單閉環(huán)管道流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、單閉環(huán)管道流量比值控制系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書專業(yè)班級： 11級自動化1班 姓 名： 孫勇 李自強(qiáng) 周程 鮑凱 學(xué) 號： 080311009 080311022 080311035 080311047 指導(dǎo)教師： 陳世軍 設(shè)計(jì)時(shí)間: 2014年6月11日 物理與電氣工程學(xué)院2014年 6 月 11 日摘 要在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，工藝上常需要兩種或兩種以上的物料流量保持一定的比例關(guān)系，一旦比例失調(diào)，就會影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費(fèi)原料，消耗動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常以保持兩種或幾種物料的流量為一

2、定比例關(guān)系的系統(tǒng)，稱之為流量比值控制系統(tǒng)，這次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容就是流量比值過程控制系統(tǒng)。 流量測量是比值控制的基礎(chǔ)。各種流量計(jì)都有一定的適用范圍（一般正常流量選在滿量程的70%左右），必須正確選擇使用。在工程上，具體實(shí)施比值控制時(shí)，通常有比值器、乘法器或除法器等單元儀表可供選擇，相當(dāng)方便。若采用計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)，只要進(jìn)行乘法或除法運(yùn)算即可，我們這次就主要使用計(jì)算機(jī)及組態(tài)王軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：組態(tài)王；流量；比值控制系統(tǒng)目 錄1、引言11.1主要內(nèi)容11.2任務(wù)要求12、設(shè)計(jì)方案22.1設(shè)計(jì)原理22.2系統(tǒng)原理圖22.3 MATLAB仿真調(diào)試33、硬件設(shè)計(jì)43.1使用儀器44、軟件設(shè)計(jì)74.1 P

3、LC程序74.2 MCGS系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)114.2.1組態(tài)圖114.2.2靜態(tài)畫面124.2.3數(shù)字字典144.2.4系統(tǒng)應(yīng)用程序164.2.5動畫連接175、課程設(shè)計(jì)總結(jié)176、參考文獻(xiàn)181、引言1.1主要內(nèi)容本課程設(shè)計(jì)是學(xué)完過程控制系統(tǒng)課程后的一個(gè)應(yīng)用性實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過本課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，對過程控制工程設(shè)計(jì)的概念有完整地了解，同時(shí)培養(yǎng)綜合應(yīng)用基礎(chǔ)課、專業(yè)課所學(xué)知識與工程實(shí)際知識的能力。通過對過程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，獲得面向工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的實(shí)踐知識，初步掌握過程控制系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的技能。基于組態(tài)軟件的流量比值過程控制系統(tǒng)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，

4、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，通過流量傳感器將檢測到的流量與設(shè)定值送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)用PID算法得到相應(yīng)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)調(diào)節(jié)閥，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的控制目的。設(shè)計(jì)一個(gè)具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的流量比值單回路過程控制系統(tǒng)。流量比值控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，它能使系統(tǒng)穩(wěn)定，精確地輸出，更能實(shí)現(xiàn)自動化控制，是過程控制系統(tǒng)的一個(gè)典型。本設(shè)計(jì)針對生產(chǎn)中兩種液體的流量的控制，對其設(shè)計(jì)了單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)，將液體A作為主流量，液體B為副流量進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中用到了多個(gè)硬件設(shè)備，并基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)過程的自動控制。1.2任務(wù)要求根據(jù)

5、要求自己設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析系統(tǒng)的特點(diǎn)和系統(tǒng)特性，在實(shí)驗(yàn)室連接系統(tǒng)部件、構(gòu)造硬件系統(tǒng)?？梢宰约禾€、連線，并連好對象、控制器、計(jì)算機(jī)，但是打開電源之前必須經(jīng)過指導(dǎo)教師檢查。在過程監(jiān)控計(jì)算機(jī)上編制相應(yīng)監(jiān)控組態(tài)程序。通過對控制器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)對象的聯(lián)機(jī)調(diào)試、執(zhí)行、觀察結(jié)果，達(dá)到預(yù)期應(yīng)用功能和控制目的，比較不同方案的應(yīng)用效果。2 了解流量比值控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)結(jié)果和PID控制算法。逐一明確各路檢測信號到PLC的輸入通道，包括傳感器的原理，連接方法，信號種類，信號調(diào)理電路，引入PLC的接線以及PLC中的編址。逐一明確從PLC到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出通道，包括各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類和工作原理，

