基于組態(tài)軟件的流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)(共15頁(yè))

1、PAGE 過(guò)程(guchng)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(hul)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系名稱(mngchng)： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1105 學(xué)生姓名： 孟文博 學(xué) 號(hào)： 201123910824 指導(dǎo)教師： 馬 利 馮肖亮 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 31625 設(shè)計(jì)成績(jī)： 簽名： 年 月 日設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014.6.242014.7.5 工業(yè)(gngy)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名孟文博專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化1105學(xué)號(hào)201123910824題 目基于組態(tài)軟件的流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題性質(zhì)必修課題來(lái)源自擬題目指導(dǎo)教師主要內(nèi)容通過(guò)某種組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照

2、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(gè)具有較美觀組態(tài)畫(huà)面和較完善組態(tài)控制程序的流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)的具體對(duì)象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過(guò)程儀表。2. 根據(jù)流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開(kāi)關(guān)I/O的需要，正確選用過(guò)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(guò)程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫(huà)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(bào)告。主要參考資料1陳夕松 汪木蘭. 過(guò)程控制系統(tǒng)（第二版）.北京：科

3、學(xué)出版社，2011.12邵裕森過(guò)程控制工程M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20003姜重然工控軟件組態(tài)王簡(jiǎn)明教程M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007審查意見(jiàn)指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘要(zhiyo)過(guò)程控制就是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，它采用測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化工具設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)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(duì)水箱的水位進(jìn)行控制使其帶到預(yù)期的狀態(tài)。組態(tài)王開(kāi)發(fā)監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)利用過(guò)程儀表和計(jì)算機(jī)，結(jié)合組態(tài)王6.53軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，設(shè)

4、計(jì)實(shí)現(xiàn)流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)。同時(shí)，在組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)顯示(xinsh)、實(shí)時(shí)曲線顯示等功能。關(guān)鍵詞：過(guò)程控制 工業(yè) 流量 組態(tài)王目錄(ml)1 課程設(shè)計(jì)的目的(md)及要求 41.1設(shè)計(jì)(shj)目的 41.2 設(shè)計(jì)要求 42 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 52.1 控制方案 52.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 63 過(guò)程儀表選擇 63.1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 63.2水泵 63.3 液位傳感器 73.4 變頻器 73.5 模塊選擇 73.6 電磁流量傳感器 84 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì) 84.1 組態(tài)王介紹 84.2 組態(tài)畫(huà)面 95 單回路控制系統(tǒng)PID控制算法 10設(shè)計(jì)心得 13參考文獻(xiàn) 141 課程設(shè)計(jì)的目的(md)及要求1.1設(shè)計(jì)(

5、shj)目的 本課程是在學(xué)完工業(yè)過(guò)程控制(kngzh)課程后的一個(gè)應(yīng)用性實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，學(xué)生應(yīng)對(duì)過(guò)程控制工程設(shè)計(jì)的概念有完整地了解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)課、專業(yè)課所學(xué)知識(shí)與工程實(shí)際知識(shí)的能力。通過(guò)對(duì)過(guò)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(guò)程系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的實(shí)踐知識(shí)，初步掌握過(guò)程控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的技能。 通過(guò)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(gè)具有美觀組態(tài)畫(huà)面和較完善組態(tài)控制程序的流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)。1.2 設(shè)計(jì)要求(1) 根據(jù)流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)的具體對(duì)象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)

6、控制方案，正確選用過(guò)程儀表。(2) 根據(jù)流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開(kāi)關(guān)I/O的需要，正確選用過(guò)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)流量但回路過(guò)程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫(huà)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(bào)告。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(shj)2.1 控制(kngzh)方案整個(gè)過(guò)程(guchng)控制系統(tǒng)由控制器、調(diào)節(jié)器、測(cè)量變送、被控對(duì)象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為計(jì)算機(jī)，采用算法為PID控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器為電磁閥，測(cè)量變送為HB、FT兩個(gè)組成，被控對(duì)象為流量PV。結(jié)構(gòu)組成如下圖2.1所示

