組態(tài)課程設(shè)計(jì)

1、目 錄1 設(shè)計(jì)目的12 控制要求13 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13.1 控制方案13.2 控制規(guī)律23.3 過程儀表及過程模塊23.3.1 液位變送器33.3.2 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥43.3.3 變頻器53.3.4 水泵63.3.5 模擬量采集模塊73.3.6 模擬量輸出模塊73.3.7 通信轉(zhuǎn)換模塊73.3.8 開關(guān)電源83.4 硬件連接84 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)104.1 組態(tài)軟件介紹104.2 系統(tǒng)流程圖114.3 組態(tài)畫面124.4 動(dòng)畫連接134.5 PID 控制算法流程圖14參 考 文 獻(xiàn)16151 設(shè)計(jì)目的（1） 加深對(duì)過程控制系統(tǒng)基本原理的理解和對(duì)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(jì)算機(jī)設(shè)

2、計(jì)過程控制系統(tǒng)的實(shí)際能力。2 控制要求（1）能根據(jù)具體對(duì)象及控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)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(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）能運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)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。3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 控制方案串級(jí)控制系統(tǒng)是一種常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它是根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)命名的。一、基本原理：它是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的控制器串聯(lián)而成的，一個(gè)控制器的輸出是另一個(gè)控制器的的給定值。二、結(jié)構(gòu)：整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，即主回路和副回路。主回路有主控制

3、器、副回路、主對(duì)象和主變送器構(gòu)成；而副回路由副控制器、控制閥、副對(duì)象和副變送器構(gòu)成。三、特點(diǎn)：與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)由于在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)副回路，所以有以下特點(diǎn)(1)、對(duì)于進(jìn)入副回路的擾動(dòng)具有較快、較強(qiáng)的克服能力。(2)、改善主控制器的廣義對(duì)象的特性。(3)、對(duì)符合和操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。(4)、副回路可以按照主回路的需要更精確地控制操縱變量的質(zhì)量流和能量流。四、應(yīng)用場(chǎng)合：(1)、用于克服變化劇烈的和幅值大的干擾。(2)、用于時(shí)滯較大的對(duì)象。(3)、用于容量之后較大的對(duì)象。(4)、用于克服對(duì)象的非線性。本控制系統(tǒng)中，被控參量有兩個(gè)，上水箱的液位和下水箱的液位，這兩個(gè)參量具

4、有相關(guān)關(guān)系。上水箱的液位可以影響下水箱的液位，根據(jù)上下水箱的液位相關(guān)關(guān)系，故系統(tǒng)采用的串級(jí)控制。其中，內(nèi)環(huán)控制上水箱的液位，外環(huán)控制下水箱的液位，系統(tǒng)遠(yuǎn)行使下水箱的液位跟隨給定值，系統(tǒng)框圖如下圖3.1所示計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)閥液位液位液位變送器液位變送器x1(t)z1(t)z2(t)x1(t)e(t)u(t)g(t)f1(t)f2(t)q(t)y(t)圖3.1雙容液位單回路控制系統(tǒng)框圖3.2 控制規(guī)律本設(shè)計(jì)采用的是工業(yè)控制中最常用的PID控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用PID算法，PID算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán)PID的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。在工程實(shí)際中，應(yīng)用

5、最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。其主要特點(diǎn)是：(1)技術(shù)成熟；PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用PI、PD、帶死區(qū)的PID控制等；(2)不需求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；(3)控制效果好。雖然計(jì)算機(jī)控制是非連續(xù)的，但由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來越快，因此用數(shù)字PID完全可代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。3.3 過程儀表及過程模塊本設(shè)計(jì)中共用到了以下過程儀表和過程模塊：3.3.1 液位變送器液位傳感器

6、是用來上位水箱和下位水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，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?？煞奖愕呐c其他DDZIIIX型儀表互換配置，并能直接交換同類儀表。校驗(yàn)的方法是通電預(yù)熱十五分鐘后，分不在零壓力和滿程壓力下檢測(cè)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(jí)，因?yàn)槎€制，故工作時(shí)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(cè)，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，精度為0.5級(jí)，二線制420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。 圖3.2

7、液位傳感器圖3.3壓力傳感器3.3.2 電動(dòng)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(hào)，自動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。調(diào)節(jié)閥由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分組成。調(diào)節(jié)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(chǎng)合。德國PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，PS系列電子式執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以用于對(duì)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(jì)，位置變送器和伺服放大器作為兩個(gè)獨(dú)立部件均可直接裝入

8、執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部，直接接受420mA的控制信號(hào)，輸出420mA或者15VDC的閥位反饋信號(hào)，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(jì)，通過不同可選擇功能的組合，實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的控制，滿足不同的應(yīng)用要求。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，重量輕，便于安裝和維護(hù)，機(jī)械零件全部采用CNC加工部件，工藝精湛。傳動(dòng)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