6、驅(qū)動電路的構(gòu)成，PLC輸出信號的種類和地址。繪制出流量控制系統(tǒng)的電路原理圖，編制I/O地址分配表。編制PLC的程序結(jié)合過程控制實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，要求能在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上演示控制過程。2、設(shè)計(jì)方案 2.1設(shè)計(jì)原理比值控制有開環(huán)比值控制、單閉環(huán)比值控制、雙閉環(huán)比值控制、串級比值控制系統(tǒng)和變比值控制系統(tǒng)。開環(huán)比值控制是最簡單的控制方案。單閉環(huán)比值控制和雙閉環(huán)比值控制是實(shí)現(xiàn)兩種物料流量間的定比值控制在系統(tǒng)運(yùn)行過程中其比值系數(shù)是不變的。串級比值控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩種物料的比值隨第三個(gè)參數(shù)的需求而變化。變比值控制系統(tǒng)最終目的是生產(chǎn)過程的結(jié)果，物料按比值輸出不是關(guān)鍵。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)必須采用單閉環(huán)比值控制或

7、雙閉環(huán)比值控制，本系統(tǒng)采取單閉環(huán)控制方案。2.2 系統(tǒng)原理圖 圖1 單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)原理圖2.3 MATLAB仿真調(diào)試本系統(tǒng)的主要的實(shí)現(xiàn)是PID算法的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)流量比值單回路控制系統(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。取采樣周期Ts=1s。本系統(tǒng)采用PID位置控制算式，其控制算式如下：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Kc*PV作為給定值，PV2作為反饋值即AD設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，e(k)作為偏差。 圖5 PID控制器 圖6 仿真結(jié)果3、硬件設(shè)計(jì)3.1使用儀器3.1.1流量計(jì)（渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)）

8、1）、渦輪流量計(jì)：輸出信號：頻率，測量范圍：00.6m3/h接線如圖所示： 圖2 渦輪流量計(jì)接線說明：傳感器的供電電源由24VDC開關(guān)電源提供，負(fù)載為流量積算變送儀。注：使用渦輪流量計(jì)時(shí)，必須將24VDC開關(guān)電源打開。2)、電磁流量計(jì)：輸出信號：420mA，測量范圍：00.4 m3/h 圖3 電磁流量計(jì) 接線說明：轉(zhuǎn)換器為交流220V供電，X、Y和A、B、C為傳感器和轉(zhuǎn)換器之間的連線，輸出信號線直接接控制臺上的電磁流量計(jì)信號輸出端。3.1.2 電動調(diào)節(jié)閥QSVP20-15N智能電動單座調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)參數(shù)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號：010mA/420mADC/05VDC/15V

9、DC輸入阻抗：250/500輸出信號：420mADC輸出最大負(fù)載：<500信號斷電時(shí)的閥位：可任意設(shè)置為保持/全開/全關(guān)/0100%間的任意值電源：220V±10%/50Hz 3.1.3 變頻器面板 如圖所示，變頻器型號為三菱FR-S520S-0.4K型變頻調(diào)速器，具體數(shù)設(shè)置如下表： 表1 三菱變頻器參數(shù)設(shè)置表名稱表示設(shè)定范圍設(shè)定值上限頻率P10-120Hz60Hz下限頻率P20-120Hz20Hz擴(kuò)張功能顯示選擇P300，11頻率設(shè)定電流增益P391-120Hz60HzRH端子功能選擇P624操作模式選擇P790-80C5C5輸出頻率大小25HzC6C6偏置20%A 面板接線

10、端子功能說明：為了保護(hù)變頻器各接線端子不因?qū)嶒?yàn)時(shí)經(jīng)常裝拆線而損壞或丟失，故將其常用的端子引到面板上。（1） 控制信號輸入：可輸入外部05V電壓或420mA電流控制信號。 圖4 變頻器面板 （2） STF、STR：電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制端，SD與STF相連為正轉(zhuǎn)，SD與STR相連時(shí)為反轉(zhuǎn)。B 變頻器使用說明：本裝置中使用變頻器時(shí)，主要有兩種輸出方式：一種是直接調(diào)面板旋鈕輸出頻率，另一種是用外部輸入控制信號改變變頻器輸出頻率。兩種輸出方式具體接線方法如下：（1） 變頻器面板旋鈕輸出接線方法：SD與STF（或STR）短接，當(dāng)需要改變輸出頻率時(shí)，旋動面板上的旋鈕，順時(shí)針旋可增大輸出頻率，逆時(shí)針旋可減小輸出