7、。 圖2.1結(jié)構(gòu)組成圖當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，水泵開(kāi)始抽水，通過(guò)管道分別將水送到上水箱和下水箱，由HB返回信號(hào)，是否還需要放水到下水箱。若還需要（即水位過(guò)低），則通過(guò)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(guò)高或剛好合適），則通過(guò)電磁閥使流量保持或減小。其整個(gè)原理圖如圖2.2所示。2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過(guò)程(guchng)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(duì)象、測(cè)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2.3圖2.3液位單回路控制系統(tǒng)(kn zh x tn)框圖3 過(guò)程儀表(ybio)選擇3.1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)

8、。采用德國(guó)PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，無(wú)需配伺服放大器，驅(qū)動(dòng)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?？刂茊卧c電動(dòng)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(hào)4-20mA及單相電源即可控制與轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡(jiǎn)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(hào)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(kāi)特性，閥門(mén)采用彈簧連接，可預(yù)置閥門(mén)關(guān)斷力，保證閥門(mén)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)

9、。3.2水泵(shubng)采用丹麥蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長(zhǎng)，不會(huì)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，與變送器一起(yq)可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。3.3 液位傳感器 液位傳感器用來(lái)對(duì)上誰(shuí)為水箱的壓力進(jìn)行檢測(cè)，采用工業(yè)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，喜愛(ài)用高品質(zhì)低耗(d ho)精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。可方便的與其他DDZ3X型儀表互換配置，并能直接替換進(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)整量程電位器，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

10、流為20mA。本傳感器精度為0.5級(jí)，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串24V直流電源。壓力傳感器用來(lái)對(duì)上水位水箱和中水位水箱的壓力進(jìn)行檢測(cè)，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，0.5級(jí)精度，二線制4-20mA標(biāo)志信號(hào)輸出。3.4 變頻器三菱FR-S520變頻器，4-20mA控制信號(hào)輸入，可對(duì)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(zhǎng)，可外加電流控制，也可通過(guò)本身旋鈕控制頻率。可單相或三相供電，頻率可高達(dá)200Hz。3.5 模塊選擇 當(dāng)需要構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，過(guò)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，

11、完全模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，先進(jìn)性與實(shí)用性并舉。有效的拉近了實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的距離。它體積小，安裝方便，可靠性極高。1) D/A模塊：采用牛頓7024模塊。4路模擬輸出，電流（4-20mA）電壓（15V）信號(hào)均可。2) A/D 模塊：采用牛頓(ni dn)7017模塊。8路模擬電壓（15V）輸入。3) DO模塊：采用(ciyng)牛頓7043模塊。4)通訊模塊(m kui)：采用牛頓7520轉(zhuǎn)換模塊。485/232轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換速度極高（300115KHz），232口可長(zhǎng)距離。3.6 電磁流量傳感器（1）流量傳感器用來(lái)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)本試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)，采用工業(yè)用

12、的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量0.03m3/h,壓力1.6Mpmax,4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。可與顯示，記錄儀表，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)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)，密封性好；2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，內(nèi)部無(wú)活動(dòng)部件，幾乎無(wú)壓力損失；3）采用低頻矩形波勵(lì)磁，抗干擾性能好，零點(diǎn)穩(wěn)定；4）儀表反映靈敏，輸出信號(hào)與流量呈線性關(guān)系,量程比寬；（2）流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ-4型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號(hào)：00.4mV輸出信號(hào)：420mA DC, 許負(fù)載電阻為0750歐姆，基本誤差：輸出信號(hào)量程的0.5%。4 系

13、統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)4.1 組態(tài)王介紹 組態(tài)王開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng) HYPERLINK /view/37.htm 軟件，是新型的工業(yè) HYPERLINK /view/99881.htm 自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問(wèn)題：畫(huà)面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫(huà)。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)

14、計(jì)。 HYPERLINK /view/380099.htm 組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫(huà)面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面，并以動(dòng)畫(huà)方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì) HYPERLINK /view/400.htm 曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的 HYPERLINK /view/15565.htm 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。組態(tài)王是運(yùn)行在Windows98/NT/2000上的一種組態(tài)軟件。使用(shyng)組態(tài)王，用戶可以方便地構(gòu)造適應(yīng)自己需要的“數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)

