CN102723022A - 一种超声波物位控制实验教学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波物位控制实验教学装置，包括被控对象、超声波物位仪表、上位机、由变频器及离心式鼓风机组成的系统动力支路，超声波物位控制系统各部分通过基金会现场总线(FF)进行通信,总线的组态和系统监控由上位机完成。本发明装置集物位控制系统的非接触测量和FF总线技术结合，并将传统物位实验装置中液位的测量改为由气体吹动的浮体的物位高度测量，避免了液位测量中取水和防水的问题，同时浮体位置变化明显，易于教学实验中学生对单回路闭环控制系统操作原理和过程的理解，并且对当今应用于过程自动化系统中的现场总线的使用有初步的认识和理解，且维护方便。

Description

一种超声波物位控制实验教学装置

技术领域

本发明涉及教学实验演示仪器技术领域，尤其是一种教学用超声波物位控制实验教学装置。

背景技术

在现代工业生产自动化中，物位是重要的过程参数之一，物位的测量与控制是实现工业生产自动化的一项重要任务。物位在工业生产过程中一般指液位、固体颗粒和粉粒位，以及液-液、液-固相界面位置。测量液体液面位置的称为液位计，测量固体、粉料位置的称为料位计，测量液-液、液固相界面位置的称为相界面计。

鉴于物位是工业生产过程中应用十分广泛的一个物理参数，工业中的各种原料和成品存在于生产流程中的每一个环节，它们动态的存在于釜、槽、罐、池、仓、塔、运输带、传输管道等容器中。生产过程中需要及时知道这些物料在各种容器中有多少，它们的输送过程是否受阻。这就是工业自动化中的物位测量技术的主要任务，实现物位的测量与控制需要对检测技术及自动化装置的了解，而检测技术及自动化装置集信号获取与实时处理技术、先进传感器技术、智能仪表、测控装置及系统于一体。

目前自动化测试与控制专业相关教学实验仪相对缺乏，且现有过程控制类教学实验仪以流量监测装置为主，一般都采用静压型物位计，而物位测量技术从工作方式上已经由接触式测量向非接触式测量方向发展，因此此类教学实验系统就显得有点过时，不能满足自动化测试与控制等相关专业的对物位测量及控制实验的要求，而且设备投资高、利用率低，并且传统物位控制系统均考虑液位的测量，实验过程中涉及取水和防水问题，既不方便，也容易对实验设备中的电气设备造成安全隐患。

因此，针对上述现有技术存在的缺陷，有必要进行开发研究，提供一种超声波物位控制实验教学装置，以满足自动化测试与控制等相关专业对物位测量及控制实验的要求。

发明内容

本发明创作的目的在于针对现有过程控制类课程教学实验装置的不足和传统实验装置维护成本高的问题，提供一种超声波物位控制实验教学装置，该装置实现了物位控制的非接触测量和FF总线技术的结合，结构合理，直观显示单回路物位控制系统的工作过程，且降低了实验中的安全隐患，操作简单，维护成本低。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种超声波物位控制实验教学装置，包括有上位机、被控对象、控制仪表、由变频器及离心式鼓风机组成的系统动力支路、以及超声波物位计；被控对象为安置于一透明圆形管道内的圆柱体的位置，圆柱体位置的高低由离心式鼓风机推动，其位置由超声波物位计进行测量；内置圆柱体的透明圆形管道、超声波物位计和离心式鼓风机安装于一第二支架上，第二支架置于地面，底部装有滚轮；控制仪表包括有现场总线控制器、总线转换器，现场总线控制器、总线转换器和变频器安装于一第一支架上，第一支架和上位机位于整个实验装置同一侧，置于一个平台上。

进一步地，所述超声波物位计检测被控对象圆柱体的位置，装置的各部分之间通过FF总线进行通信，现场总线控制器和总线转换器完成FF总线不同协议间的数据转换和通信，FF总线的组态通过软件完成。