11、頻率。待旋至所需要的頻率時(shí)，按變頻器上白色的SET鍵，即可選定所需的輸出頻率。（2） 變頻器外部控制信號控制輸出接線方法：SD與STF（或STR）、RH兩端都短接，在控制信號輸入端接入控制信號（正極、負(fù)極應(yīng)對應(yīng)，不能接錯(cuò)），打開變頻器的電源開關(guān)即可輸出。通過改變控制信號的大小來改變輸出頻率。模擬量輸入有渦流流量傳感器和電磁流量傳感器組成，PLC選S7200系列中的226，上位機(jī)和下位機(jī)的電纜采用RS458通訊電纜。第一路由異步電動機(jī)和水泵構(gòu)成動力系統(tǒng)，第二路由變頻器、電動機(jī)和水泵構(gòu)成動力系統(tǒng)。表2 端口分配表輸入端子號輸出端子號地址號信號名稱說明1AIW0第一路供水系統(tǒng)渦流流量傳感器輸入16位

12、2AIW2第二路供水系統(tǒng)電磁流量傳感器輸入16位1AQW0輸出控制電動調(diào)節(jié)閥16位2AQW4輸出控制變頻器16位4、軟件設(shè)計(jì)4.1 PLC程序4.2 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì) 4.2.1 組態(tài)圖如圖7所示，主動量液體A的測出的流量值PV經(jīng)過比值器，與PV2進(jìn)行偏差運(yùn)算，再進(jìn)行PID運(yùn)算。系統(tǒng)一般在手動的情況下是不輸出值的，若此時(shí)輸出值，得到的結(jié)果不是預(yù)期要的，所以系統(tǒng)在手動的情況下PID控制無輸出值輸出，我們設(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)默認(rèn)是手動，只有在切換到自動的情況PID才有輸出值輸出。 圖7 系統(tǒng)組態(tài)圖4.2.2 靜態(tài)畫面 圖8 開機(jī)界面 圖9 控制界面 圖10 歷史曲線界面本課程設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)有三個(gè)畫面

13、：開機(jī)界面、控制界面、歷史曲線界面。開機(jī)界面如圖8所示，當(dāng)啟動系統(tǒng)后，我們進(jìn)入開機(jī)界面，其中上面有系統(tǒng)的名字“基于組態(tài)軟件的流量比值過程控制系統(tǒng)”，另外還有兩個(gè)按鈕，是“進(jìn)入”按鈕和“退出”按鈕，進(jìn)入按鈕是通過ShowPicture("控制界面")命令語言與控制界面相連接，其功能是進(jìn)入控制界面，退出按鈕的功能是退出系統(tǒng)?？刂平缑嫒鐖D9所示，在控制界面中有兩個(gè)液罐，它們在本設(shè)計(jì)中只是作為容器，裝A、B溶液，本設(shè)計(jì)主要考慮的是流量比值控制。在主界面中還有一個(gè)電動調(diào)節(jié)閥，若干手動調(diào)節(jié)閥，兩個(gè)電磁流量計(jì)，一個(gè)水泵和若干管道組成，電動調(diào)節(jié)閥是控制A的流量，兩個(gè)電磁流量是測量液體的流量

14、值。當(dāng)我們啟動系統(tǒng)后進(jìn)入主界面我們設(shè)置設(shè)定值，比例系數(shù)P，積分系數(shù)Ti，為分析書Td，比值器大小Kc，設(shè)置這五個(gè)參數(shù)，此事系統(tǒng)是手動狀態(tài)，將系統(tǒng)切換到自動狀態(tài)，系統(tǒng)按設(shè)定好的PID算法得到輸出，使A1流量與A2的流量成設(shè)定的比例并穩(wěn)定于此。期間畫面也能顯示出測量值，輸出值，并且管道也能模擬液體的流動。并且在主界面中也能直接觀察實(shí)時(shí)曲線，實(shí)時(shí)曲線包括給定值的曲線，測量值1的曲線，測量值2的曲線，通過它可以查看系統(tǒng)的穩(wěn)定情況。當(dāng)我們要觀察歷史的曲線時(shí)，我們可以單擊歷史曲線按鈕，進(jìn)入歷史曲線界面，歷史曲線界面如圖10所示。歷史曲線中也主要包括定值的曲線，測量值1的曲線，測量值2的曲線，歷史曲線中還有

15、兩個(gè)按鈕，返回按鈕和退出按鈕，返回按鈕也是通過ShowPicture("控制界面")命令語言與控制界面相連接，可以返回控制界面，退出按鈕具有退出系統(tǒng)的功能。4.2.3 數(shù)字字典根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典，以便確定內(nèi)存變量與I/O數(shù)據(jù)，運(yùn)算數(shù)據(jù)的關(guān)系。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與AD，DA設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的I/O實(shí)型變量，控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定以開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量，參于PID運(yùn)算的內(nèi)存實(shí)型變量和實(shí)現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實(shí)型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下表所示。表4 數(shù)字字典變量

