基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上工業(yè)過程控制課程設計題 目：基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設計院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 設計地點： 設計時間： 2012-6-252012-6-29 設計成績： 指導教師： 本欄由指導教師根據(jù)大綱要求審核后，填報成績并簽名。工業(yè)過程控制課程設計任務書學生姓名 專業(yè)班級 學號 題 目基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設計課題性質(zhì)課程設計課題來源自擬題目指導教師 主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結合實驗室已有設備，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)控制結構和PID控制規(guī)律，設計一個具有較美觀組態(tài)畫面和

2、較完善組態(tài)控制程序的壓力單回路過程控制系統(tǒng)。任務要求1. 根據(jù)壓力單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。2. 根據(jù)壓力單回路過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關I/O的需要，正確選用過程模塊。3. 根據(jù)與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4. 運用組態(tài)軟件，正確設計壓力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)容的課程設計報告。主要參考資料1 組態(tài)王軟件及其說明文件.2 吳勤勤. 控制儀表及裝置 M 北京：化學工業(yè)出版社，20073 陳夕松，汪木蘭過程控制系統(tǒng)M北京：科學出版社，2005.84 邵

3、裕森，戴先中過程控制工程北京：機械工業(yè)出版社，2000審查意見指導教師簽字： 年 月 日摘 要鍋爐是化工、冶煉、發(fā)電等作為公用民用部門必不可少的主要動力設備，其產(chǎn)品是蒸汽，即將一次能源（煤炭、石油、提燃氣等）轉(zhuǎn)換為二次能源（蒸汽）。工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)的重要設備，往往直接影響生產(chǎn)的正常進行和產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和成本。工業(yè)鍋爐又是能耗極大 的設備，在整個工業(yè)生產(chǎn)的能源消耗中占相當大的比重。而燃煤鍋爐又是一種廣泛實用的工業(yè)鍋爐，廣泛地應用于國民經(jīng)濟各個領域。溫度控制是控制系統(tǒng)中最為常見的控制類型,主要由溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對象四個部分組成。關鍵詞： 鍋爐 溫度控制 組態(tài)王目錄專心-專

4、注-專業(yè)1 緒論溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位。單片機系統(tǒng)的開發(fā)應用給現(xiàn)代工業(yè)測控領域帶來了一次新的技術革命，自動化、智能化均離不開單片機的應用。將單片機控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的基礎上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。本文以它為例進行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果?，F(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機處理機等，當然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨

5、之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機的成本占系統(tǒng)成本的比例高達20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機控制小型的，而又不是很復雜，不需要大量復雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。運用組態(tài)軟件“組態(tài)王King View6.53”，結合工業(yè)過程實驗室已有設備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應用PID算法，自行設計，構成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定現(xiàn)有相關的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，最終得到一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。2 系統(tǒng)方案設計2.1 方案選取過程控制系

6、統(tǒng)通常是指工業(yè)生產(chǎn)中自動控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度等這樣一些過程變量的系統(tǒng)，具有連續(xù)生產(chǎn)過程自動控制、由過程檢測和控制儀表組成、被控過程多樣，控制方案豐富的特點。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，過程控制技術正在為實現(xiàn)各種最優(yōu)技術經(jīng)濟指標、提高經(jīng)濟效益和社會效益、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境衛(wèi)生、提高市場競爭力等方面起著越老越大的作用。要分析、設計和應用好一個過程控制系統(tǒng)，首先應對被控過程做全面了解，對工藝過程、設備等深入的分析，然后應用自動控制原理與技術，擬定一個合適正確的控制方案，從而達到保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降耗節(jié)能、保護環(huán)境和提高管理

7、水品等目的。過程控制系統(tǒng)可分為單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、大滯后補償控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)等一些復雜控制系統(tǒng)。為了取得較好的控制效果，基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)在系統(tǒng)設計時，采用PID控制規(guī)律。通過溫度傳感器將檢測到的實時溫度值與溫度設定值的差值送入計算機，計算機運用PID算法得到相應的控制信號，并將其輸出給執(zhí)行器，然后執(zhí)行器調(diào)節(jié)加熱器，以達到調(diào)節(jié)溫度的控制目的。2.2 系統(tǒng)框圖圖2-1 溫度單回路系統(tǒng)結構框圖2.3 總體方案設計根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是水的溫度，測量便采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計算機，執(zhí)行器是加

