基于組態(tài)王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)計任務(wù)書目錄目錄 I1 設(shè)計目的與要求. 11.1 設(shè)計目的. 11.2 設(shè)計要求. 12 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 22.1 控制方案. 22.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖 . 23 過程儀表選擇 . 33.1 流量檢測傳感器 33.2 電動調(diào)節(jié)閥 43.3 過程模塊 44 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計 . 54.1 組態(tài)圖 . 54.2 組態(tài)畫面 64.3 數(shù)據(jù)字典. 84.4 應(yīng)用程序. 104.5 動畫連接. 125 結(jié)論 136 參考文獻(xiàn) 147 致 141 設(shè)計目的與要求1.1 設(shè)計目的通過某種組態(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)

2、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)。1.2 設(shè)計要求1. 根據(jù)流量比值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. 提交包括上述容的課程設(shè)計報告。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 控制方案根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)采用單閉環(huán)比值控制。在控制兩種

3、物料的比值系統(tǒng)中， 起主導(dǎo)作用的物料流量稱為主動量，跟隨主動量而變化的物料流量稱為從動量。 設(shè)本系統(tǒng)中液體 A 為主動量，液體 B 為從動量。將從動量用一個閉環(huán)包括進(jìn)去， 而主動量開環(huán)。將液體 A 的流量 y1 通過比值控制器 k 作為閉環(huán)回路的輸入量。 所以從動量 B 的給定是 ky1，因?yàn)?y1 開環(huán)，故 y2要隨著 y1的變化而變化，即從動 量 B 是一個隨動控制系統(tǒng)。2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 上圖為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)打開液體 A 的閥門，流量檢測傳感器測出其流量值，經(jīng)變送單元送至比值器，比值器的輸出與液體 B 流量測量變送送出的流量值相 減，其偏差作為液體 B 流量控制

4、器的輸入值， 控制器的輸出用來控制調(diào)節(jié)閥， 從 而使液體 B的流量得到了控制。 這就使液體 B 的流量隨液體 A的流量變化而變化。其中液體 A 的電動調(diào)節(jié)閥是為了方便設(shè)置 A 的流量。流程圖如圖 2.2圖 2.2 系統(tǒng)流程圖3 過程儀表選擇3.1 流量檢測傳感器本設(shè)計采用工業(yè)用的 LDS-10S型電磁流量傳感器， 公稱直徑 10mm，流量 0 0.3m3/h ，壓力 1.6Mpmax,4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出?？膳c顯示，記錄儀表，積算器 或調(diào)節(jié)器配套。它的優(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，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

5、；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： 00.4 輸出信號： 420mA DC，允許負(fù)載電阻為 0750， 基本誤差：輸出信號量程的 0.5%。3.2 電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的液體的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進(jìn)口的 PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電路采用高性能稀土磁 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?單元與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機(jī)配套使用，組成最 佳調(diào)節(jié)回路。由輸入控制信號 4

6、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)， 420mA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)斷防止泄漏。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用 壽命長等優(yōu)點(diǎn)。3.3 過程模塊采用牛頓 7000 系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊 過程模塊。牛頓 7000 系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高。D/A 模塊采用牛頓 7024，四通道模擬輸出模塊，電流輸出 420mAD，C電壓

7、輸出 15VDC，精度 14位。使用 7024模塊的 1通道 I01 作為可控硅的電壓控制 通道。A/D 模塊采用牛頓 7017，八通道模擬輸入模塊， 電壓輸入 15VDC。使用 7024 模塊的 1通道 IN1 作為 A流量信號檢測輸入通道， 7024模塊的 2通道 IN2作為 B 流量信號檢測信號輸入通道。通信模塊采用牛頓 7520。RS232轉(zhuǎn)換 485 通訊模塊。使用 RS-232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速為 300115200bps，可長距離傳輸?？刂苹芈分须姶砰y的開關(guān)量輸出模塊采用牛頓 7043，16 通道非隔離集電極開路輸出模塊。最大集電極開 路電壓 30V，每通道輸出電流

