基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)題 目：基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院系名稱： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2012-6-252012-6-29 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(bào)成績并簽名。工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué)號 題 目基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題性質(zhì)課程設(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(gè)具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的壓力單

2、回路過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)壓力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)壓力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。4. 運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)壓力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(bào)告。主要參考資料1 組態(tài)王軟件及其說明文件.2 吳勤勤. 控制儀表及裝置 M 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20073 陳夕松，汪木蘭過程控制系統(tǒng)M北京：科學(xué)出版社，2005.84 邵裕森，戴先中過程控制工程北

3、京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000審查意見指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要鍋爐是化工、冶煉、發(fā)電等作為公用民用部門必不可少的主要動力設(shè)備，其產(chǎn)品是蒸汽，即將一次能源（煤炭、石油、提燃?xì)獾龋┺D(zhuǎn)換為二次能源（蒸汽）。工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，往往直接影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行和產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和成本。工業(yè)鍋爐又是能耗極大 的設(shè)備，在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的能源消耗中占相當(dāng)大的比重。而燃煤鍋爐又是一種廣泛實(shí)用的工業(yè)鍋爐，廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。溫度控制是控制系統(tǒng)中最為常見的控制類型,主要由溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對象四個(gè)部分組成。關(guān)鍵詞： 鍋爐 溫度控制 組態(tài)王目錄1 緒論12 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)12.1

4、 方案選取12.2 系統(tǒng)框圖22.3 總體方案設(shè)計(jì)23 系統(tǒng)硬件選取23.1 儀器和儀表的選取23.2 模塊的選擇44 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)44.1 組態(tài)王簡介44.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)54.3 組態(tài)畫面54.4 控制程序95 系統(tǒng)調(diào)試10設(shè)計(jì)心得11參 考 文 獻(xiàn)12111 緒論溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動化、智能化均離不開單片機(jī)的應(yīng)用。將單片機(jī)控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到

5、的問題。本文以它為例進(jìn)行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果?，F(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。運(yùn)用組態(tài)軟件“組態(tài)王King View6.53”，結(jié)合工

6、業(yè)過程實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID算法，自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定現(xiàn)有相關(guān)的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，最終得到一個(gè)具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 方案選取過程控制系統(tǒng)通常是指工業(yè)生產(chǎn)中自動控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度等這樣一些過程變量的系統(tǒng)，具有連續(xù)生產(chǎn)過程自動控制、由過程檢測和控制儀表組成、被控過程多樣，控制方案豐富的特點(diǎn)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生、提

7、高市場競爭力等方面起著越老越大的作用。要分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用好一個(gè)過程控制系統(tǒng)，首先應(yīng)對被控過程做全面了解，對工藝過程、設(shè)備等深入的分析，然后應(yīng)用自動控制原理與技術(shù)，擬定一個(gè)合適正確的控制方案，從而達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降耗節(jié)能、保護(hù)環(huán)境和提高管理水品等目的。過程控制系統(tǒng)可分為單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、大滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)等一些復(fù)雜控制系統(tǒng)。為了取得較好的控制效果，基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用PID控制規(guī)律。通過溫度傳感器將檢測到的實(shí)時(shí)溫度值與溫度設(shè)定值的差值送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)用PID算法得到相應(yīng)的控制信號，并將其輸

8、出給執(zhí)行器，然后執(zhí)行器調(diào)節(jié)加熱器，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的控制目的。2.2 系統(tǒng)框圖圖2-1 溫度單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3 總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是水的溫度，測量便采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計(jì)算機(jī)，執(zhí)行器是加熱器，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。3 系統(tǒng)硬件選取3.1 儀器和儀表的選取3.1.1 溫度傳感器測量水溫的傳感器采用電熱阻Cu50。熱電阻Cu50在50150測量范圍內(nèi)電熱阻和溫度之間呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)越大，測量精度越高，熱補(bǔ)償性好，在過程控制領(lǐng)域使用廣泛。系統(tǒng)采用三線制Cu50，溫度信號經(jīng)過變送單元轉(zhuǎn)換成420mADC電

