基于組態(tài)軟件的流量單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)--課程設(shè)計(jì)

1、.過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目:基于組態(tài)軟件的流量單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)成績： 指導(dǎo)教師： 本欄由指導(dǎo)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(shè)計(jì)任務(wù)書之八學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號題 目基于組態(tài)軟件的流量單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題性質(zhì)工程設(shè)計(jì)課題來源自擬題目指導(dǎo)教師主要內(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(jì)一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的流量單回路過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)流量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)控制方案，正確選用過程儀表。2. 根據(jù)流量單

2、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)流量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3 過程控制教材4 輔導(dǎo)資料審查意見指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 目錄摘要11 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33.3電

3、動調(diào)節(jié)閥43.4變頻器43.5水泵43.6電磁閥53.7開關(guān)電源53.8測量要求63.9選擇過程模塊64 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)74.1工藝流程圖與系統(tǒng)組態(tài)圖設(shè)計(jì)74.2 組態(tài)畫面84.3 數(shù)據(jù)字典94.4實(shí)時曲線11 4.5實(shí)時報表與命令語言114.6應(yīng)用程序if(iokz=1)125單回路控制系統(tǒng)PID控制算法 13設(shè)計(jì)心得15摘要 過程控制就是對工業(yè)過程的自動控制，它采用測量儀表，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動化工具設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。流量單回路控制系統(tǒng)就是采用計(jì)算機(jī)，傳感器等設(shè)備對水箱的水位進(jìn)行控制使其達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工

4、業(yè)計(jì)算機(jī)軟件，硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。關(guān)鍵詞： 流量單回路 組態(tài)王 PID控制 1 設(shè)計(jì)目的與要求1.1 設(shè)計(jì)目的 通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)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，采用但閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)一個具有美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的流量單回路過程控制系統(tǒng)。1.2 設(shè)計(jì)要求(1) 根據(jù)流量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)控制方案，正確選用過程儀表。(2) 根據(jù)流量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

5、。(4) 運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)流量但回路過程控制系統(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)報告。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 控制方案 整個過程控制系統(tǒng)由控制器、調(diào)節(jié)器、測量變送、被控對象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為計(jì)算機(jī)組態(tài)控制，采用算法為PID控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器為電磁閥，測量變送為HB、FT兩個組成，被控對象為流量PV。結(jié)構(gòu)組成如下圖2.2所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，水泵開始抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水箱，由HB返回信號，是否還需要放水到下水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達(dá)到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好

6、合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其整個流程圖如圖2.1所示。圖2.1 流量單回路控制系統(tǒng)流程圖2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過程控制系統(tǒng)由四大部分組成，分別為控制器、調(diào)節(jié)器、被控對象、測量變送。本次設(shè)計(jì)為流量回路控制，即為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖2.2.計(jì)算機(jī) 控制器 變頻器水泵管道 流量檢測 傳感器 _ SP P V PV1 圖2.2 流量單回路控制系統(tǒng)框圖3 過程儀表選擇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DDZ-X型儀表互換配置，并能

7、直接替換進(jìn)口同類儀表。校驗(yàn)的方法是通電預(yù)熱15分鐘后，分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。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，故工作時需串24V直流電源。圖3.1液位傳感器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)本實(shí)驗(yàn)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00.3m3/h，壓力1.6Mpmax，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出?？膳c顯示，紀(jì)錄儀表，積算器或調(diào)節(jié)器配套。避免了渦輪流量計(jì)非線性與死區(qū)

8、大的致命缺點(diǎn)，確保實(shí)驗(yàn)效果能達(dá)到教學(xué)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，幾乎無壓力損失； 3.）采用低頻矩形波勵磁，抗干擾性能好，零點(diǎn)穩(wěn)定； 4.）儀表反應(yīng)靈敏，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：4 20mA DC，允許負(fù)載電阻為0750，基本誤差：輸出信號量程的±0.5%。圖3.21電磁流量傳感器 圖3.22電磁流量轉(zhuǎn)換器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

9、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。控制單元與電動執(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)，4-20mA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,.閥門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，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)。 圖3.3調(diào)節(jié)

10、閥 圖3.4變頻器3.4變頻器 三菱FR-S520變頻器（見上圖），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，也可通過本身旋扭控制頻率?？蓡蜗嗷蛉喙╇?，頻率可高達(dá)200Hz。3.5水泵 采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，不會影響教師授課減少使用麻煩。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)。圖3.5水泵3.6電磁閥圖3.6電磁閥3.7開關(guān)電源DC24V的開關(guān)電源，最大電流為2A，滿足實(shí)驗(yàn)的需要。圖3.7開關(guān)電源3.8測量要求測量范圍：液位：045

11、0 cm流量：00.3 m3 /h測量精度：液位：<2%流量：<0.1%3.9選擇過程模塊1. D/A模塊：nudan7024模塊外形模塊原理模塊接線模塊性能：電流輸出420Ma；2.A/D模塊：nudan7017電壓輸入3.DO模塊：nudan70434.通訊模塊： 當(dāng)需要構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時，過程控制裝置的數(shù)據(jù)采集和控制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，完全模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，先進(jìn)性與實(shí)用性并舉。有效地拉近了實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)現(xiàn)場的距離。它體積小，安裝方便，可靠性極高，D/A7024模塊4路模擬輸出，電流（420mA）電壓（15V）信號均可，A/D7017模

