LabVIEW基于CFP水箱温度-液位控制系统研究
毕业论文关键词： LabVIEW 温度液位控制 CFP 控制器
Title Research on Temperature Liquid Level Control System of CFP Tank
Abstract LabVIEW is the most representative graphical programming platform, and is currently one of the most widely used data acquisition and control development environment. Combined with the experimental platform of THJ-3. Introduces a kind of based on LabVIEW8.2.1 software development platform and CFP construct thermal object automatic detection method of control system. This method is applied to the temperature of the water tank liquid level control system, the system carried out a series of research and testing. The water level of the water tank, the boiler temperature and other thermal parameters are monitored, and the monitoring data is displayed, saved and read.. And introduced the system using hardware such as pressure transmitter, analog conversion device, CFP controller function and the characteristic, the CFP channel hardware and system software design such as LabVIEW program interaction and data processing method are introduced。 Keywords ： LabVIEW Temperature level control CFP controller
目 次
1引言. 1
1.1 课题背景 .. 1
1.1.1 研究现状 2
1.1.2 目前研究的侧重点 3
1.2 课题研究内容 .. 3
1.3 构建系统平台 .. 3
2 系统硬件设计 4
2.1 系统的构建 4
2.2 THJ-3 型过程控制系统... 6
2.3 CFP 控制器. 8
2.3.1 CFP-AI-110 模块.. 8
2.3.2 CFP-AO-200 模块.. 9
2.3.3 CFP-RTD-122 模块 11
2.4 通道的配置 ... 12
3 系统软件设计 ... 14
3.1 前面板的设计 . 14
3.2 软件流程图 ... 16
3.3 PID 调节.. 22
4 调试 ... 23
4.1 单容水箱特性测试 . 23
4.2 锅炉内胆特性的测试 ... 25
4.3 PID 参数的设定和整定.. 25
5 实验及结果 . 26
结论 . 29
致 谢 ... 30
参考文献 . 31
1 引言 1.1 课题背景 随着社会的需要，控制过程从应用于工业生产至今经历了一个简单到复杂、从低级到高级的缓慢过程，社会的进步离不开信息技术、自动化技术，在过程工业中过程控制系统越来越重要。在过程控制中一般对液位、温度、压力、流量等参数进行控制和监测。自动测试技术随着科技进步在不断的革新和发展，近年来由于电子和计算机的日趋完善，自动测试技术的发展进入了一个新的平台。自动测试方法的研究也进入了一个成熟的阶段，主要的思路就是将对象的模拟信号转换为电信号经 A/D 输给计算机，供计算机分析，再将结果加以显示，计算机也可以将信号经 D/A 转换输给对象，控制对象。其中，温度-液位控制技术在电厂中得到广泛的运用，如锅炉气泡控制。温度-液位控制的准确度与精度都会影响着生产、生活的质量与安全。为了合理高效生产、保证安全急需开展先进的温度-液位控制方法和策略的研究和开发。 对于温度的检测和温度的控制在火电厂得到广泛的应用，在火电厂里目前已有的实现温控的办法有很多，如比例式、积分式、油浴恒温法及其组合的调节方法等。液位温度自动测试是大多数工业过程所要求的，随着工业技术的发展，液位温度测试技术也较为成熟。液位温度检测的常用方法（按原理）有超声波法、压力法、微波法、激光法、磁致伸缩法等等。而这些方法所使用的数据采集、显示、存储，以及结果的输出与分析主要都要靠硬件来实现，因而所需的成本较高，且安装调试时间长，需要专业人才进行定期文护，功能单一。对于像电厂锅炉这样的大型设备，液位温度检测是整个系统能否正常运行的关键参数，因而需要时刻进行检测，对仪器的可靠度要求较高，传统仪器显示出了不足。进入80 年代以来，随着计算机技术、信号处理技术的飞速发展，并与测试技术的进一步结合，尤其是先进传感器的应用，使得测量精度和测量范围有了较大的扩展，从而，使人们从传统仪器模式中得以发展，逐步提出了新概念的测试仪器—虚拟仪器（Virtual Instrument） ，简称 VI。虚拟仪器的思想是由美国 NI（National Instrument）公司提出的。