9、流信號，便于計(jì)算機(jī)采集。3.1.2 加熱器采用電阻絲作為加熱器件，采用可控硅移相觸發(fā)單元調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，輸入控制信號為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，其移相觸發(fā)與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓來控制加熱器電阻絲的兩端電壓，從而控制加熱罐的溫度。輸入4mA電流時(shí)，加熱器電阻絲的兩端溫度為0V，輸入為20mA電流時(shí)，加熱器電阻絲的兩端溫度為220V。3.1.3 電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進(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?？刂茊卧c執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，

10、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。由輸入控制信號420mA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)斷防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。3.1.4 其他設(shè)備在控制回路中所涉及到的設(shè)備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關(guān)電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，揚(yáng)程可達(dá)10米，功耗小，220V即可供電，在水泵出水

11、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)。所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，管段能力強(qiáng)，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。所采用的24V開關(guān)電源最大電流為2A，滿足系統(tǒng)需要。3.2 模塊的選擇3.2.1 D/A和 A/D 模塊的選擇采用牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計(jì)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420mADC，電壓輸出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7017，八通道模擬輸出模塊，電壓輸入15VDC。使用7024模塊

12、的4通道IN4作為溫度信號檢測輸入通道。3.2.2 通信模塊系統(tǒng)常用的并行總線有RS232,RS485等。RS485更適合于多站連接，且距離傳輸較遠(yuǎn)，為小于1200米，是雙端發(fā)雙端收，在傳輸線上允許接的驅(qū)動器和接收器數(shù)目較多，且數(shù)據(jù)傳輸速率較快，正因?yàn)樗哂腥绱藘?yōu)點(diǎn)所以價(jià)格方面比較貴。而RS232一般適用于短距離，為小于20米。是單端發(fā)單端收。對此實(shí)驗(yàn)來講，距離很近，且RS232就可滿足系統(tǒng)的要求，從價(jià)格方面和其他方面考慮，本實(shí)驗(yàn)采用RS232通訊總線。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，速度為300115200BPS，可長距離傳輸

13、。控制回路中電磁閥的開關(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100mA，可直接驅(qū)動電磁閥設(shè)備。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 組態(tài)王簡介組態(tài)王（Kingview）由北京亞控自動化軟件有限公司開發(fā)的，該軟件由中國科技大學(xué)學(xué)士、清華大學(xué)碩士林偉總設(shè)計(jì)，經(jīng)數(shù)十位工程師歷時(shí)五年開發(fā)成功，是最優(yōu)秀的國產(chǎn)組態(tài)軟件，居全國同類軟件產(chǎn)銷量第一。組態(tài)王是一個(gè)具有易用性、開放性和集成能力的通用組態(tài)軟件。應(yīng)用組態(tài)王可以使工程師把精力放在控制對象上，而不是形形色色的通信協(xié)議、復(fù)雜的圖形處理、枯燥的數(shù)字統(tǒng)計(jì)。只需要進(jìn)行填表操作，即可生成適合于用戶的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集

14、系統(tǒng)?？梢栽谡麄€(gè)生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部將各種系統(tǒng)和應(yīng)用集成在一起，實(shí)現(xiàn)“廠際自動化”的最終目標(biāo)。4.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)組態(tài)王對設(shè)備的管理是通過對邏輯設(shè)備名的管理實(shí)現(xiàn)的，具體將就是每一個(gè)實(shí)際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定一個(gè)唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)著該I/O的生產(chǎn)廠家、實(shí)際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計(jì)算機(jī)的通訊方式等信息內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換外部的設(shè)備主要是AD設(shè)備牛頓7017模塊和DA設(shè)備牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中，設(shè)置7017模塊IN4通道和7024模塊i01通道名稱分別為AD和DA，與計(jì)算機(jī)COM1串口通信，通信地址分別為0和1。4.3 組態(tài)畫面本