12、塊8路模擬電壓（15V）輸入，485/232 轉(zhuǎn)換7520模塊，轉(zhuǎn)換速度極高（300115KHz），232口可長距離傳輸。圖3.9牛頓模塊示意圖4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì) 本文是基于組態(tài)王的流量單回路的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)了解得到組態(tài)王屬于上位機(jī)軟件，可以由組態(tài)王根據(jù)所檢測得到的數(shù)據(jù)，通過的腳本程序，控制相應(yīng)的執(zhí)行元件，減少了人工操作的麻煩，使操作起來更加方便、安全。4.1工藝流程圖與系統(tǒng)組態(tài)圖設(shè)計(jì) 根據(jù)測試要求，首先打開系統(tǒng)啟動按鈕，選擇進(jìn)入手動或自動狀態(tài)（默認(rèn)進(jìn)入手動狀態(tài)）。如果進(jìn)入手動狀態(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，手動控制直接達(dá)到工藝要求；如果選擇自動狀態(tài)，

13、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，積分時間，微分時間三個參數(shù)進(jìn)而控制閥門開度，直到上水箱水位液位恒定。工藝控制流程圖如圖4.1.1所示，系統(tǒng)組態(tài)圖如圖4.1.2所示，控制流程圖如圖4.13所示。FT A/DD 計(jì)算機(jī) D/A PID1 自動 OUT 手動 LSP U(k) IO0PV(IN2) 圖4.1.1 工藝流程圖 圖4.1.2 系統(tǒng)組態(tài)圖圖4.1.3控制流程圖4.2 組態(tài)畫面圖4.2組態(tài)畫面4.3 數(shù)據(jù)字典圖4.3數(shù)據(jù)詞典標(biāo)記名稱注釋類型訪問名主題名項(xiàng)目名應(yīng)用程序名Liquid-up上水箱液位I/O實(shí)型ADADAI0MODBUSLiquid-down下水箱液位I/O

14、實(shí)型ADADAI1MODBUSFlow-main主流量I/O實(shí)型ADADAI2MODBUSFlow-second副流量I/O實(shí)型ADADAI3MODBUSTempre溫度I/O實(shí)型ADADAI4MODBUSValve1主閥位I/O實(shí)型ADADAI5MODBUSPressure壓力I/O實(shí)型ADADAI6MODBUSUk0主閥開度I/O實(shí)型DADAAO0MODBUSUk1可控硅電壓I/O實(shí)型DADAAO1MODBUSUk2變頻器頻率I/O實(shí)型DADAAO2MODBUSUk3副閥開度I/O實(shí)型DADAAO3MODBUSValve2副閥位I/O實(shí)型DADAAI7MODBUSVV1電磁閥1I/O離散D

15、ODODO0MODBUSVV4電磁閥4I/O離散DODODO3MODBUS4.4實(shí)時曲線圖4.4實(shí)時曲線4.5實(shí)時報表與命令語言圖4.5.1實(shí)時報表圖4.5.2命令語言4.6應(yīng)用程序if(iokz=1)ioS=9;if(本站點(diǎn)K2=1) 本站點(diǎn)a01=本站點(diǎn)P1*(1+1/本站點(diǎn)I1+本站點(diǎn)D1); 本站點(diǎn)a11=本站點(diǎn)P1*(1+2*本站點(diǎn)D1); 本站點(diǎn)a21=本站點(diǎn)P1*本站點(diǎn)D1; 本站點(diǎn)ek0=本站點(diǎn)sp1-io流量1; 本站點(diǎn)uk=本站點(diǎn)a01*本站點(diǎn)ek0-本站點(diǎn)a11*本站點(diǎn)ek01+本站點(diǎn)a21*本站點(diǎn)ek02+本站點(diǎn)uk01; 本站點(diǎn)uk01=本站點(diǎn)uk; 本站點(diǎn)ek02=

16、本站點(diǎn)ek01; 本站點(diǎn)ek01=本站點(diǎn)ek0;if(本站點(diǎn)uk<1000) if(本站點(diǎn)uk<0) 本站點(diǎn)uk0=0; else本站點(diǎn)uk0=本站點(diǎn)uk; else本站點(diǎn)uk0=1000;iod=本站點(diǎn)uk0;5單回路控制系統(tǒng)PID控制算法  根據(jù)流量單回路控制系統(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。  本系統(tǒng)采用PID位置控制算法，其控制算式如下u(k)=u(k-1)+(1+)e(k)-(1+)e(k-1)+e(k-2)=u(k-1)+e(k)-e(k-1)+e(k-2)=(1+)=(1+)= 上述算式中，Kp為比例系數(shù)，

17、TI為積分時間，TD為微分時間，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控制算法流程圖如下圖5.1所示圖5.1PID控制算法流程圖設(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、被控對象和測量變送組成。 剛開始大概了解課題的原理，就是用計(jì)算機(jī)和流量監(jiān)測計(jì)來控制水箱的液位，接下來就是日復(fù)一日的繪圖、編程和寫設(shè)計(jì)報告。在這次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中我體會到了技術(shù)工作人員的辛苦，而且也更加深了對自動化專業(yè)的認(rèn)識，堅(jiān)強(qiáng)了實(shí)際動手操作的能力，有機(jī)得把理論和實(shí)踐結(jié)合在一起，能設(shè)計(jì)一些基本的控制程序。然后，在不斷地深入的學(xué)習(xí)中遇到很多棘手的問題，但是，通過大量的查閱資料和請教老師和同學(xué)，最終解決了遇到的問題，在解決問題的過程中自己有了很大的收獲。并且學(xué)會了如何去設(shè)計(jì)一個過程控制系統(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)過一下幾個步驟：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，直到最后的動畫鏈接成功，并達(dá)