基于組態(tài)軟件的液位—流量串級過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)題 目:基于組態(tài)軟件的液位流量串級過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評語：簽名： 年 月 日 II工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)一個(gè)具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的液位流量串級過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)液位-流量串級過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過程儀表。2. 根據(jù)液位-流量串級過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。3. 根據(jù)與計(jì)算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通

2、訊模塊。4. 運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)液位-流量串級過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。5. 提交包括上述內(nèi)容的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。主要參考資料1 組態(tài)王軟件及其說明文件2 邵裕森過程控制工程北京：機(jī)械工業(yè)出版社20003 過程控制教材4 輔導(dǎo)資料審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日 目 錄1 設(shè)計(jì)目的與要求11.1設(shè)計(jì)目的11.2 設(shè)計(jì)要求12 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12.1 控制方案12.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23 過程儀表的選擇23.1 液位傳感器23.2 電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器23.3 電動調(diào)節(jié)閥33.4 變頻器33.5 水泵43.6 模擬量采集模塊43.7 模擬量輸出模塊43.8 通信轉(zhuǎn)

3、換模塊43.9 開關(guān)電源44 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)44.1 流程圖與組態(tài)圖44.2 組態(tài)畫面64.3 數(shù)據(jù)字典64.4 應(yīng)用程序74.5 動畫連接84.6 PID控制算法8結(jié) 論10參 考 文 獻(xiàn)11附錄121 設(shè)計(jì)目的與要求1.1設(shè)計(jì)目的（1）加深對過程控制系統(tǒng)基本原理的理解和對過程儀表的實(shí)際應(yīng)用能力。（2）培養(yǎng)運(yùn)用組態(tài)軟件和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)的實(shí)際能力。1.2 設(shè)計(jì)要求（1）根據(jù)液位-流量串級過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過程儀表。（2）根據(jù)液位-流量串級過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。（3）根據(jù)與計(jì)算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS

4、485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。（4）運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)液位-流量串級過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 控制方案 在本系統(tǒng)中被控參量有兩個(gè)，上水箱液位和管道流量，這兩個(gè)參量具有相關(guān)聯(lián)系，流量的大小可以影響上水箱液位，根據(jù)流量與液位的關(guān)系，故系統(tǒng)采用串級控制，內(nèi)環(huán)為流量控制，外環(huán)為液位控制。內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法均采用PID算法，PID算法實(shí)現(xiàn)簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。外環(huán)液位控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)流量控制器的設(shè)定值，流量控制器的輸出來控制調(diào)節(jié)閥的大小，來控制管道流量的大小，進(jìn)而控制上水箱液位。2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。 圖2.1 計(jì)算機(jī)

5、控制上水箱液位和流量串級系統(tǒng)控制框圖3 過程儀表的選擇3.1 液位傳感器液位傳感器用來對上位水箱和下位水箱的液位進(jìn)行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，采用高品質(zhì)、低功耗精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高?？煞奖愕嘏c其它DDZX型儀表互換配置，并能直接替換進(jìn)口同類儀表。效驗(yàn)的方法時(shí)通電預(yù)熱15分鐘后，分別在零壓力和滿量程壓力下檢查輸出電流。在零壓力下調(diào)整零電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串24V直流電源。液位傳感器用來對上水箱和中位水箱的液位進(jìn)行檢測，采用工業(yè)用的D

6、BYG擴(kuò)散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。3.2 電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器流量傳感器用來對電動調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進(jìn)行檢測。根據(jù)本系統(tǒng)裝置的特點(diǎn)，采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量00.3/h，壓力1.6Mpmax，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出?？膳c顯示，記錄儀表，計(jì)算器或調(diào)節(jié)器配套。避免了渦輪流量計(jì)非線性與死區(qū)大的致命缺點(diǎn)，確保實(shí)驗(yàn)效果能達(dá)到系統(tǒng)的要求。主要優(yōu)點(diǎn)：(1)采用整體焊接結(jié)構(gòu)，密封性能好；(2)結(jié)構(gòu)簡單可靠，內(nèi)部無活動部件，幾乎無壓力損壞；(3)采用低頻矩形波勵(lì)磁，抗干擾性能好，零點(diǎn)穩(wěn)定；(4)儀表反應(yīng)靈敏

7、，輸出信號與流量成線性關(guān)系，量程比寬；流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ-4型電磁流量轉(zhuǎn)換器，與LDS-10S型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：00.4mV輸出信號:420mADC，允許負(fù)載電阻為0750歐姆，基本誤差：輸出信號量程的3.3 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高，操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對壓力流量溫度液位等參

8、數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄露量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4-20mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單座住塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)端力，保證閥門的可靠關(guān)斷，防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。3.4 變頻器三菱FR-S520變頻器，4-20mA控制信號輸入，可對流量或壓力進(jìn)行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制頻率?？蓡蜗嗷蛉喙╇姡l率可高達(dá)200HZ。3.5 水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長。功率小，2

9、20V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。3.6 模擬量采集模塊模擬量采集模塊選用的是A/D牛頓7017模塊8路模擬電壓（15V）3.7 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊選用的是D/A牛頓7024模塊4路模擬輸出，電流（420mA）電壓（15V）信號均可3.8 通信轉(zhuǎn)換模塊通訊模塊選用485/232轉(zhuǎn)換牛頓7520模塊，轉(zhuǎn)換速度極高（300115KHz），232口可長距離傳輸。3.9 開關(guān)電源DC24V的開關(guān)電源，最大電流為2A，滿足實(shí)驗(yàn)的要求。4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)4.1 流程圖與組態(tài)圖系統(tǒng)流程圖如圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)組態(tài)圖如圖4.2所示。圖4.2