8、熱器，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結構框圖如圖2-1所示。3 系統(tǒng)硬件選取3.1 儀器和儀表的選取3.1.1 溫度傳感器測量水溫的傳感器采用電熱阻Cu50。熱電阻Cu50在50150測量范圍內(nèi)電熱阻和溫度之間呈線性關系，溫度系數(shù)越大，測量精度越高，熱補償性好，在過程控制領域使用廣泛。系統(tǒng)采用三線制Cu50，溫度信號經(jīng)過變送單元轉(zhuǎn)換成420mADC電流信號，便于計算機采集。3.1.2 加熱器采用電阻絲作為加熱器件，采用可控硅移相觸發(fā)單元調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，輸入控制信號為420mA標準電流信號，其移相觸發(fā)與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓來控制加熱器電阻絲的兩端電壓，從而控制加熱罐的溫度。輸入4mA

9、電流時，加熱器電阻絲的兩端溫度為0V，輸入為20mA電流時，加熱器電阻絲的兩端溫度為220V。3.1.3 電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電路采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c執(zhí)行機構一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。由輸入控制信號420mA及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)實現(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。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構，420mA閥位反饋信號輸出雙導向單座

10、柱塞式閥芯，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，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。3.1.4 其他設備在控制回路中所涉及到的設備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，揚程可達10米，功耗小，220V即可供電，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構成恒壓供水系統(tǒng)。所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，管段能力強，使用方便，結構簡單。所采用的24V開關電源最大電流為2A，滿足系統(tǒng)需要。3.2 模塊的選擇3.2.1 D/A和 A/D 模塊的選擇采用牛頓7000系列遠程

11、數(shù)據(jù)采集模塊作為計算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過程模塊。牛頓7000系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高。D/A模塊采用牛頓7024，四通道模擬輸出模塊，電流輸出420mADC，電壓輸出15VDC，精度14位。使用7024模塊的1通道I01作為可控硅的電壓控制通道。A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸出模塊，電壓輸入15VDC。使用7024模塊的4通道IN4作為溫度信號檢測輸入通道。3.2.2 通信模塊系統(tǒng)常用的并行總線有RS232,RS485等。RS485更適合于多站連接，且距離傳輸較遠，為小于1200米，是雙端發(fā)雙端收，在傳輸線上允許接的驅(qū)動器和接收器數(shù)目較多，且數(shù)據(jù)傳輸速率較快，正因為它

12、具有如此優(yōu)點所以價格方面比較貴。而RS232一般適用于短距離，為小于20米。是單端發(fā)單端收。對此實驗來講，距離很近，且RS232就可滿足系統(tǒng)的要求，從價格方面和其他方面考慮，本實驗采用RS232通訊總線。通信模塊采用牛頓7520，RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，速度為300115200BPS，可長距離傳輸?？刂苹芈分须姶砰y的開關量輸出模塊采用牛頓7043，16通道非隔離集電極開路輸出模塊。最大集電極開路電壓30V，每通道輸出電流100mA，可直接驅(qū)動電磁閥設備。4 系統(tǒng)軟件設計4.1 組態(tài)王簡介組態(tài)王（Kingview）由北京亞控自動化軟件有限公司開發(fā)的

13、，該軟件由中國科技大學學士、清華大學碩士林偉總設計，經(jīng)數(shù)十位工程師歷時五年開發(fā)成功，是最優(yōu)秀的國產(chǎn)組態(tài)軟件，居全國同類軟件產(chǎn)銷量第一。組態(tài)王是一個具有易用性、開放性和集成能力的通用組態(tài)軟件。應用組態(tài)王可以使工程師把精力放在控制對象上，而不是形形色色的通信協(xié)議、復雜的圖形處理、枯燥的數(shù)字統(tǒng)計。只需要進行填表操作，即可生成適合于用戶的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？梢栽谡麄€生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部將各種系統(tǒng)和應用集成在一起，實現(xiàn)“廠際自動化”的最終目標。4.2 組態(tài)軟件設計組態(tài)王對設備的管理是通過對邏輯設備名的管理實現(xiàn)的，具體將就是每一個實際I/O設備都必須在組態(tài)王中指定一個唯一的邏輯名稱，此邏輯設備名就對應著該I/O

