工業(yè)過程控制課程設(shè)計-基于組態(tài)軟件的流量比值過程控制系統(tǒng)設(shè)計

1、工業(yè)過程控制課程設(shè)計題 目: 基于組態(tài)軟件的流量比值過程控制系統(tǒng)設(shè)計 院系名稱： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 指導(dǎo)教師評語： 簽名： 年 月 日工業(yè)過程控制課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級自動0504學(xué)號20054280419題 目基于組態(tài)軟件的流量比值過程控制系統(tǒng)設(shè)計課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源自擬題目指導(dǎo)教師李智強(qiáng)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，采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計一個具有較美觀組態(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)。任務(wù)要求1. 根據(jù)流量比值單回路過程控制系統(tǒng)的具體

2、對象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計控制方案，正確選用過程儀表。2. 根據(jù)流量比值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)計流量比值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)計報告。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 緒論22 設(shè)計目的23 控制要求24 控制方案及控制規(guī)律24.1 控制方案2控

3、制規(guī)律45 工程儀表的選擇55.1 液位變送器55.2 電動調(diào)節(jié)閥65.3 變頻器75.4 水泵85.5 模擬量采集模塊95.6 模擬量輸出模塊95.7 通信轉(zhuǎn)換模塊95.8 開關(guān)電源96 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計96.1 組態(tài)軟件介紹96.2 系統(tǒng)組態(tài)圖106.3 歷史曲線116.4 標(biāo)記名字典11總 結(jié)13參考文獻(xiàn)141 緒論在石油煉制，化工及其他工業(yè)生產(chǎn)過程中，要求兩種或兩種以上的物料按照一定的比例混合或參加反應(yīng)，一旦物料的配比失調(diào)，就會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，有時還會引起事故。在工業(yè)生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)兩個或兩個以上物料符合一定比例關(guān)系的控制叫做比值控制系統(tǒng)，通常把保持兩種或幾種物料流量為一定比例關(guān)系的系

4、統(tǒng)稱為流量比值控制系統(tǒng)。在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種物料處于主導(dǎo)地位，該物料一般為貴重或者流量不可控制的，這種物料稱之為主物料，表示這種物料的變量稱為主動量，在流量比值控制系統(tǒng)中主動量也稱主流量，用G1表示；另一種物料按照主流量進(jìn)行配比，在控制過程中隨主流量而變化，因而稱為從物料，表征其特征的變量稱之為從動量，用G2表示，在流量比值控制系統(tǒng)中也稱之為副流量。一般情況下，總以生產(chǎn)中的主要物料為主流量，或者以不可控物料作為主流量，用改變可控物料及副流量來實(shí)現(xiàn)它們之間的比值關(guān)系。2 設(shè)計目的（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)軟件和計算機(jī)設(shè)

5、計過程控制系統(tǒng)的實(shí)際能力。3 控制要求（1）能根據(jù)具體對象及控制要求，獨(dú)立設(shè)計控制方案，正確選用過程儀表。（2）能夠根據(jù)過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用模塊。（3）能根據(jù)與計算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。（4）能運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。4 控制方案及控制規(guī)律4.1 控制方案單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)，圖2.1為單閉環(huán)流量比值控制方案，由副流量的控制部分看，是一個隨動的閉環(huán)控制回路，而主流量的控制則是開環(huán)的。圖2.2所示，主流量G1經(jīng)過比值運(yùn)算后使輸出信號與輸入信號成一定比例，并作為副流量調(diào)節(jié)器的設(shè)

6、定信號值。在穩(wěn)定狀態(tài)下，主流量和副流量滿足工藝要求的比值，即K=G2/G1為一常數(shù)，當(dāng)主流量負(fù)荷發(fā)生變化時，其流量信號經(jīng)過變送器到比值器，比值器則按預(yù)先設(shè)定好的比值使輸出成比例的變化，即成比例的改變了副流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，則G2經(jīng)過調(diào)節(jié)作用自動跟隨G1變化，使得在新穩(wěn)態(tài)下比值K保持不變，當(dāng)副流量由于擾動作用而改變時，因?yàn)橹髁髁坎蛔?，即FC調(diào)節(jié)器的設(shè)定值不變，這樣，對于副流量的擾動，閉合回路相當(dāng)于一個定值系統(tǒng)加以克服，使工藝要求的流量比值不變。圖4.1 流量單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)流程圖圖4.2 流量比值控制系統(tǒng)方框圖單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不但能實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化，而且可以克服副流量

