基于組態(tài)軟件的液位單回路過程控制系統(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)軟件的液位單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系名稱： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 自動(dòng)化11xx 學(xué)生姓名： xxxxxx 學(xué) 號： 2011239103xx 指導(dǎo)教師： xxxxxxx 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014.6.23 2014.7.4 設(shè)計(jì)成績： 指導(dǎo)教師： 1設(shè)計(jì)目的與要求1.1設(shè)計(jì)目的通過組態(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，采用單閉環(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)控制程序的液位單回路過程控制系統(tǒng)。1.2設(shè)計(jì)要求1. 根據(jù)液位單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制

2、方案，正確選用過程儀表。2. 根據(jù)液位單回路過程控制系統(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)換與通訊模塊。4. 運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)液位單回路過程控制系統(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。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1控制方案目前工業(yè)上常用的控制規(guī)律主要有：位式控制、比例控制、比例積分控制和比例積分微分控制等。簡單控制系統(tǒng)一般是單回路控制系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)簡單并且能夠滿足大多數(shù)控制質(zhì)量的要求，因此在生產(chǎn)過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用，是生產(chǎn)過程控制中最基本的一種控制系統(tǒng)。一個(gè)單回路反饋系

3、統(tǒng)是由測量變送器裝置、控制器、和被控對象所組成，按其被控變量類型的不同可以分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)針對某一特定生產(chǎn)對象進(jìn)行的 ，當(dāng)系統(tǒng)安裝完成之后，控制效果主要取決于控制器的參數(shù)設(shè)定整定。選擇合適的比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間是保證和提高系統(tǒng)控制質(zhì)量的主要途徑。單回路水箱的原理，系統(tǒng)地輸入變量為進(jìn)水閥門、出水閥門的開度，輸出變量為水箱液位。單回路PID控制的被控制量是水位，控制量是進(jìn)水門、出水門開度。通過調(diào)節(jié)PID控制器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間三個(gè)參數(shù)得到比較好的控制效果。PID 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)控制回路一般原理如圖1 所示圖1控制系統(tǒng)方

4、框圖 控制規(guī)律選擇：目前工業(yè)上常用的控制規(guī)律主要有：比例控制、比例積分控制和比例積分微分控制等。本方案采用比例積分微分控制。比例控制克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過渡時(shí)間短。是最基本的控制規(guī)律。但在終了時(shí)會(huì)存在余差，負(fù)荷變化越大余差越大。使用于滯后較小、負(fù)荷變化不大、允許被控變量存在余差的場合。比例積分控制在比例作用下引用積分作用，雖然會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，但沒有余差。適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、不允許被控變量存在余差的場合。比例微分控制引入了微分作用，具有超前控制作用，在被控對象具有較大滯后時(shí)，會(huì)有效的改善控制質(zhì)量。但對于滯后小干擾作用頻繁，含有高頻噪聲的系統(tǒng)，將可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，甚

5、至失控。比例積分微分控制綜合了比例、積分、微分控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)。適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制要求高的場合。 該方案的控制目標(biāo)是使水位達(dá)到平衡狀態(tài)，通過控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改變閥門開度，來控制流量的大小，從而來控制水位。選擇閥門開度為控制量，水位為被控量。控制規(guī)律選擇PID控制規(guī)律。2.2控制結(jié)構(gòu)示意圖流量變送器把得到的信號經(jīng)A/D模塊，把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，送入計(jì)算機(jī)。此信號與給定值相比較得出偏差，通過D/A模塊，把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號送給系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)反饋值調(diào)節(jié)閥門的開度。系統(tǒng)示意圖如圖2所示： 圖2 系統(tǒng)示意圖 3過程儀表以及模塊的選擇3.1.1液位傳感器的選擇液位傳感器用來對上水箱

6、和下水箱的液位進(jìn)行檢測，對控制精度有直接的影響，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)、低功耗的精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。3.1.2 電磁流量傳感器 電磁流量傳感器是對通過流量計(jì)水流流量實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠很準(zhǔn)確地測定水流的流量。采用德國西門子KXV616型電磁流量傳感器，測量準(zhǔn)確、可靠性高、操作作簡便等。3.1.3電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選擇電動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動(dòng)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、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，