进一步地，所述被控对象圆柱体的内部为一充气气球，相当于一个浮体，当气体吹动圆柱体时，能够快速直观的观察到圆柱体位置的变化。

进一步地，所述超声波物位仪表具有FF总线协议，它是一种基于时间行程的连续非接触式物位测量仪表，自带PID控制功能块，集检测与控制于一个仪表中。

进一步地，所述被控圆柱体的物位经由超声波物位仪表检测，并将信号送至现场总线，通过现总线场控制器传送给上位机，上位机通过控制算法确定输出控制信号，控制信号由总线送给现场总线控制器，经由H1总线送给总线转换器实现FF信号和传统控制信号的转换，现场控制信号控制变频器的输出频率，输出频率的调节确定离心式鼓风机的输出风速，从而改变被控对象圆柱体的位置。

进一步地，所述上位机中装有的组态软件ControlCare完成FF总线的组态，并应用ControlCare-P View作为系统监控界面软件。

相较于现有技术，本发明创作通过超声波物位计传感器测量由气体吹动的浮体的物位高度，取代传统物位控制系统中液位的测量，从而避免了液位测量中取水、放水的问题和因用水而造成的电气设备潜在的安全隐患问题，也降低了维护成本，同时由于浮体自身质量小的原因，其位置改变明显，能够使整个实验过程直观展示在学生面前，加强学生对实验原理的理解。其属于技术密集型的教学实验装置，将工业生产过程自动化的相关技术引入教学实验，集物位控制系统的非接触测量和FF总线技术于一体，使学生在实验过程中同时了解单回路闭环物位控制系统操作原理和过程以及当今应用于过程自动化系统中的现场总线的使用，可以解决学生利用软硬件调试和观察物位控制效果的问题，不仅可满足本科生的课堂实验要求，也可为研究生及科研人员对复杂控制系统和先进控制系统的进一步设计研究提供一种工业过程自动化相关的物理模拟对象和平台。

附图说明

图1本发明的整体结构原理图。

图2本发明的电路原理图。

图3本发明中ControlCare-P View监控界面。

具体实施方式

为了使本创作的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本创作进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

本发明公开的超声波物位控制教学实验系统装置由被控对象、控制仪表、由变频器及离心式鼓风机组成的系统动力支路组成，各组成部分之间通过基金会现场(FF)总线进行通讯，集物位控制的非接触测量和FF总线技术于一体。FF总线的组态由组态软件ControlCare完成，并应用ControlCare-P View作为系统监控界面软件。

本发明实施例中，以系统的被控对象为圆柱体进行说明，其上升高度作为系统的被控制量，系统的给定信号为一定值，要求被控制量圆柱体的位置在稳态时等于给定值，由反馈控制的原理可知，圆柱体的位置有超声波传感器检测后的信号作为系统的反馈信号。

参照图1所示，本发明一种超声波物位控制实验教学装置包括有第一支架8、第二支架9和上位机7。被控对象圆柱体1安置于一透明圆形管道内，圆柱体1位置的高低由离心式鼓风机6推动，其位置由超声波物位计2进行测量，内置圆柱体1的透明圆形管道、超声波物位计2和离心式鼓风机6安装在第二支架9上，第二支架9置于地面，底部装有滚轮，方便移动。现场总线控制器3、总线转换器4和变频器5安装在第一支架8上，第一支架8和上位机位于整个实验装置同一侧，置于一个平台上，既方便实验设备的连线也节省了空间。

其中，超声波物位计2检测透明圆形管道内圆柱体1的位置，并将位置信号送至现场总线控制器3，现场总线控制器3将位置信号送给上位机7，上位机7装有的组态软件ControlCare完成FF总线的组态，并应用ControlCare-P View作为系统监控界面软件，上位机7能够获得圆柱体1的即时位置信号，并将获得的即时位置信号与设定位置相比较，通过控制算法输出控制信号，控制信号由HSE总线送至现场总线控制器SFC162 3，经由H1总线送给FI302总线转换器4，FI302总线转换器4输出的4-20mA电流信号作为变频器5的输入信号,从而经过计算机控制算法输出的控制信号能够控制变频器5输出频率的调节从而改变离心式鼓风机6的输出风速，最终改变被控对象1圆柱体的位置。上位机7中装有的ControlCare-P View作为系统的监控界面软件，可以实时显示被控对象1圆柱体的位置测量值，PID参数设定值和实时测量曲线。当PID参数和物位设定值改变时，监控界面能够实时显示控制量输出值的变化和被控对象1圆柱体位置的变化。