16、名變量描述變量類型ID連接設(shè)備寄存器$年內(nèi)存實(shí)型1$月內(nèi)存實(shí)型2$日內(nèi)存實(shí)型3$時(shí)內(nèi)存實(shí)型4$分內(nèi)存實(shí)型5$秒內(nèi)存實(shí)型6$日期內(nèi)存字符串7$時(shí)間內(nèi)存字符串8$用戶名內(nèi)存字符串9$訪問權(quán)限內(nèi)存字符串10$啟動歷史記錄內(nèi)存實(shí)型11$啟動報(bào)警記錄內(nèi)存離散12$啟動后臺命令語言內(nèi)存離散13$新報(bào)警內(nèi)存離散14$雙機(jī)熱備份內(nèi)存整型15$毫秒內(nèi)存實(shí)型16$網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)內(nèi)存整型17液罐A液位A液位內(nèi)存實(shí)型18液罐B液位B液位內(nèi)存實(shí)型19A1測量值顯示A1流量內(nèi)存實(shí)型20A2測量值顯示A2流量內(nèi)存實(shí)型21閥門開度電動調(diào)節(jié)閥的開度大小內(nèi)存實(shí)型24自動開關(guān)自動內(nèi)存離散25PVA液體流量測量值I/O實(shí)型22ADAI1P

17、V2B液體流量測量值I/O實(shí)型23ADAI2Uk控制電動調(diào)節(jié)閥輸出I/O實(shí)型26DAAO0Sp設(shè)定值I/O實(shí)型27DAAO1Kp比例系數(shù)內(nèi)存實(shí)型28Ti積分系數(shù)內(nèi)存實(shí)型29Td微分系數(shù)內(nèi)存實(shí)型30Kc比值器大小內(nèi)存實(shí)型31T采樣周期 內(nèi)存實(shí)型32PP=Kp1內(nèi)存實(shí)型33TITI=Ti/T內(nèi)存實(shí)型34DD=Td/T內(nèi)存實(shí)型35Uk0前一次控制調(diào)節(jié)閥輸出內(nèi)存實(shí)型36ek0現(xiàn)在的偏差內(nèi)存實(shí)型37ek1前一次偏差內(nèi)存實(shí)型38ek2前兩次偏差內(nèi)存實(shí)型39q01增量型算法系數(shù)1內(nèi)存實(shí)型40q02增量型算法系數(shù)2內(nèi)存實(shí)型41q03增量型算法系數(shù)3內(nèi)存實(shí)型42Gmax流量計(jì)的最大測量值內(nèi)存實(shí)型434.2.4

18、系統(tǒng)應(yīng)用程序啟動時(shí)：T=1;TI=Ti/T;D=Td/T;Uk=0;ek0=0;ek1=0;ek2=0;Sp=0;ShowPicture("開機(jī)界面");運(yùn)行時(shí)：if(自動 = 1)T=1;Gmax=100;P=Kp;TI=Ti/T;D=Td/T;q01=P*(1+1/TI+D);q02=P*(1+2*D);q03=P*D;ek0=Kc*PV-PV2;k=q01*ek0-q02*ek1+q03*ek2+Uk0;Uk0=Uk;ek2=ek1;ek1=ek0;Sp=PV*0.4+4;測量值1=( PV-1 )/4*Gmax;測量值2=( PV2-1 )/4*Gmax;閥門開度=

19、( Uk-1)/4*Gmax;停止時(shí)：Uk=0;Sp=0;ek0=0;ek1=0;ek2=0;4.2.5 動畫連接 圖11 動畫連接界面當(dāng)系統(tǒng)啟動后，通過開機(jī)界面，進(jìn)入主界面，設(shè)定好參數(shù)設(shè)定值，比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)，比值器大小后，按下自動按鈕進(jìn)入自動狀態(tài)。系統(tǒng)輸出測量值1，測量值2的數(shù)值，畫面中的管道模擬液體的流動，它是與電動調(diào)節(jié)閥相關(guān)聯(lián)的，只要電動調(diào)節(jié)閥是有開度的，管道就能模擬液體的流動，流量計(jì)示數(shù)，調(diào)節(jié)閥開度等也在圖中顯示，如圖11中所示。實(shí)時(shí)曲線中設(shè)定值，測量值1，測量值2，隨著示數(shù)的變化而變化，按下歷史曲線按鈕可以進(jìn)入歷史曲線界面，按下退出按鈕可以退出系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了流量比值的