基于组态软件的液位单回路过程控制系统设计.doc

工业过程控制
课程设计
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1

基于组态软件的液位单回路控制系统设计
摘要
根据实验题目与实验要求，确定切实可行的控制方案.正确选用仪器仪表，设计出一个液位单回路控制系统，采用单闭环控制结构和 PID 控制规 律，编辑正确的控制程序，设定合理的设定值、输出值和PID控制系数，得出正确的适时曲线图。
关键字：液位 单回路控制 PID控制 适时曲线图
目录
0引言.。。.。.。.。。。...。..。。.。.。。。。。。。。。。。。。..。.。。.。。。。.。。..。.。。。..。。。。 3
1设计目的与要求。..。.。..。..。。.。.。...。.。。...。。。。.。.。。.。。。。。.。.。。...。。 5
1.1 设计目的。。。。。。.。。.。。。..。。.。。...。..。..。。。。.。。..。。.。。...。。。。。。.。.。5
1。2 设计要求。...。.。。。。。。。.。。...。..。...。。。。...。。.。。。。。.。..。.。。。。。.。。。5
2 系统结构的设计。。。..。.。。..。。.。。...。。。。.。.。.。。。..。。。.。.。。。。。。。..。。.。5
2。1 控制方案。。..。.。.。。.。。。.。。。..。。.....。。.。.。..。。.。。。.。。。。。。.。。。。。5
2.2 控制结构示意图.。。.。。.。..。.。..。。。。。。..。。..。.。.。。....。。。。.。。。.。.6
3过程仪表及模块的选择.。。。。。.。。。.。。。。。。。..。。。。..。。。。。.。。。。。。。。.。.。。. 7
3。1.1液位传感器7
3。1。2电磁流量传感器7
3.1.3电动调节阀8
3。1。4水泵8
3.1。5变频器8
3。2模块的选择8
4系统安装接线设计8
5系统组态设计9
5。1系统组态流程图设计9
5。2组态画面设计10
5。2。1组态总体画面10
5.2。2数据词典10
5。2。3实时曲线。。。。。..。.。。.。。。.。...。。.。。..。.。..。。..。。。。。。。。.。. 10
5。3应用程序...。.。。。。...。。。。..。。。。。。。。...。。。。。。。.。。。.....。。..。.。. 11
6 设计心得。..。。。。.。.。。。。..。.。。。..。。...。。。.。。。.。。.。..。。。。..。..。.。.. 13
参考文献。.。.。.。。.。。。。。。。。。。。.。。。。。。.。。。。。。。。。。。。。.。。。.。。。.。。。。.。。。 14
附录A 单回路控制系统PID控制算法。.。。。.。..。。.。.。。。。。。。。.。。。.。。....。 15
附录B PID控制算法流程图..。.。.。..。.。。。。.。。。。。.。。。。.。。.。。。。。.。。。。.。。.16
0 引言
本设计是基于组态软件的液位单回路控制系统的设计。组态软件,指数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法,它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品,与高可靠的工控计算机和网络系统结合,可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。组态软件通常有以下几方面的功能： (1)强大的界面显示组态功能。目前，工控组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的m风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。丰富的图形控仵和工况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具,可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。 (2)良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬仵不可能出自一家公司的产品,“异构”是当今控制系统的主要特点之一.开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。 组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信. （3） 丰富的功能模块。提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场荽求。利用各种功能模块，完成实时监控 产生功能报表 业示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面,易于操作，系统既叫适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统． （4）强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据,如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换. （5）可编程的命令语言.有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序，增强图形界面 （6)周密的系统安全防范，对不同的操作者,赋予不同的操作权限,保证整个系统的安全可靠运行。 (7)仿真功能．提供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。
液位单回路控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域中都有广泛的应用。在工业生产过程中,有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使它能够高精度地保持在给定的数值。液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。液体的液位的自动控制，是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制, 微机控制有以下明显优势:
1)直观而集中的显示各运行参数,能显示液位状态.
