè)備上。會達(dá)到更好的效果。

除此之外，我們還對雙容串聯(lián)的儀表的情況開展了模擬分析：通過利用實驗裝置上所用的的儀表（SWP-C80，SWP-D80，SWP-201-DL-12-21-），并且通過組態(tài)軟件MCGS，來實時監(jiān)控并精確、詳細(xì)顯示各種信息。

模擬所采用的儀表，是十分完善的，所以對于精確度以及信號的檢測上完全可以達(dá)到相關(guān)的要求，儀表SWP-201-Dl采用4-20mA/1-5V輸出，采用AC220V 50Hz電源，除此之外，SWP-C80/D80還能設(shè)置報警；當(dāng)儀表接入熱電偶，儀器的內(nèi)部有專門的冷端補償部件；當(dāng)儀表以電壓/電流為輸入源，那么可以任意設(shè)置儀表所顯示的物理參數(shù)；當(dāng)儀接入表熱電阻，則選用三線制接線，可以非常好的減小由引線所帶來的誤差。所以，系統(tǒng)對于濕度、流量、壓力及溫度等，都能很好的精確控制，并且擁有多種控制類型，例如通訊、控制及變送、人工智能調(diào)節(jié)等。另外，還有手動自整定及手動調(diào)節(jié)、位置比例輸出等功能，很適用于串聯(lián)液位控制。選用的MCGS5工業(yè)控制組態(tài)軟件，經(jīng)轉(zhuǎn)換器，能夠使智能儀表與PC機之間實時通信。而對于MCGSS.5組態(tài)軟件而言，能夠現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，實時監(jiān)控模擬過程，另外，還可以繪制趨勢曲線及報警等功能。

最后對于控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)為了使系統(tǒng)的精確度達(dá)到需求，可采用兩步整定法，首先整定副環(huán)，根據(jù)4：1衰減曲線法，得出=83，=40s，用相同方法，對主環(huán)進(jìn)行整定，得出=6.5，=30s，最終便可得到主調(diào)節(jié)器的參數(shù)：=100，=20s，副調(diào)節(jié)器參數(shù)=100，=20s。

3.3變送器優(yōu)化

在不同的工業(yè)方面對于液位的控制方式不同，需要根據(jù)不同情況更換變送器并且如果更換物理量就要重新設(shè)定儀表參數(shù)，相對繁瑣。對于傳感器優(yōu)化，我們采用幾種傳感器運用調(diào)節(jié)開關(guān)，即采用多通開關(guān)線路來調(diào)節(jié)傳感器的使用，采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)更加簡便。

3.4控制閥調(diào)節(jié)閥優(yōu)化

對于控制閥和調(diào)節(jié)閥只需要選擇合適的閥門就可以滿足要求但對優(yōu)化探究其中涉及眾多閥門需要按類分析選擇合適的閥門，比如控制閥，電動控制閥采用電能取用方便，信號傳遞速度快，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防爆性低安全性較差。氣動控制閥以壓縮空氣為能源，操作簡單、輸出平穩(wěn)、推力較大、維修方便、防火防爆、價格較低。液動控制閥目前已經(jīng)極少使用。在這里我們采用電動閥為控制閥。

3.5整體優(yōu)化

實驗室的液位自控實驗裝置在整體上還存在一些問題需要解決；實驗儀器以金屬為框架下方為水泵，當(dāng)儀器開啟后，整體噪音較大，應(yīng)適當(dāng)在其中加入多孔吸音材料來減小噪音。另外全部結(jié)構(gòu)采用鋼鐵架構(gòu)易發(fā)生銹蝕情況；實驗儀器內(nèi)空余空間過多，導(dǎo)致體積過大，不利于放置與調(diào)整；儀器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致實驗裝置維護(hù)與修理相對困難復(fù)雜。

4結(jié)語

綜上所述為本題的優(yōu)化方案，本選題通過液位自控的基礎(chǔ)理論知識分析以及結(jié)合實例分析對液位自動控制系統(tǒng)的實驗裝置進(jìn)行仔細(xì)的探究，通過探究得出實驗裝置現(xiàn)存的優(yōu)缺點，保留優(yōu)點，優(yōu)化缺點，得出一套可行的方案，此方案可以更好的利用實驗裝置進(jìn)行模擬。

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