在本发明实施例中，所述被控对象1圆柱体的内部为一充气气球，相当于一个浮体，当气体吹动圆柱体1时，能够快速直观的观察到圆柱体1位置的变化，用浮体位置的检测代替传统物位实验装置中液位的检测，避免了实验过程中取水、放水的问题和电气设备存在的安全隐患，且浮体位置变化直观、明显。

所述超声波物位计是一种智能仪表，既可以完成检测也自带PID控制功能块起到控制器的作用，是工业过程自动化中检测物位常用的测量仪表。它是一种基于时间行程的连续非接触式物位测量仪表，其非接触式测量的方式不受介质特性影响，并且其内部集成的温度传感器可对超声波运行时间内的温度变化进行补偿从而能够实现精确测测量，同时支持HART、PROFIBUS PA及基金会现场总线(FF)通信协议，采用总线供电的方式给仪表供电。

此超声波物位计的工作原理为传感器头向物料表面发射超声波，物料反射回波并被传感器接收，测算出脉冲传送与接收时间T,再用声速C计算出探头和物料表面的距离。

$H=\frac{1}{2}\mathrm{CT}$

式中，H为超声波探头到物料表面的距离，C为超声波的传播速度，T为从发射到接收超声波的运行时间。

所述的FF总线具有H1、HSE/H2两种协议，其中H1协议用来连接现场仪表和设备，支持本质安全防爆，支持总线供电；HSE/H2协议用于现场仪表和上位机通信。

所述上位机中安装的ControlCare组态软件用于配置仪表参数，连接现场设备，具有在线与离线组态能力，将现场设备的控制、管理分开操作，即只要将设计好的控制策略下载到现场仪表、设备中，即使上位机与底层设备的通信中断，底层设备也可以按照已经下载的控制策略进行工作，并应用ControlCare-PView作为系统的监控界面软件，可以实时显示测量值，PID参数设定值和实时测量曲线。当PID参数改变时，监控界面能够实时显示控制量输出值的变化和被控对象1圆柱体位置的变化。

本发明创作集单回路物位控制和FF总线技术于一体，在模拟现代工业生产自动化中物位检测与控制的物理对象和模型的同时也将现代工业生产自动化物位控制系统的常用的现场总线技术引入了实验室，实现了物位控制系统中非接触测量和FF总线技术的结合。

图2为本发明的电路原理图，其中，超声波物位计2测得圆柱体1的位置，并将测得的信号以H1信号的形式送给现场总线控制器SFC162，超声波物位计2内部集成的温度传感器可对超声波运行时间内的温度变化进行补偿，以实现精确测量，现场总线控制器SFC162接收的信号经由HSE总线传送给上位机7，上位机7中装有E+H公司提供的组态软件ControlCare对FF总线进行组态，系统的监控界面软件是E+H公司提供的ControlCare-P View，在ControlCare-P View中编写监控界面，可以实时显示测量值和控制量输出曲线，并可以进行PID参数的设定和调整。上位机7通过控制算法输出控制信号，控制信号由HSE总线送至现场总线控制器SFC162，进而有现场总线控制器SFC162将控制信号经由H1总线送给FI302总线转换器4，FI302总线转换器4实现FF信号和传统控制信号的转换，并将4-20mA的现场控制信号作为松下BFV00152G变频器5的输入电流信号，变频器0～220V的变频输出用来驱动离心式鼓风机6，通过调节离心式鼓风机6的输出风速，最终改变被控对象圆柱体1的位置。

图3为本系统在ControlCare-P View中编写的监控界面，其中左侧为整个装置的组态图，从图中可以很清楚的显示本系统各部分之间的连接，右下角的设定值可以设定圆柱体1的位置,因透明圆形管道的高度为2米，所以此窗口中的设定值在0-2000mm之间，可以在PID参数设定窗口调节PID的值，从而改变控制量的输出，测量值窗口显示的是由超声波物位计2测得的圆柱体1的实时位置信号曲线，输出值窗口显示的是控制量的输出。