2）在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控制参 数，可以方便的改变液位的上限、下限。
3） 具有液位控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面,操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误,提高生产过程的实时性、安全性等。综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。
1设计目的与要求
1。1设计目的
通过组态软件,结合实验室已有设备,按照定值系统的控制要求,根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。
1。2设计要求
1. 根据液位单回路过程控制系统的具体对象和控制要求,独立设计控制方案,正确选用过程仪表。
2. 根据液位单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。
3。 根据与计算机串行通讯的需要,正确选用RS485/RS232转换与通讯模块.
4. 运用组态软件,正确设计液位单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
5. 提交包括上述内容的课程设计报告。
2系统结构的设计
2。1控制方案
目前工业上常用的控制规律主要有：位式控制、比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等.简单控制系统一般是单回路控制系统，由于其结构简单并且能够满足大多数控制质量的要求,因此在生产过程控制中得到了广泛的应用,是生产过程控制中最基本的一种控制系统.一个单回路反馈系统是由测量变送器装置、控制器、和被控对象所组成,按其被控变量类型的不同可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等.
控制系统设计时针对某一特定生产对象进行的 ，当系统安装完成之后,控制效果主要取决于控制器的参数设定整定。选择合适的比例度、积分时间、微分时间是保证和提高系统控制质量的主要途径。
单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输出变量为水箱液位。单回路PID控制的被控制量是水位,控制量是进水门、出水门开度.通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的控制效果.
PID 调节器构成的闭环控制回路一般原理如图1 所示
控制系统方框图
控制规律选择:目前工业上常用的控制规律主要有：比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等.本方案采用比例积分微分控制。
比例控制—-克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。是最基本的控制规律。但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。使用于滞后较小、负荷变化不大、允许被控变量存在余差的场合.
比例积分控制——在比例作用下引用积分作用,虽然会使系统的稳定性降低,但没有余差。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、不允许被控变量存在余差的场合。
比例微分控制—-引入了微分作用，具有超前控制作用，在被控对象具有较大滞后时，会有效的改善控制质量。但对于滞后小干扰作用频繁，含有高频噪声的系统，将可能使系统产生振荡,甚至失控。
比例积分微分控制—-综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。
该方案的控制目标是使水位达到平衡状态，通过控制电动调节阀改变阀门开度,来控制流量的大小，从而来控制水位。选择阀门开度为控制量，水位为被控量。控制规律选择PID控制规律.
2。2控制结构示意图
流量变送器把得到的信号经A/D模块，把模拟信号转化成数字信号,送入计算机。此信号与给定值相比较得出偏差，通过D/A模块,把数字信号转化成模拟信号送给系统.系统根据反馈值调节阀门的开度。系统示意图如图2所示:
A/D
计算机
D/A
FT
系统示意图
3过程仪表以及模块的选择
3.1.1液位传感器的选择
液位传感器用来对上水箱和下水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影响，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输,采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。
3.1。2 电磁流量传感器
电磁流量传感器是对通过流量计水流流量实时监控，能够很准确地测定水流的流量。采用德国西门子KXV616型电磁流量传感器，测量准确、可靠性高、操作作简便等。
3。1。3．电动调节阀的选择
电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机,运行平稳,体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路.有输入控制信号4－20mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻,连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4－20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯,流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等特点。
3.1。4水泵的选择
丹麦格兰富循环水泵.噪音低,寿命长，功耗小，220V供电即可,在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。
3。1.5变频器的选择
三菱FR—S520变频器，4－20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠,操作方便，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率.可单相或三相供电，频率可高达200Hz。
3。2 模块的选择
本控制过程主要有A/D转化模块、D/A转化模块和开关I/O模块。过程模块采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成.A/D模块采用nudan7017；D/A模块采用nudan7024；通讯模块采用nudan7520.