14、的生產(chǎn)廠家、實際設備名稱、設備通信方式、設備地址、與上位計算機的通訊方式等信息內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計算機進行數(shù)據(jù)交換外部的設備主要是AD設備牛頓7017模塊和DA設備牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中，設置7017模塊IN4通道和7024模塊i01通道名稱分別為AD和DA，與計算機COM1串口通信，通信地址分別為0和1。4.3 組態(tài)畫面本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有系統(tǒng)組成畫面等。系統(tǒng)主界面主要繪制的溫度單回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，鍋爐和閥門等設備以及相關的操作提示按鈕等?；趧赢嬤B接，主界面可實現(xiàn)自動，手動切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實時曲線框以方便操作員在線調(diào)節(jié)PID

15、參數(shù)觀察控制效果。組態(tài)畫面設計的大致步驟如下：1：創(chuàng)建一個新項目，并在這個項目里面建一個新畫面，如下圖4-1和4-2所示。圖4-1新建項目圖4-2 新建畫面2：構造數(shù)據(jù)庫根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典，只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。本系統(tǒng)中所涉及到的變量的類型主要有AD，DA設備進行數(shù)據(jù)交換的I/O實型變量，控制電磁閥開關的內(nèi)存離散變量，用于定以開關動畫連接的內(nèi)存離散變量，參于PID運算的內(nèi)存實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型及內(nèi)存整型變量等。具體的參數(shù)詞典如圖4-3所示。圖4-3 數(shù)據(jù)詞典3：動畫連接所謂動畫連接，就是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對應關系，建立

16、動畫連接后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中變量的變化，圖形對象可以按動畫連接的要求進行改變。建立動畫連接的基本步驟：1、創(chuàng)建或選擇連接對象。2、雙擊與變量相關的圖形對象，彈出動畫連接對話框。3、選擇對象想要進行的連接。4、為鏈接定義輸入詳細資料。圖4-4 動畫連接4：最終的組態(tài)畫面如下圖所示：圖4-5 溫度單回路控制系統(tǒng)組態(tài)圖4.4 控制程序啟動時：Ts=20;I=Ti/Ts;D=Td/Ts;ukp=0;uk1=0;ek1=0;ek11=0;ek12=0;運行期間：if(自動開關=1) Ts=15; I=Ti/Ts; D=Td/Ts; a0=P*(1+1/I+D); a1=P*(1+2*D); a2=P*D;

17、ek1=sp-溫度; ukp=a0*ek1-a1*ek11+a2*ek12+uk11; uk11=ukp; ek12=ek11; ek11=ek1;if(ukp<1000) if(ukp<0) uk1=0; elseuk1=ukp; elseuk1=1000;關閉時：ukp=0;uk1=0;ek1=0;ek11=0;ek12=0;5 系統(tǒng)調(diào)試將系統(tǒng)按要求接線結束之后，檢查無誤后開始電源，進入了組態(tài)的控制畫面，并且調(diào)入了PID的控制窗口， 根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理,其控制過程如下：閥門2打開,水泵啟動,閥門3關閉,加熱器對液體進行加熱,溫度計儀表對液體溫度進行檢測，反饋給調(diào)節(jié)閥門

18、2進行調(diào)節(jié),使液體溫度能又快又穩(wěn)達到給定值。液體溫度高于給定值時的控制過程閥門2打開，閥門3打開，水泵啟動，對加熱器進行加水，使加熱器液體溫度下降到給定值設計心得光陰似箭，一周很快就過去了，在這短短的幾天時間里，通過自己的學習和努力終于完成了這篇課程設計。通過這次鍛煉，我對各專業(yè)課的知識有了更加清晰的認識，并且對它們之間的聯(lián)系也有了更為深刻的理解。本次工業(yè)過程課程設計，以溫度單回路系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，基于組態(tài)王6.53作為監(jiān)控軟件，以PID調(diào)節(jié)規(guī)律作為控制算法，完成系統(tǒng)的控制要求。我是第一次使用組態(tài)王這個軟件，通過這次課程設計我已能夠掌握基本的使用組態(tài)王的方法。不過，由于組態(tài)王功能強大，還有很多地方我不明白怎么做，但是我相信，在以后的時間里，一定要練習幾次，爭取熟練掌握組態(tài)王的使用技巧。在這次課程設計過程中，我得到了老師的指導和同學們的真誠的幫助，在此，對他們表示感謝，謝謝你們！完