应用时，本发明超声波物位控制实验教学装置的具体实验操作步骤如下：

1)按照实验要求连接现场设备，并接通电源；

2)启动计算机，运行Control Care组态软件软件，完成本系统FF总线的组态，并将组态策略下载到下层设备/仪；

3)运行Control Care-P View监控软件，编写监控界面，并建立与OPC的连接；

4)设置PID参数，观察物位测量值，可以采用经验法设定PID参数,反复多次调节PID参数，使系统具有较满意的动态性能指标。

本发明超声波物位控制实验教学装置通过超声波物位计传感器测量由气体吹动的浮体的物位高度，取代传统物位控制系统中液位的测量，从而避免了液位测量中取水、放水的问题和因用水而造成的电气设备潜在的安全隐患问题，也降低了维护成本，同时由于浮体自身质量小的原因，其位置改变明显，能够使整个实验过程直观展示在学生面前，加强学生对实验原理的理解。另外，本实验装置由超声波物位计2、计算机控制系统和FF总线系统组成，属于技术密集型的教学实验装置，将工业生产过程自动化的相关技术引入教学实验，集物位控制系统的非接触测量和FF总线技术于一体，使学生在实验过程中同时了解单回路闭环物位控制系统操作原理和过程以及当今应用于过程自动化系统中的现场总线的使用，可以解决学生利用软硬件调试和观察物位控制效果的问题，不仅可满足本科生的课堂实验要求，也可为研究生及科研人员对复杂控制系统和先进控制系统的进一步设计研究提供一种工业过程自动化相关的物理模拟对象和平台。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声波物位控制实验教学装置，包括有上位机、被控对象，其特征在于：还包括有控制仪表、由变频器及离心式鼓风机组成的系统动力支路、以及超声波物位计；所述被控对象为安置于一透明圆形管道内的圆柱体的位置，圆柱体位置的高低由离心式鼓风机推动，其位置由超声波物位计进行测量；内置圆柱体的透明圆形管道、超声波物位计和离心式鼓风机安装于一第二支架上，第二支架置于地面，底部装有滚轮；控制仪表包括有现场总线控制器、总线转换器，现场总线控制器、总线转换器和变频器安装于一第一支架上，第一支架和上位机位于整个实验装置同一侧，置于一个平台上。

2.如权利要求1所述的超声波物位控制实验教学装置，其特征在于：所述超声波物位计检测被控对象圆柱体的位置，装置的各部分之间通过FF总线进行通信，现场总线控制器和总线转换器完成FF总线不同协议间的数据转换和通信，FF总线的组态通过软件完成。

3.如权利要求2所述的超声波物位控制实验教学装置，其特征在于：所述被控对象圆柱体的内部为一充气气球，相当于一个浮体，当气体吹动圆柱体时，能够快速直观的观察到圆柱体位置的变化。

4.如权利要求3所述的超声波物位控制实验教学装置，其特征在于：所述超声波物位仪表具有FF总线协议，它是一种基于时间行程的连续非接触式物位测量仪表，自带PID控制功能块，集检测与控制于一个仪表中。

5.如权利要求1-4中任何一项所述的超声波物位控制实验教学装置，其特征在于：所述被控圆柱体的物位经由超声波物位仪表检测，并将信号送至现场总线，通过现总线场控制器传送给上位机，上位机通过控制算法确定输出控制信号，控制信号由总线送给现场总线控制器，经由H1总线送给总线转换器实现FF信号和传统控制信号的转换，现场控制信号控制变频器的输出频率，输出频率的调节确定离心式鼓风机的输出风速，从而改变被控对象圆柱体的位置。

6.如权利要求1-4中任何一项所述的超声波物位控制实验教学装置，其特征在于：所述上位机中装有的组态软件ControlCare完成FF总线的组态，并应用ControlCare-P View作为系统监控界面软件。

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