虚拟仪器利用了计算机强大的数据处理能力和资源，使本来依靠硬件来实现的功能软件化，不仅大幅降低了测试系统的成本，而且增加了系统的功能和灵活性[2]。 电子测量仪器的演化与发展从总体上看沿着两条主线展开。一是从所采用的的技术上看，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器的发展过程；二是从仪器结构（可扩展性）和实现形式上看，经历了单台仪器、模块化仪器和虚拟仪器的发展过程。这两条发展主线的技术基础都是微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术，并随着这些技术的发展以及深层次的逐渐结合而发展。但不论仪器怎样发展，基本功能模块是不变的，主要包括：信号采集（包括传感器电路、信号调理电路）、信号存储与分析、结果表达与输出。不同仪器针对的测量对象不同，因而所采用的传感器也不同，自然界的大多数信号是以模拟信号的形式存在着，传感器的作用就是把模拟量转换成电信号（电压或电流）；信号变换和调理电路对来自传感器的电信号进行放大、衰减、变换（包括变频、检波等）、滤波以及调整到适合于 A/D 转换的状态。传感器决定了仪器的应用范围；A/D 转换器与信号变换调理电路共同决定仪器频带宽度和测量精度，A/D 的作用跟为关键。信号处理的数字化、软件化是仪器发展的必然选择，也是虚拟仪器的发展基础。测量就是对信息的提取，是从现场采样获得的数字信号中提取需要的信息。虚拟仪器把信号的分析与处理、结果的表达与输出放到计算机上来完成，通过在计算机上插上数据采集卡，把仪器的三个部分全部在计算机上实现。用软件在屏幕上生成传统仪器的显示面板，用软件来进行信号分析和处理，完成多种多样的测量。突破了传统仪器在数字处理、表达、传送、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。 1.1.1 研究现状 国内学者在水箱液位温度的动态特性参数的测试方面已做了大量的研究。他们提出了基于 CFP 和 LabVIEW 软件的液位温度控制系统的设计方案，在前面板上实现了水箱液位温度的监控建模，介绍了 CFP 的安装过程，软件的实现全过程，展示了 PID 阶跃响应曲线。做了基于 LabVIEW 的虚拟信号分析仪的设计方面的研究，详细介绍了 LabVIEW 开发平台的整体功能扩展方法，重点研究了接口技术，同时使用 CFP 数据采集模块和 LabVIEW 开发平台设计实现了虚拟信号分析仪，实现了信号在时域、频域的分析。I/O 的的配置，求出了系统的传递函数，用实验验证了利用labVIEW 开发 PID 控制器模块的可行性。前任提出了利用LabVIEW 组建液位控制系统，利用数据采集卡和 LabVIEW 开发了一套液位温度控制系统,实现了对液位温度数据的实时采集及控制。李阳，谢晖，陈侃做了基于LabVIEW 的 PID 控制系统设计与实现的工作，系统通过传感器，数据采集卡，以及 PID 工具包，对采集的数据进行实时地分析和处理，达到了对液位的控制。刘玥，宗哲玲，田立国做了基于LabVIEW 的控制系统的时域仿真研究，对 LabVIEW 与 Matlab 在仿真中的应用进行了比较，提出了对线性控制系统时域仿真的研究与分析方法，详细介绍了仿真系统的设计和分析方法。开发环境下三容水箱实验系统的设计和实现，重点说明了 PID 控制器的设计过程，介绍了控制系统的组织和数据采集过程。查美生，陈实等人提出了利用 LabVIEW 和 PXI 技术构建热工水力学测试平台，根据热工对象需测参数多的特点，介绍了利用NI 公司虚拟仪器软件构件系统的优点。殷明华，陈马莲等人开发出了一套液位实时监控系统，利用超声波传感器，配置数据采集卡，在LabVIEW 环境下验证了开发液位测试系统的可行性，详细介绍了软硬件的实施过程。国外学者利用LabVIEW 软件开发出了各种各样的控制系统，如利用 LabVIEW 研究全球变暖现象，等等，在系统模拟仿真方面作了大量的工作【13】。 1.1.2 目前研究的侧重点 目前，国内的专家学者在利用 LabVIEW 软件配合硬件开发自动测试系统时，大部分研究工作放在了系统的控制方面，充分利用LabVIEW 的强大的与仪器设备连接和通信方面的优势，开发出了大量的有实用价值的系统，而在系统性能分析方面所做的研究工作比较少。利用LabVIEW 不仅可以实现对系统的 PID 控制，而且可以分析系统在运行阶段的各种性能指标，为提高系统的运行效率指明方向。本课题结合前人的研究方法，而把侧重点放在了系统自动测试和分析方法方面，提供了一种系统时域特性的测试和分析的方法。 1.2 课题研究内容 课题所解决的问题就是水箱温度-液位的自动控制，温度-液位控制在电厂锅炉中应用和水厂的应用最为广泛，所以水位的控制也是研究的重要话题，本设计就是基于 CFP 水箱温度-液位控制系统研究。本课题以水箱温度-液位控制系统 ，以温度为恒定值，用液位来调节使温度达到恒温。本课题是基于 CFP 对温度-液位的控制系统的研究，并利用LabVIEW 软件完成对液位-温度的现场监测、数据的采集保存以及查看历史数据等研究工作。实验设备包括：天煌 THJ-3型高级过程控制系统实验装置，CFP 控制器，台式电脑等设备。 1.3 构建系统平台 根据虚拟仪器的思想，采用 NI 公司的 LabVIEW 软件和 CFP，如图 1.3 所示。构建温度液位控制系统，该系统由对象、CFP、计算机（装有 LabVIEW 软件和CFP 驱动程序）等组成。计算机中装有系统软件和驱动程序，将采集到的数据进行保存和分析，并将结果显示出来。实验的组建实施在以下各章中加以详述。
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