9、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(dòng)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(tái)調(diào)節(jié)器輸出的雙時(shí)間比例信號(hào)控制兩臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（412mA對(duì)應(yīng)PSL1的全開全閉，1220mA對(duì)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(shí)間長。電器部件布線嚴(yán)謹(jǐn)并傳動(dòng)部件完全隔離，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行性的可靠。圖3.4 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥3.3.3 變頻器變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工

10、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(gè)逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對(duì)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(gè)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(dòng)技術(shù)重要發(fā)展的方向，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(dòng)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(hào)，可對(duì)流量或者壓力進(jìn)行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非

11、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3.5 變頻器3.3.4 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(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。抽水的電動(dòng)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(dòng)機(jī)的機(jī)械能變?yōu)橐后w能量從而達(dá)到抽送液體目的的機(jī)器統(tǒng)稱為泵。這里采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。不會(huì)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3.6 水泵3.3.5 模擬量采集模塊模擬量輸入模塊可測(cè)量多通道交流電壓、電流輸入信號(hào)。測(cè)量精度：

12、0.2級(jí)。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(cè)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(hào)，可用于驅(qū)動(dòng)繼電器、開關(guān)等。這用A/D牛頓7017模塊8路模擬電壓（1-5V）3.3.6 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(hào)均可。3.3.7 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3.7 牛頓模塊示意圖3.3.8 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。3.4 硬件連接本系統(tǒng)中，D/

13、A模塊中的IO0接口為控制器調(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。A/D模塊中，IN0為上水箱液位的檢測(cè)，IN1為下水箱液位的檢測(cè)，IN2為主流量的檢測(cè)，IN3誤為副流量的檢測(cè)，IN4為溫度信號(hào)的檢測(cè)，IN5為閥位反饋信號(hào)的檢測(cè)，IN6為水泵出口壓力信號(hào)的檢測(cè)。在D/A模塊中，由于模塊本身不能提供電源，所以在控制時(shí)應(yīng)串入24V直流電源，輸出電流信號(hào)控制執(zhí)行器，AGND為D/A模塊公共地。由于變送器輸出的都是電流信號(hào)，而A/D模塊輸出的都是電壓信號(hào)，所以在A/D通道的正負(fù)端并聯(lián)一個(gè)250歐姆的電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。系統(tǒng)采用的液位變送器，壓力變送器

14、都是二線制的，在檢測(cè)液位工作時(shí)要串入DC24V電源。連接圖如圖4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)4.1 組態(tài)軟件介紹隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)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(shí)，當(dāng)工業(yè)被控對(duì)象一旦有變動(dòng)，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(gè)控制項(xiàng)目的不同而使其重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價(jià)格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時(shí)，倘若原來的編程人員因工作變動(dòng)而離去時(shí)，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

15、用工業(yè)自動(dòng)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(duì)象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)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(chǎng)（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(shí)，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級(jí)；（2）封裝性（易學(xué)易用），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(duì)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(gè)復(fù)雜工程所要

16、求的所有功能；（3）通用性，每個(gè)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(gè)具有動(dòng)畫效果、實(shí)時(shí)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(jiǎn)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，Windows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)

17、軟件是在英文狀態(tài)下開發(fā)的，它具有應(yīng)用時(shí)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(jì)算機(jī)水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，通用組態(tài)軟件的市場(chǎng)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。4.2 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖如圖4.1所示：圖4.1 系統(tǒng)流程圖4.3 組態(tài)畫面在液位液位PID控制系統(tǒng)中，以液位為被控量。其中，測(cè)量電路主要功能是測(cè)量對(duì)象的液位并對(duì)其進(jìn)行歸一化等處理；PID控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)設(shè)定值和測(cè)量值的偏差

18、信號(hào)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制雙容水箱的液位達(dá)到期望的設(shè)定值。 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的要求，只有在單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)更高要求的情況下，才采用復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 組態(tài)畫面如圖4.4所示，其設(shè)計(jì)原理可見圖4.1系統(tǒng)流程圖。圖4.4 組態(tài)畫面4.4 動(dòng)畫連接首先根據(jù)系統(tǒng)流程圖在系統(tǒng)開發(fā)界面畫好組態(tài)圖面，然后對(duì)各個(gè)器件逐一完成動(dòng)畫連接，最后在工程瀏覽界面中的命令語言中輸入程序，即完成了動(dòng)畫。如圖4.5動(dòng)畫連接示例圖1所示為，系統(tǒng)未起動(dòng)時(shí)的動(dòng)畫效果，其中各參數(shù)均沒有設(shè)定。圖4.6動(dòng)畫連接示例圖2與圖4.7動(dòng)畫連接示例圖3分別為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)畫連接圖，由于參數(shù)不同時(shí)所顯示不同的動(dòng)畫效果和曲線。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先設(shè)定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)要求設(shè)定給定值，觀察連接圖，根據(jù)需要調(diào)節(jié)PID參數(shù)。最給達(dá)到所要的穩(wěn)定的控制效果。4.5 PID 控制算法流程圖取sp , pv形成偏差e(k)取a0 , e(k)做乘法取a1 , e(k-1)做乘法取a2 , e(k-2)做乘法做a2e(k-2)減a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)做a2e(k-2)-a