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)

1、工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)課題: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)學(xué)院名稱(chēng):電氣工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí):學(xué)生姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師:設(shè)計(jì)地點(diǎn):中原路校區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)間:課程設(shè)計(jì)成績(jī):指導(dǎo)老師簽名:簽名:年月日工業(yè)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)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)工程設(shè)計(jì)課題來(lái)源自擬題目指導(dǎo)教師王偉生主要內(nèi)容通過(guò)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(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

2、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 組態(tài)王軟件及其說(shuō)明文件2 邵裕森.過(guò)程控制工程.北京:機(jī)械工業(yè)出版社20003 過(guò)程控制教材4 輔導(dǎo)資料審查意見(jiàn)指導(dǎo)教師簽字:年月日目錄1 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) (22.1 控制方案 (22.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3、(33 過(guò)程儀表選擇 (33.1 液位傳感器 (33.2 電磁流量傳感器 (33.3 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 (43.4 水泵 (43.5 變頻器 (43.6 模塊選擇 (54 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì) (64.1工藝流程圖與系統(tǒng)組態(tài)圖設(shè)計(jì) (64.2 組態(tài)畫(huà)面 (74.3 數(shù)據(jù)字典 (74.4 應(yīng)用程序 (84.5 動(dòng)畫(huà)連接 (9總結(jié) (10致謝 (11參考文獻(xiàn) (12附錄A 流量比值控制系統(tǒng)PID控制算法 (13附錄B PID控制算法流程圖 (141 設(shè)計(jì)目的與要求1.1 設(shè)計(jì)目的通過(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

4、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)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)2.1 控制方案整個(gè)過(guò)程控制系統(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(見(jiàn)附

5、錄A和附錄B,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2.2所示。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)流程圖如圖2.1所示。FTHB計(jì)算機(jī)上水箱儲(chǔ)水箱下水箱FT水泵流量單回路控制系統(tǒng)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(guò)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(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)

6、控制系統(tǒng),如下圖2.2.計(jì)算機(jī)控制器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥管道流量檢測(cè)傳感器_PVSPPV1圖2.2 流量單回路控制系統(tǒng)框圖3 過(guò)程儀表選擇3.1 液位傳感器液位傳感器用來(lái)對(duì)上水為水箱的壓力進(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)低耗精密器件,穩(wěn)定性、可靠性大大提高?？煞奖愕呐c其他DDZ3X型儀表互換配置,并能直接替換進(jìn)口同類(lèi)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(mǎn)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(mǎn)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(jí),因?yàn)闉槎€制,故工作時(shí)需串24V直流電

7、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。3.2 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)用的LDS-10S型電磁流量傳感器,公稱(chēng)直徑10mm,流量0.03m3/h,壓力1.6Mpmax,4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出?？膳c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

8、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%。3.3 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)。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

9、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)。3.4 水泵采用丹麥蘭富循環(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,與變送器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。3.5 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

10、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?？蓡蜗嗷蛉喙╇?頻率可高達(dá)200Hz。3.6 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,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7017模塊。8路模擬電壓(15V輸入。3 DO模塊:采用牛頓7043模塊。4通訊模塊:采用牛頓7520轉(zhuǎn)換模塊。485/2

11、32轉(zhuǎn)換模塊,轉(zhuǎn)換速度極高(300115KHz,232口可長(zhǎng)距離。4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)組態(tài)王是運(yùn)行在Windows98/NT/2000上的一種組態(tài)軟件。使用組態(tài)王,用戶(hù)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)控系統(tǒng)”,在任何需要的時(shí)候把生產(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)?既可以節(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

12、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)。4.1工藝流程圖與系統(tǒng)組態(tài)圖設(shè)計(jì)A/D FT 計(jì)算機(jī)D/AU(k-IO0自動(dòng)手動(dòng)PV(IN2LSP圖4.1.1 工藝流程圖圖4.1.2 系統(tǒng)組態(tài)圖設(shè)計(jì)4.2 組態(tài)畫(huà)面 4.3 數(shù)據(jù)字典 4.4 應(yīng)用程序if(iokz=1ioS=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-