7、本身干擾對比值的影響，因此得到廣泛的使用，尤其適用于主流量在工藝上不允許進(jìn)行控制的場合。4.2 控制規(guī)律流量比值控制系統(tǒng)采用的為PID控制規(guī)律，PID控制是比例積分微分的簡稱。在工業(yè)生產(chǎn)工程自動控制的發(fā)展歷史中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID算法具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1)原理簡單，使用方便；（2)適應(yīng)性強(qiáng)；（3)魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。由于PID具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計選用他來作為控制規(guī)律。PID程序設(shè)計：IF (iokz4=1) ioS=8;IF zdkg=1;THENa01=KP1*(1+1/TI1+TD1);a11=KP1*(1+2*KD1)

8、;a21=KP1*TD1;ek0=5*sp1-FLL;Uk=a01*ek0-a11*ek01+a21*ek02+Uk01;Uk01=Uk;ek02=ek01;ek01=ek0;IF (Uk<1000) THENIF (Uk<0)Uk0=0; ELSE Uk0=Uk;ENDIF; ENDIF;ENDIF;5 工程儀表的選擇5.1 液位變送器液位傳感器是用來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)定性和可靠性大大提高。可方便的與其他DDZIIIX型儀表互換配置，并能直接交換同類儀表。校驗(yàn)的方法是通

9、電預(yù)熱十五分鐘后，分不在零壓力和滿程壓力下檢測輸出電流值。在零壓力下調(diào)整零電位器，使輸出電流為4mA，在滿程壓力下調(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)槎€制，故工作時需串聯(lián)24V直流電源。液位傳感器用來上水位箱和中水位箱的水位進(jìn)行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，精度為0.5級，二線制420mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。 圖5.1 壓力傳感器 電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力和液位。根據(jù)調(diào)節(jié)部位信號，自動控制閥門的開度，從而達(dá)到介質(zhì)流量、壓力和液位的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥分電動調(diào)節(jié)閥、氣動調(diào)節(jié)閥和液動調(diào)節(jié)閥等。調(diào)節(jié)閥由電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分組成。調(diào)節(jié)

10、并通常分為直通單座式和直通雙座式兩種，后者具有流通能力大、不平衡辦小和操作穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以通常特別適用于大流量、高壓降和泄漏少的場合。德國PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，PS系列電子式執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以用于對管道的閥門和風(fēng)門的調(diào)節(jié)及開與關(guān)的控制，其主要特點(diǎn)如下：一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，位置變送器和伺服放大器作為兩個獨(dú)立部件均可直接裝入執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部，直接接受420mA的控制信號，輸出420mA或者15VDC的閥位反饋信號，具有自診斷功能，使用和調(diào)校十分方便。功能模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過不同可選擇功能的組合，實(shí)現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的控制，滿足不同的應(yīng)用要求。結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，重量輕，便于安裝和維護(hù)，機(jī)械零件

11、全部采用CNC加工部件，工藝精湛。傳動全部采用小齒隙密封齒輪，具有效率高，噪聲低，壽命長和穩(wěn)定可靠，無需再加油等特點(diǎn)。具有多種運(yùn)行速度，可以滿足各種控制系統(tǒng)的要求，以保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)及穩(wěn)定性。PSL系列同閥門的連接采用柔軟盤黃連接，可避免閥桿與輸出軸不同軸給閥門帶來的影響，可預(yù)置閥門關(guān)斷能力保證閥門的可靠關(guān)斷，防止泄露。PSQ系列有轉(zhuǎn)矩開關(guān)保護(hù)，可防止因閥門產(chǎn)生過大轉(zhuǎn)矩而損壞閥桿。驅(qū)動電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)，具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、抗堵轉(zhuǎn)、控制精度高等特點(diǎn)?？稍O(shè)置分段調(diào)節(jié)，即由一臺調(diào)節(jié)器輸出的雙時間比例信號控制兩臺執(zhí)行機(jī)構(gòu)（412mA對應(yīng)PSL1的全開全閉，12

12、20mA對應(yīng)PSL2的全開全閉）閥位反饋元件全密封高精度多圈電位器，具有體積小、精度高、死區(qū)小、使用壽命長等特點(diǎn)。行程可調(diào)，便于與閥門連接。全部電器元件均采用世界名牌產(chǎn)品，質(zhì)量可靠，使用時間長。圖5.2 電動調(diào)節(jié)閥5.3 變頻器變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器實(shí)際上就是一個逆變器，它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?。然后用電子元件對直流電進(jìn)行開關(guān)，變?yōu)榻涣麟?。一般功率較大的變頻器用可控硅，并設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置。使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)重要發(fā)展的