8、100mA，可直接驅(qū)動電磁閥設(shè)備。4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計4.1 組態(tài)圖圖 4.1 系統(tǒng)組態(tài)圖如上圖所示，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， 因?yàn)樵诖藭r 在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置， 若此時輸出值， 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。只有在自動的情況下， PID才有輸出值輸出。4.2 組態(tài)畫面下圖為系統(tǒng)的組態(tài)畫面：圖 4.2 開機(jī)畫面圖 4.3 主界面圖 4.4 歷史曲線本設(shè)計共有三個畫面：開機(jī)畫面、主界面、歷史曲線。開機(jī)畫面如圖 4.2 ，當(dāng)我們啟動系統(tǒng)后，我們進(jìn)入開機(jī)畫

9、面，其中上面有系統(tǒng)的名字流量比值控制系統(tǒng) ，另外還有兩個按鈕，它們的功能分別是：進(jìn)入主界面和退出系統(tǒng)主界面如圖 4.3 ，在主界面中有三個反應(yīng)器， 它們在本設(shè)計中只是作為容器， 裝 A、 B、 AB 混合液體，所以在本設(shè)計中沒有設(shè)置動畫連接，因?yàn)楸驹O(shè)計主要考 慮的是流量比值控制。 在主界面中還有兩個電動調(diào)節(jié)閥和兩個電磁流量計， 兩個電動調(diào)節(jié)閥分別是控制 A、B 液體的流量，兩個電磁流量計分別是測量 A、B 液體的流量值。當(dāng)我們啟動 系統(tǒng)后進(jìn)入主界面我們首先在手動狀態(tài)下 （手動指示為藍(lán)色） 設(shè)置 A 液體的電動 調(diào)節(jié)閥的開度，使 A 液體得流量穩(wěn)定，然后設(shè)置 Kp，Ti ，Td，Kc，設(shè)置這五個

10、 參數(shù)后，按下按鈕后進(jìn)入自動環(huán)節(jié)，系統(tǒng)按設(shè)定好的 PID 算法得到輸出，使 A 液體的流量與 B 液體的流量成設(shè)定的比例并穩(wěn)定于此。 期間畫面也能顯示出電動調(diào)節(jié)閥的開度、 流量值，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)時曲線， 查看系統(tǒng)的穩(wěn)定情況。 當(dāng)我們要觀察歷 史的曲線時， 我們可以單擊歷史曲線按鈕， 進(jìn)入歷史曲線界面。 單擊退出按鈕直 接退出系統(tǒng)。歷史曲線界面如圖 4.4 ，在畫面中有歷史曲線框和兩個按鈕：返回（返回到 主界面）和退出。4.3 數(shù)據(jù)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

11、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)動畫連接的存離散變量，參于 PID運(yùn)算的存實(shí)型變量和實(shí)現(xiàn)各種動畫效果所用到的存實(shí)型或存整型變量等。 具體的 數(shù)據(jù)詞典如下表 4.5 所示變量名變量描述變量類型ID連接設(shè)備寄存器Uk控制 B 電動調(diào)節(jié)閥輸出I/O 實(shí)型21DAAO0PVA液體流量測 量值I/O 實(shí)型22ADAI1PV2B液體流量測 量值I/O 實(shí)型23ADAI2自動開關(guān)手動/ 自動存離散24Sp設(shè)定值I/O 實(shí)型25DAAO1Kp比例系數(shù)存實(shí)型26Ti積分系數(shù)存實(shí)型27

12、Td微分系數(shù)存實(shí)型28Kc比值器大小存實(shí)型29設(shè)定值輸出 A 電動 調(diào)節(jié)閥的開 度大小存實(shí)型30A流量測量值顯示 A流量存實(shí)型31B流量測量值顯示 B流量存實(shí)型32B閥門開度顯示 B 電動調(diào)節(jié)閥開度存實(shí)型33q01增量型算法系數(shù) 1存實(shí)型34q02增量型算法系數(shù) 2存實(shí)型35q03增量型算法系數(shù) 3存實(shí)型36T采樣周期存實(shí)型37ek0現(xiàn)在的偏差存實(shí)型38ek1前一次偏差存實(shí)型39ek2前兩次偏差存實(shí)型40PP=Kp1存實(shí)型42TITI=Ti/T存實(shí)型43DD=Td/T存實(shí)型44Gmax電磁流量計 的最大測量 值存實(shí)型45Uk0前一次控制 B 電動調(diào)節(jié)閥 輸出存實(shí)型46表 4.5 數(shù)據(jù)字典4.4