7、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420mA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數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，420mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等特點(diǎn)。3.1.4水泵的選擇丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，功耗小，220V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)。3.1.5變頻器的選擇三菱FR-S520變頻器，420mA控制信號輸入，可對流量或壓力進(jìn)行控制，該變頻器體

8、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，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。3.2 模塊的選擇本控制過程主要有A/D轉(zhuǎn)化模塊、D/A轉(zhuǎn)化模塊和開關(guān)I/O模塊。過程模塊采用目前最新的牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊和組態(tài)軟件組成。A/D模塊采用nudan7017；D/A模塊采用nudan7024；通訊模塊采用nudan7520。4 系統(tǒng)安裝接線設(shè)計(jì)I/O接線:實(shí)驗(yàn)中DA模塊中IO0為控制調(diào)節(jié)閥開度的控制通道，IO1為可控硅的電壓控制通道，IO2為變頻器的控制通道。AD模塊中IN1為水箱液位的檢測，IN5是閥位反饋信號檢測， IN6是水

9、泵出中水位信號檢測5系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)組態(tài)流程圖設(shè)計(jì)根據(jù)測試要求，首先打開系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，選擇進(jìn)入手動(dòng)或自動(dòng)狀態(tài)（默認(rèn)進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)），如果進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)，則打開閥門，可以設(shè)定給定值SP和閥門開度控制Uk0來控制水箱水位，手動(dòng)控制直到達(dá)到工藝要求；如果選擇自動(dòng)狀態(tài)，打開所有閥門，設(shè)定給定SP,調(diào)節(jié)PID控制器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間三個(gè)參數(shù)進(jìn)而控制閥門開度，直到上水箱液位恒定。工藝流程圖如圖3所示：. 圖3 工藝流程圖5.2 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)5.2.1組態(tài)總體畫面5.2.2數(shù)據(jù)詞典5.3 應(yīng)用程序PID運(yùn)行程序EI=SV-PV;if(I1=0)Q1=0;Q0=P1*(EI-EI1);if(I1

10、!=0)Q1=P1*EI*0.2/I1;Q2=P1*D1*(EI-2*EI1+EI2)/0.2;MX=Q0+Q1+Q2;OP11=OP11+MX;if(OP11<0)OP11=0;if(OP11>100)OP11=100;EI2=EI1;EI1=EI;elseMAN_OP1+MX;MX=0;if(OP11<0)OP11=0;if(OP11>100)OP11=100;設(shè)計(jì)心得通過此次設(shè)計(jì)，我掌握了流量單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成。知道它最基本的部分有控制器、調(diào)節(jié)器、被控對象和測量變松組成。并且學(xué)會(huì)了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設(shè)計(jì)步驟。了解到，一般情況下，它都要經(jīng)過一

11、下幾個(gè)步驟：認(rèn)知被控對象、設(shè)計(jì)控制方案、選擇控制規(guī)律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖和組態(tài)圖、設(shè)計(jì)組態(tài)畫面、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)詞典等，直到最后的動(dòng)畫鏈接成功，并達(dá)到控制要求。經(jīng)過以上步驟，我對整個(gè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了很深的體會(huì)，也學(xué)會(huì)了很多與設(shè)計(jì)相關(guān)的知識。對組態(tài)王軟件也有了很大的了解，學(xué)會(huì)了初步的應(yīng)用。認(rèn)識到了組態(tài)王的一些應(yīng)用情況，組態(tài)王軟件的組成與功能，其應(yīng)用程序項(xiàng)目如何建立，數(shù)據(jù)詞典如何建立，動(dòng)畫如何進(jìn)行鏈接，命令語言程序如何編寫，趨勢曲線如何建立，還有I/O設(shè)備的配置和組態(tài)網(wǎng)絡(luò)的建立等等一系列與組態(tài)王軟件應(yīng)用相關(guān)的知識?？偟膩碚f，這次設(shè)計(jì)是一次收獲很大的設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多教學(xué)中學(xué)不到的東西，對我的動(dòng)手能力有了很大的幫助。附錄A 單回路控制系統(tǒng)PI