13、方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯，所以應(yīng)用越來越廣泛。三菱FR-S520變頻器，4-20控制輸入信號，可對流量或者壓力進(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?？蓡蜗嗷蛘呷喙╇?，頻率可高達(dá)200HZ。圖5.3 變頻器5.4 水泵水泵是一種利用大氣壓強(qiáng)將低處的水汲往高處的機(jī)器,多半是以電動機(jī)作為動力。抽水的電動機(jī)泵通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力 , 即把原動機(jī)的機(jī)械能變?yōu)橐后w能量從而達(dá)到抽送液

14、體目的的機(jī)器統(tǒng)稱為泵。這里采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。不會影響教師授課減少麻煩。功耗低，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)。 圖5.4 水泵5.5 模擬量采集模塊模擬量輸入模塊可測量多通道交流電壓、電流輸入信號。測量精度：0.2級。16位A/D循環(huán)采樣，采樣速率：3000次/S；1.2倍量程可正確測量，過載2倍量程輸入1S不損壞；隔離電壓1000VDC。模擬量輸出模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號，可用于驅(qū)動繼電器、開關(guān)等。這用A/D牛頓7017模塊8路模擬電壓（1-5V）。5.6 模擬量輸出模塊D/A牛頓7024模塊4路模擬輸出，電流(420mA) 電壓（15V）信號

15、均可。5.7 通信轉(zhuǎn)換模塊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。 圖5.5 牛頓模塊示意圖5.8 開關(guān)電源DC24的開關(guān)電源，最大電流為2A，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。6 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計6.1 組態(tài)軟件介紹隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，計算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對工業(yè)自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時，當(dāng)工業(yè)被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導(dǎo)致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個控制項(xiàng)目的不同而使其重復(fù)使用

16、率很低，導(dǎo)致它的價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若原來的編程人員因工作變動而離去時，則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改，因而更是相當(dāng)困難。通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程問題提供了一種嶄新的方法，因?yàn)樗軌蚝芎玫亟鉀Q傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。組態(tài)（Configuration）為模塊化任意組合。通用組態(tài)軟件主要特點(diǎn)有（1）延續(xù)性和可擴(kuò)充性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，當(dāng)現(xiàn)場（包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）或用戶需求發(fā)生改變時，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級；（2）封裝性（易學(xué)易用）

17、，通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術(shù)（甚至不需要編程技術(shù)），就能很好地完成一個復(fù)雜工程所要求的所有功能；（3）通用性，每個用戶根據(jù)工程實(shí)際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O Driver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實(shí)時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程，不受行業(yè)限制。 最早開發(fā)的通用組態(tài)軟件是DOS環(huán)境下的組態(tài)軟件，其特點(diǎn)是具有簡單的人機(jī)界面（MMI）、圖庫、繪圖工具箱等基本功能。隨著Windows的廣泛應(yīng)用，Windo

18、ws環(huán)境下的組態(tài)軟件成為主流。與DOS環(huán)境下的組態(tài)軟件成為主流。與DOS環(huán)境下的組態(tài)軟件相比，其最突出的特點(diǎn)是圖形功能有了很大的增強(qiáng)。國外許多優(yōu)秀通用組態(tài)軟件是在英文狀態(tài)下開發(fā)的，它具有應(yīng)用時間長、用戶界面不理想、不支持或不免費(fèi)支持國內(nèi)普遍使用的硬件設(shè)備、組態(tài)軟件本身費(fèi)用和組態(tài)軟件培訓(xùn)費(fèi)用高昂等因素，這些也正是國內(nèi)通用組態(tài)軟件在國內(nèi)不能廣泛應(yīng)用的原因。隨著國內(nèi)計算機(jī)水平和工業(yè)自動化程度的不斷提高，通用組態(tài)軟件的市場需求日益增大。近年來，一些技術(shù)力量雄厚的高科技公司相繼開發(fā)出了適合國內(nèi)使用的通用組態(tài)軟件。 系統(tǒng)組態(tài)圖圖6.1 系統(tǒng)組態(tài)圖 歷史曲線圖6.2 歷史曲線畫面 標(biāo)記名字典總 結(jié)通過這次設(shè)計，我受益匪淺，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）通過這次實(shí)踐，我基本掌握了組態(tài)軟件組態(tài)王界面設(shè)計，對RS485通信協(xié)議也有了一定的了解。組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)動畫的編程語言和以前我們學(xué)過的C語言很類似，而在以前學(xué)習(xí)C語言時，我們很多同學(xué)都認(rèn)為這門語言都已經(jīng)過時了，我們應(yīng)該去學(xué)習(xí)時下流行的.NET和JAVA，但是通過這次設(shè)計我發(fā)現(xiàn)，編程思想以及程序的算法往往比編程語言更重要。（2）上完這門課后，