15、”，在任何需要的時(shí)候(sh hou)把生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息處理和判斷決策的控制信號(hào)傳向現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有效的生產(chǎn)控制。組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)功能使企業(yè)的基層和其它部門(mén)建立起聯(lián)系，現(xiàn)場(chǎng)操作人員和工廠管理人員都可以看到各種數(shù)據(jù)。管理人員不需要深入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，就可以獲得實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。組態(tài)網(wǎng)易于學(xué)習(xí)和使用，擁有豐富的工具箱、圖庫(kù)和操作向?qū)?，既可以?jié)省您的大量時(shí)間，又能提高系統(tǒng)性能。組態(tài)王可用于電力、制冷、化工、機(jī)械制造、交通管理等多種工程領(lǐng)域。無(wú)論您的應(yīng)用場(chǎng)合如何，您都可以使用組態(tài)王構(gòu)造有效的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4.2組態(tài)畫(huà)面系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面如圖4.21所示。圖4.21 系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面PID

16、設(shè)定后運(yùn)行動(dòng)態(tài)組態(tài)圖界面顯示圖4.22圖4.22 動(dòng)態(tài)(dngti)組態(tài)圖界面顯示為了更安全的應(yīng)用于工程控制，添加了報(bào)警顯示，當(dāng)水位(shuwi)低于10時(shí)，彈出報(bào)警框，顯示水位過(guò)低；當(dāng)水位大于90時(shí)，彈出報(bào)警框，顯示水位過(guò)高。報(bào)警運(yùn)行畫(huà)面如下圖4.23圖4.23 報(bào)警(bo jng)運(yùn)行畫(huà)面 4.3 數(shù)據(jù)字典系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程中的數(shù)據(jù)字典如表4.3所示。 表4.3數(shù)據(jù)字典變量名變量類型連接設(shè)備寄存器上水箱液位I/O實(shí)型A/D下水箱液位I/O實(shí)型A/D 儲(chǔ)水箱I/O實(shí)型 管道流量I/O實(shí)型A/D 泵I/O離散PLCCommErr電動(dòng)調(diào)節(jié)閥I/O實(shí)型PLCRADOM100SV（設(shè)定值）內(nèi)存整型PV

17、（測(cè)量值）內(nèi)存整型P內(nèi)存整型I內(nèi)存整型D內(nèi)存整型uk1內(nèi)存整型uk11內(nèi)存整型ek11內(nèi)存整型ek12內(nèi)存整型ek21內(nèi)存整型ek22內(nèi)存整型q10內(nèi)存整型q11內(nèi)存整型q12內(nèi)存整型5 單回路(hul)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(ynyng)組態(tài)王所提供的類似于C語(yǔ)言的程序編寫(xiě)語(yǔ)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(sunsh)如下：上述算式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間，為微分時(shí)間，以 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，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)

18、計(jì)(shj)心得通過(guò)不懈的努力和與同學(xué)的設(shè)計(jì)交流，完成了本次的流量單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，為了更好的進(jìn)行實(shí)際利用，添加了報(bào)警功能，當(dāng)液位過(guò)高和過(guò)低都會(huì)彈出報(bào)警頁(yè)面，提高安全性。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步了解了過(guò)程控制系統(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(duì)象和測(cè)量變送環(huán)節(jié)組成。并且學(xué)會(huì)了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設(shè)計(jì)步驟。對(duì)組態(tài)王軟件也有了很大的了解，學(xué)會(huì)了初步的應(yīng)用，認(rèn)識(shí)到了組態(tài)王的一些應(yīng)用情況，組態(tài)王軟件的組成與功能，其應(yīng)用程序項(xiàng)目如何建立，數(shù)據(jù)詞典如何建立，動(dòng)畫(huà)如何進(jìn)行鏈接，命令語(yǔ)言程序如何編寫(xiě)，趨勢(shì)曲線(qxin)如何建立，還有I/O設(shè)備的配置和組態(tài)網(wǎng)絡(luò)的建立等等一系列與組態(tài)王軟件應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)?？偟膩?lái)說(shuō)，這次(zh c)設(shè)計(jì)是一次收獲很大的設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多教學(xué)中學(xué)不到的東西，對(duì)我的動(dòng)手能力有了很大的幫助。在這次的課程設(shè)計(jì)