15、系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有系統(tǒng)組成畫面等。系統(tǒng)主界面主要繪制的溫度單回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，鍋爐和閥門等設(shè)備以及相關(guān)的操作提示按鈕等?；趧赢嬤B接，主界面可實(shí)現(xiàn)自動，手動切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實(shí)時(shí)曲線框以方便操作員在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)觀察控制效果。組態(tài)畫面設(shè)計(jì)的大致步驟如下：1：創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，并在這個(gè)項(xiàng)目里面建一個(gè)新畫面，如下圖4-1和4-2所示。圖4-1新建項(xiàng)目圖4-2 新建畫面2：構(gòu)造數(shù)據(jù)庫根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典，只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(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

16、關(guān)的內(nèi)存離散變量，用于定以開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量，參于PID運(yùn)算的內(nèi)存實(shí)型變量和實(shí)現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實(shí)型及內(nèi)存整型變量等。具體的參數(shù)詞典如圖4-3所示。圖4-3 數(shù)據(jù)詞典3：動畫連接所謂動畫連接，就是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系，建立動畫連接后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中變量的變化，圖形對象可以按動畫連接的要求進(jìn)行改變。建立動畫連接的基本步驟：1、創(chuàng)建或選擇連接對象。2、雙擊與變量相關(guān)的圖形對象，彈出動畫連接對話框。3、選擇對象想要進(jìn)行的連接。4、為鏈接定義輸入詳細(xì)資料。圖4-4 動畫連接4：最終的組態(tài)畫面如下圖所示：圖4-5 溫度單回路控制系統(tǒng)組態(tài)圖4.4 控制程序啟動時(shí)：Ts=20;

17、I=Ti/Ts;D=Td/Ts;ukp=0;uk1=0;ek1=0;ek11=0;ek12=0;運(yùn)行期間：if(自動開關(guān)=1) Ts=15; I=Ti/Ts; D=Td/Ts; a0=P*(1+1/I+D); a1=P*(1+2*D); a2=P*D; ek1=sp-溫度; ukp=a0*ek1-a1*ek11+a2*ek12+uk11; uk11=ukp; ek12=ek11; ek11=ek1;if(ukp<1000) if(ukp<0) uk1=0; elseuk1=ukp; elseuk1=1000;關(guān)閉時(shí)：ukp=0;uk1=0;ek1=0;ek11=0;ek12=0;5

18、 系統(tǒng)調(diào)試將系統(tǒng)按要求接線結(jié)束之后，檢查無誤后開始電源，進(jìn)入了組態(tài)的控制畫面，并且調(diào)入了PID的控制窗口， 根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理,其控制過程如下：閥門2打開,水泵啟動,閥門3關(guān)閉,加熱器對液體進(jìn)行加熱,溫度計(jì)儀表對液體溫度進(jìn)行檢測，反饋給調(diào)節(jié)閥門2進(jìn)行調(diào)節(jié),使液體溫度能又快又穩(wěn)達(dá)到給定值。液體溫度高于給定值時(shí)的控制過程閥門2打開，閥門3打開，水泵啟動，對加熱器進(jìn)行加水，使加熱器液體溫度下降到給定值設(shè)計(jì)心得光陰似箭，一周很快就過去了，在這短短的幾天時(shí)間里，通過自己的學(xué)習(xí)和努力終于完成了這篇課程設(shè)計(jì)。通過這次鍛煉，我對各專業(yè)課的知識有了更加清晰的認(rèn)識，并且對它們之間的聯(lián)系也有了更為深刻的理解。本次工業(yè)過程課程設(shè)計(jì)，以溫度單回路系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，基于組態(tài)王6.53作為監(jiān)控軟件，以PID調(diào)節(jié)規(guī)律作為控制算法，完成系統(tǒng)的控制要求。我是第一次使用組態(tài)王這個(gè)軟件，通過這次課程設(shè)計(jì)我已能夠掌握基本的使用組態(tài)王的方法。不過，由于組態(tài)王功能強(qiáng)大，還有很多地方我不明白怎么做，但是我相信，在以后的時(shí)間里，一定要練習(xí)幾次，爭取熟練掌握組態(tài)王的使用技巧。在這次課程設(shè)計(jì)過程中，我得到了老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的真誠的幫助，在此，對他們表示感謝，