13、 應(yīng)用程序圖 4.6 PID 算法的流程圖本系統(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：u(k) u(ku(k 1)a0KP(1a1KP(11) KP(1TI a0e(k) a1e(k T TD ) TI T 2TTD)TTD )e(k) KP(11) a2e(k 2)a2KPTTD算式中， Kp為比例系數(shù)，Ti 為積分時間，2TTD )e(k 1) KP TTD e(k 2)Td 為微分時間，以 u(k) 作為計算機(jī)的當(dāng)前

14、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。具體程序如下啟動時T=1;TI=Ti/T;D=Td/T;Uk=0;ek0=0;ek1=0;ek2=0;Sp=0;ShowPicture( 開機(jī)畫面 );運(yùn)行時：if( 自動開關(guān) = 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;Uk =q01*ek0-q02*ek1+q03*ek2+U k0 ;Uk0=Uk;ek2=ek1;ek1=ek0;Sp=設(shè)定值 *0.4+4

15、;A流量測量值 =( PV-1 )/4*Gmax;B流量測量值 =( PV2-1 )/4*Gmax;B 閥門開度 =( U k -1)/4*Gmax;停止時Uk=0;Sp=0; ek0=0; ek1=0; ek2=0;4.5 動畫連接圖 4.7 動畫連接當(dāng)系統(tǒng)啟動后，進(jìn)入主界面，設(shè)定好參數(shù)后，進(jìn)入自動狀態(tài)。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。 方塊中的值為系統(tǒng)的相應(yīng)實(shí)時值， 它們分別與流量測量 值、閥門開度相關(guān)聯(lián)。 矩形條中填充的紅色反應(yīng)電動調(diào)節(jié)閥的開度， 它與方塊中 的值是相對應(yīng)的，能比較直觀的反應(yīng)閥門的開度。5 結(jié)

16、論流量比值控制系統(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)的一個典型。 本設(shè)計針對生產(chǎn)中兩種 液體的混合的控制，對其設(shè)計了單閉環(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， 設(shè)計中用到了多個硬件設(shè)備， 并基于計算機(jī)實(shí)現(xiàn)過程 的自動控制。在這次課程設(shè)計中收獲頗多，在查閱相關(guān)資料的同時，增長了不少知識， 學(xué)到了一些書本以外的應(yīng)用性的東西。 設(shè)計過程中， 了解了一些從前沒有多少接 觸的硬件設(shè)備，如電動調(diào)節(jié)閥、電磁流量計。經(jīng)過本次課程設(shè)計，我對工業(yè)過程 控制系統(tǒng)的開發(fā)控制流程有了全面的了解， 初步了解了 PID 控制規(guī)律在實(shí)際控制 工程中的應(yīng)用， 很好的做到了理論與實(shí)踐的結(jié)合， 進(jìn)一步加深了對 PID控制算法 理解，除此之外， 還對在實(shí)際工程中應(yīng)用極為廣泛的組態(tài)王軟件， 這位我們以后 的工作打下了良好的基礎(chǔ)。6 參考文獻(xiàn)1 組態(tài)王軟件及其說明文件2 邵裕森過程控制工程 ：機(jī)械工業(yè) 20003 過程控制教材4 輔導(dǎo)資料5 立學(xué). 基于組態(tài)軟件的計算機(jī)液位串機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計J 工業(yè)控制計算機(jī)， 20086 軍, 輝. 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 J. 石油化工 , 20047 立學(xué). 基于組態(tài)軟件的流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計 J 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量 , 20098 王再英