4 系统安装接线设计
I/O接线：
实验中DA模块中
IO0为控制调节阀开度的控制通道，
IO1为可控硅的电压控制通道,
IO2为变频器的控制通道。
AD模块中
IN1为水箱液位的检测,
IN5是阀位反馈信号检测，
IN6是水泵出中水位信号检测
5系统组态设计
5.1系统组态流程图设计
根据测试要求,首先打开系统启动按钮,选择进入手动或自动状态（默认进入手动状态）,如果进入手动状态,则打开阀门,可以设定给定值SP和阀门开度控制Uk0来控制水箱水位,手动控制直到达到工艺要求；如果选择自动状态，打开所有阀门，设定给定SP，调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数进而控制阀门开度,直到上水箱液位恒定。工艺流程图如图4所示:
。
5。2 组态画面设计
5。2.1组态总体画面
5。2。2数据词典
5.2.3实时曲线
5。3 应用程序
PID运行程序
EI=SV-PV;
if（I1==0)
{Q1=0；｝
Q0=P1＊(EI—EI1);
if（I1！=0）
｛Q1=P1＊EI＊0.2/I1；｝
Q2=P1＊D1*（EI-2＊EI1+EI2)/0。2;
MX=Q0+Q1+Q2；
OP11=OP11+MX；
if（OP11〈0）
｛OP11=0；｝
if（OP11〉100）
{OP11=100；｝
EI2=EI1；
EI1=EI；
}
else
{MAN_OP1+MX；
MX=0；
if（OP11<0）
｛OP11=0;｝
if（OP11>100）
{OP11=100；}
设计心得
本设计是基于组态软件的液位单回路控制系统的设计，也就是利用组态软件进行对控制系统的开发和设计.首先，应当了解什么是组态软件，组态软件的功能和特性，因为自己毕竟是第一次接触这种设计软件.还要了解组态软件的各方面构成，自学组态软件的设计方法。其次，自己需要确定液位单回路控制系统的控制方案,与同组成员认真商量讨论后，确定比较好的控制方案。再次，认真绘制出控制系统 的示意图。然后，根据控制系统的示意图在软件开发系统的页面上绘制出控制系统的仿真系统图.最后,调整系统图的各方面构成，使之能够非常整洁、合理、美观实用。输入合理的设定值、积分系数、比例系数、微分系数等.分别进行手动控制和自动控制,得出比较合理的实时曲线.
这次课程设计，我真的是受益匪浅。这是第一次做设计，很多东西都不太明白,所以就得好好做好设计前的准备工作.在设计系统的的时候,还是有很多不明白的东西，我就和我的同组成员认真的讨论了一翻，然后得出了比较好的控制方案和设计方法。同时掌握了组态王软件的使用方法，知道了最基本的实验步骤和如何设计一个完好的过程控制系统。明白了许多控制系统中的控制规律和利用PID控制算法时的参数的设定方法等，还明白了如何选择合适的实验设备和实验仪器，什么样的流程图和组态图是合适的、标准的。
一次工业过程控制设计，就是一次工业控制理论与实践的结合，这是我们在课堂上所不能完全取得的收获。课堂老师所讲的是那些最基本的理论知识，这是我们做工业控制系统设计的理论基础。工业控制系统设计能够使我们将控制理论与控制实践好好地结合在一起,培养我们良好的理论联系实际的能力，让我们在今后的工作中能够更好的提出问题、发现问题、解决问题。从这次设计中,我们不仅获得了一些知识，学会了提出问题、发现问题、解决问题的方法,而且懂得了团结协作的重要性。总而言之，这次的工业过程控制我收获很大.
参考文献
[1]陈夕松，华成英．过程控制系统[M］．北京：科学出版社，2006
［2]熊新民．工业过程控制课程设计指导书，2008
［3］邵裕森．过程控制工程［M]．北京：机械工业出版社,2000
［4］姜重然．工控软件组态王简明教程［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007
[5］陶永华．新型PID控制及其应用［M］．北京:机械工业出版社，2000
［6］侯志林．过程控制与自动化仪表［M］．北京:机械工业出版社，1999
［7］组态王软件及其说明文件
附录A 单回路控制系统PID控制算法
根据流量单回路控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写语言实现PID控制算法。
本系统采用PID位置控制算法，其控制算式如下：
上述算式中,为比例系数，为积分时间,为微分时间，以 作为计算机的当前输出值，以sp作为给定值，pv作为反馈值即AD设备的转换值，作为偏差。PID控制算法流程图见附录B。
附录B PID控制算法流程图
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