10、系統(tǒng)組態(tài)圖4.2 組態(tài)畫面4.3 數(shù)據(jù)字典變量名變量類型連接設(shè)備寄存器液位1I/O實(shí)型A/DAI0流量I/O實(shí)型A/DAI2閥1I/O離散D/AAI1閥2I/O離散D/AAI3泵內(nèi)存實(shí)型電磁閥I/O實(shí)型D/AAI5Kp內(nèi)存整型Ti內(nèi)存整型Td內(nèi)存整型SP內(nèi)存整型U內(nèi)存整型PV內(nèi)存整型Kp1內(nèi)存整型Ti1內(nèi)存整型Td1內(nèi)存整型SP1內(nèi)存整型U1內(nèi)存整型PV1內(nèi)存整型頻率I/O實(shí)型D/AAO24.4 應(yīng)用程序 if(流量SP)頻率=頻率+(Kp/20+1)*1;流量=頻率+電磁閥-55;PV=流量;U=頻率+30;else頻率=頻率-(Kp/20+1)*1;流量=頻率+電磁閥-55;PV=流量;U

11、=頻率+30;if(液位1SP1-10)閥2=1;液位3=液位1+流量-50;else閥2=0;液位3=液位3-3;4.5 動畫連接4.6 PID控制算法根據(jù)液位流量串級控制系統(tǒng)的原理，運(yùn)用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實(shí)現(xiàn)PID控制算法。本系統(tǒng)采用PID位置控制算式，其控制算式如下： 上述算式中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，以u(k)作為計(jì)算機(jī)的當(dāng)前輸出值，以sp作為給定值，pv作為反饋值即AD設(shè)備的轉(zhuǎn)換值e(k)作為偏差。PID控制算法流程圖如圖4.3所示。取sp , pv形成偏差e(k)取a0 , e(k)做乘法取a1 , e(k-1)做乘法取a2 , e(

12、k-2)做乘法做a2e(k-2)減a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)+u(k-1)輸出u(k)數(shù)據(jù)傳送：u(k)u(k-1)數(shù)據(jù)傳送：e(k)e(k-1)e(k-1) e(k-2)圖4.3 PID控制算法流程圖結(jié) 論經(jīng)過本次課程設(shè)計(jì)，我對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的開發(fā)控制流程有了全面的了解，初步了解了PID控制規(guī)律在實(shí)際控制工程中的應(yīng)用，很好的做到了理論與實(shí)踐的結(jié)合，進(jìn)一步加深了對PID控制算法理解，除此之外，還對在實(shí)際工程中應(yīng)用極為廣泛的組態(tài)王軟件，這位我們以后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。通過本次課程設(shè)計(jì)，讓我了解了工

13、業(yè)過程控制系統(tǒng)的組成和一般的設(shè)計(jì)步驟。在工業(yè)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，首先要有系統(tǒng)的控制方案和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中系統(tǒng)的控制方案在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中非常重要，所以要仔細(xì)認(rèn)真的設(shè)計(jì)，然后就是對各種傳感器和各個(gè)模塊的選擇，最后就是對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。在這次設(shè)計(jì)中運(yùn)用了組態(tài)王這個(gè)組態(tài)軟件，借助這次課程設(shè)計(jì)讓我對組態(tài)王有了一定的了解，而且讓我對組態(tài)的相關(guān)知識有了一定的了解。通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我對工業(yè)過程控制有了更深的理解，理解了以前很多沒弄懂得東西。參 考 文 獻(xiàn)1 熊新民.工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，2008年2 陳夕松，汪木蘭.過程控制系統(tǒng).北京：科學(xué)出版社，2005年3 邵裕森.過程控制工程.北京:機(jī)械工

14、業(yè)出版社，2000年4 姜重然工控軟件組態(tài)王簡明教程M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.11謝新民,具有專家系統(tǒng)的PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)器J自動化與儀器儀表，1992(4)4-7.附錄PID腳本程序啟動時(shí)：本站點(diǎn)Ts=20;本站點(diǎn)I=本站點(diǎn)Ti/本站點(diǎn)Ts;本站點(diǎn)D=本站點(diǎn)Td/本站點(diǎn)Ts;本站點(diǎn)ukp=0;本站點(diǎn)uk1=0;本站點(diǎn)ek1=0;本站點(diǎn)ek11=0;本站點(diǎn)ek12=0;運(yùn)行期間：if(本站點(diǎn)自動開關(guān)=1) 本站點(diǎn)Ts=15; 本站點(diǎn)I=本站點(diǎn)Ti/本站點(diǎn)Ts; 本站點(diǎn)D=本站點(diǎn)Td/本站點(diǎn)Ts; 本站點(diǎn)a0=本站點(diǎn)P*(1+1/本站點(diǎn)I+本站點(diǎn)D); 本站點(diǎn)a1=本站點(diǎn)P*(1+2*本站點(diǎn)D); 本站點(diǎn)a2=本站點(diǎn)P*本站點(diǎn)D; 本站點(diǎn)ek1=本站點(diǎn)sp-本站點(diǎn)溫度; 本站點(diǎn)ukp=