13、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=本站點(diǎn)ek01;本站點(diǎn)ek01=本站點(diǎn)ek0;if(本站點(diǎn)uk<1000if(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;4.5 動(dòng)畫(huà)連接 總結(jié)通過(guò)此次流量單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),讓我對(duì)過(guò)程設(shè)計(jì)這門(mén)課有了更深的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí),同時(shí)也對(duì)如何設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程有了一定的了解。首先,掌握了流量單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成,并學(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:認(rèn)知被控對(duì)象、設(shè)計(jì)控制方案、選擇控制規(guī)

14、律、選擇過(guò)程儀表、選擇過(guò)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(huà)面、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)詞典等,直到最后的動(dòng)畫(huà)鏈接成功,并達(dá)到控制要求。當(dāng)然在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,我也遇到了一些問(wèn)題:一、前期工作沒(méi)準(zhǔn)備好,導(dǎo)致開(kāi)始思路不明確,經(jīng)常修改設(shè)計(jì)方案。二、組態(tài)王軟件運(yùn)用不熟練,部分圖形選用反復(fù)調(diào)整。三、PID參數(shù)整定完全用試湊發(fā),花費(fèi)大量時(shí)間在參數(shù)匹配上。四、不夠細(xì)心,由于忽略一些細(xì)節(jié),導(dǎo)致結(jié)果偏差較大。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì),讓我積累了獨(dú)立完成一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),這會(huì)對(duì)我以后的學(xué)習(xí)會(huì)有更大的幫助。致謝本課題在選題及進(jìn)行過(guò)程中得到老師的悉心指導(dǎo)。首先感謝老師,在老師的幫助下這次基于組態(tài)軟件的流量單回路過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)很

15、順利的完成了,在此,謹(jǐn)向老師致以誠(chéng)摯的謝意。雖然說(shuō)沒(méi)有什么創(chuàng)新點(diǎn),但是確實(shí)一個(gè)比較完整的設(shè)計(jì)。能這么好的完成,離不開(kāi)學(xué)院能給我提供這么好的設(shè)計(jì)環(huán)境和教育的原因,當(dāng)然與期間這么多熱心朋友的幫助是離不開(kāi)的。首先是老師的指導(dǎo),期間有好多關(guān)鍵性的問(wèn)題,都是因?yàn)橛欣蠋煹闹笇?dǎo),所以都能很快的解決。在此,我表示深深的謝意。其次,是我的同組成員趙志強(qiáng)和麻少磊同學(xué),是他們和我共同的努力下才有了今天設(shè)計(jì)的完成,對(duì)此,我也要表示感謝。最后,在設(shè)計(jì)時(shí),同宿舍的同學(xué)也給了我一定幫助,有好多時(shí)候不經(jīng)意的一個(gè)提醒,幫我解決了不少的問(wèn)題,對(duì)此也表示感謝。參考文獻(xiàn)1劉伯春,智能PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用J.電氣自動(dòng)化,1995,

16、18-212施仁,劉文江.過(guò)程控制M.北京:電子工業(yè)出版社,1991.179-184.3郭鎖鳳,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)M.北京:航空工業(yè)出版社,19874劉煥志,直接用D/A輸出驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器進(jìn)溫度控制M.北京:電子工業(yè)出版社1996.41-445陶永華,新型PID控制及其應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20006劉伯春,智能自整定PID調(diào)節(jié)器的進(jìn)展J.化工自動(dòng)化及儀表。1993,21(3:46-497侯志林,過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19998梁軍,符雪桐,呂勇哉,自適應(yīng)PID控制-基本原理與算法J.浙江大學(xué)學(xué)報(bào), 1994,28(5:523-5299陳夕松,汪木蘭.過(guò)程控制系統(tǒng)M.北京.科學(xué)出版社,2005.810謝新民,具有專(zhuān)家系統(tǒng)的PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)器J.自動(dòng)化與儀器儀表,1992(44-711組態(tài)王軟件及其說(shuō)明文件附錄 A 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(lèi)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，其控制算式如下： u (k = u (k 1 + K P (1 + T TD 2T T + e(k K P (1 + D