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管道流量单回路控制系统设计与调试

管道流量单回路控制系统设计与调试

一、 控制目的
总体控制方案在保证安全、 可靠运行的情况下, 采用现代控制理论和方法, 实现计算机自动监控。并能够完成数据存储、 动态显示、 数据分析、 报表打印等功能。其稳定度、 控制精度、 响应速度达到设计要求根据设定的管道对象和其它配置, 运用计算机和InTouch组态软件, 设计一套监控系统, 并经过调试使得管道流量维持恒定或保持在一定误差范围内。
二、 性能要求
1． 要求管道流量恒定, 流量设定值SP自行给定。
2． 无扰时, 流量基本恒定, 由控制电动调节阀实现。
3． 有扰时: 改变变频器频率, 管道流量允许波动。
4． 预期性能: 响应曲线为衰减振荡; 允许存在一定误差; 调整时间尽可能短。
三、 方案设计及控制规律的选择
依据现有实验设备和装置,装置柜采用浙江大学求是公司PCT-III过程控制系统实验装置,含被控对象―水箱、 管道( 直径4公分) 、 仪表、 供水设备、 开关电磁阀和电动调节阀等。
. 控制台采用浙江大学求是公司PCT-III过程控制系统实验装置, 含接线端子、 485总线模块、 控制电源。
1．方案控制设计
本设计采用单回路反馈控制。经过比较反馈量和给定值的偏差, 利用反馈控制规律控制电动阀的打开和闭合, 如图2.1所示:

计算机
控制器
电动
调节阀
管道
流量检测
传感器
_
SP
P V
PV1

图2.1流量单回路控制系统方框图
2．PID控制规律
PID( Proportional Integral Derivative) 控制是控制工程中技术成熟、 应用广泛的一种控制策略, 经过长期的工程实践, 已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。它不但适用于数学模型已知的控制系统中, 而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。PID控制参数整定方便, 结构改变灵活, 在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。
随着计算机技术的迅速发展, 将PID控制数字化, 在计算机控制系统中实施数字PID控制, 已成为一个新的发展趋势。因此, PID控制是一种很重要、 很实用的控制规律。
比例控制、 积分控制和微分控制的组合称为比例加积分加微分控制。这种组合控制器综合了3种单独控制器各自的优点, 其控制作用由下式定义

比例加积分加微分控制器的传递函数为

PID控制在低频段主要起积分控制作用, 改进系统的稳态性能; 在中频段主要起微分控制作用, 提高系统的动态性能。
四、 仪表与模块的选择
4．1仪表选择
1. 液位传感器: 采用工业用ＤＢＹＧ扩散压力变送器, 精度０.５级, 二线制接法输出４～２０ｍＡ标准信号。
2. 电磁流量传感器: 对回路流量检测。依据本实验的特点, 采用工业用LDS-10S型电磁流量传感器, 公称直径10mm, 流量0~0.3m^3/h,压力1.6Mpmax, 4-20mA输出。
3．流量转换器: 采用LDZ-4型电磁流量转换器, 与LDS-10S型电磁流量传感器配套使用, 输入信号: 0-0.4mV输出信号: 4-20mA DC, 应许负载电阻0-750W, 基本误差: 输出量程的0.5%上下。
4．电动调节阀: 对控制回路流量进行调节, 采用德国ＰＳ公司的PSL202型智能电动调节阀, 无需伺服放大器, 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。输入控制信号４－２０ｍＡ及单相电源可控, 连线简单, 泄露量少。采用ＰＳ电子式直行程结构, ４－２０ｍＡ阀位反馈信号。
5．变频器: 三菱ＦＲ－Ｓ５２０变频器, ４－２０ｍＡ控制信号, 可对流量压力进行控制, 优点体积小, 功率小, 功能强。可单相或三相供电, 频率高达２００Ｈｚ
6．水泵: 采用丹麦格兰富循环水泵。噪声低, 寿命长, 功耗小, ２２０Ｖ供电。
4．2模块选择
1．牛顿７０００系列模块: 由远程数据采集模块和组态软件组成, 完全模拟工业环境, 先进性与实用性并举, 体积小, 可靠性高, Ｄ／Ａ７０２４模块４路模拟输出, 电流( ４－２０ｍＡ) 电压( １－５Ｖ) 均可, Ａ／Ｄ７０１７模块８路模拟输入电压( １－５Ｖ) , ４８５／２３２转换模块７０５２, 转换速度极高( ３００－１１５ＫＨｚ) 。
2．ＤＯ模块: ｎｕｄａｎ７０４３
3．电磁阀: 工作电压ＤＣ２４Ｖ
4．开关电源: ＤＣ２４Ｖ, 最大电流２Ａ。
五、 工艺流程图与系统组态图设计
5．1工艺流程图, 如图5-1所示

A/D
D/A
ＦＴ
计算机

图5-1 工艺流程图

5．2组态图, 如图5-2所示
ＯＵＴ
ＰＩＤ

手动 自动

Ｕ( Ｋ) -ＩＯ0
图5-2 组态图
六、 组态画面设计
6．1管道流量手动控制图, 如图6-1所示:

图6-1 管道流量手动控制图

6．2管道流量自动控制图, 如图6-2所示:

图6-2 管道流量自动控制图
6．3管道流量PID参数设定图, 如图6-3所示:

图6-3 管道流量PID参数设定图
6．4管道流量实时曲线图, 如图6-4所示:

图6-4 管道流量实时曲线图
6．5管道流量历史曲线图, 如图6-5所示:

图6-5 管道流量历史曲线图
七、 组态程序设计
由于PCT-III过程控制系统原由KINGVIEW组态软件控制且该设备的通信模块不支持MODBUS协议,因此在用InTouch作为监控软件时需要用OPCLINK应用程序作为桥梁使InTouch和KINGVIEW连接起来
InTouch并非与实验装置直接联系, 而是经过KINGVIEW与实物连接, 因此在InTouch标记名字典中项目名即为组态王中所对应项目的数据字典。
7.1标记名词典设计
标记名词典如表7-1所示:
图7-1标记名词典
标记名称
注释
类型
访问名
主题名
项目名
应用程序名
Flow
流量
I/O实型
AD
AD
AI2
MODBUS
Valve1
阀位
I/O实型
AD
AD
AI5
MODBUS
Pressure
压力
I/O实型
AD
AD
AI6
MODBUS
Uk
开度
I/O实型
DA
DA
AO0
MODBUS
VV1
电磁阀1
I/O离散
DO
DO
DO0
MODBUS
VV2
电磁阀4
I/O离散
DO
DO
DO3
MODBUS
DiscTag1

内存离散

DiscTag2

内存离散

SP

内存实型

KP

内存实型

TI

内存实型

TD

内存实型

PV

内存实型

EK0

内存实型

EK1

内存实型

EK2

内存实型

UKZL

内存实型

UKSet

内存实型

7.2建OPCLINK主题名:
1.启动OPCLINK;
2.配置TOPIC DEFINITION;
3.设置”topic”名称为JJP;
4.设置”OPC SERVER”为”kingview.view”, 其它为默认即可, 点击OK; 如图7-2所示;

图7-2
7.3在INTOUCH中建立访问名;
1.点击”配置”——”访问名”;
2.访问名与OPCLINK中访问名一致;
3.建立InTouch标记名与组态王变量名通讯联系,逐个选择InTouch里的I/O型标记名,定义访问名为JJP.如图7- 3所示, 项目名为组态王里的对应变量名, 离散型前面加d, 整型加i, 实型加r, 消息型加m, 全部变量加.value。注意每设置一个变量, 保存一次。如表7-4所示

图7-3
表7-4
标记名称
注释
类型
访问名
主题名
项目名
应用程序名
Flow
流量
I/O实型
JJP
JJP
rliuliang1.value
OPCLINK
Valve1
阀位
I/O实型
JJP
JJP
rfawei.value
OPCLINK
Pressure
压力
I/O实型
JJP
JJP
ryali.value
OPCLINK
Uk
开度
I/O实型
JJP
JJP
ruk0.value
OPCLINK
VV1
电磁阀1
I/O离散
JJP
JJP
dDO2.value
OPCLINK
VV2
电磁阀4
I/O离散
JJP
JJP
dDO14.value
OPCLINK
7.4脚本程序:( 见附录)
7.5程序流程图, 如图7-5所示

开始
实时监控/停止切换按钮是否按下?
手动/自动切换按钮是否按下?
是

PID控制
是

结束

手动控制
否

否

图7-5程序流程图
八、 安装接线
实验中DA模块中的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, IN0为上水箱液位的检测, IN1为下水箱液位的检测, IN5是阀位反馈信号检测, IN6是水泵出中压力信号检测。在DA模块中, 由于模块本身不能提供电源, 在控制时应串入24V直流电源, 输出电流信号控制执行器, AGND为DA模块公共地。由于变送器输出的都是电流信号, 而AD模块采集的是电压信号, 因此在AD通道折正负端并联一个250欧姆的电阻, 将电流信号转变为电压信号。
１. 上水箱液位的检测输出——A/D模块中, IN0通道输入。
２. 流量的输出检测——A/D模块中, IN2通道输入。
３. 阀位反馈信号检测输出——A/D模块中, IN5通道输入。
４. 水泵压力信号检测输出——A/D模块中, IN6通道输入。
５. 调节阀开度的控制输入——D/A模块中, IO0通道输出。
６. 模块之间用RS485总线相连, ( 2根信号线DATA+、 DATA-, 2根电源线+vs、 GND)
７. 模块与计算机通讯: RS232通讯总线。
８. 电磁阀VV1控制输入——DO模块中, DO2通道输入。
９. 电磁阀VV2控制输入——DO模块中, DO14通道输入。
九、 系统调试过程
1. InTouch是Wonderware FactorySuite的一个组成部分, 实际要完成一些大的工业项目, 还需要结合其它的软件, 如和设备通信的IO Server/OPCLINK. 在组态王与InTouch组态软件连接时, 一定要是它们之间所设置的访问名一致, 并要注意观察InTouch监控界面其工作状态显示情况。
2.手动控制时,点击手动控制按钮,电磁阀VV1、 VV2打开, 手动输入电动阀开度, 直接控制流量。
3.自动控制时, 采用上述PID控制算法。

十、 结果分析
1．计算机只输出控制增量, 误动作影响小。
2．在进行手动-自动切换时, 控制量冲击小, 能够平滑过度。
3．计算机的数值运算和输入输出需要一定的时间, 控制作用在时间上有延滞。
4．计算机有限字长和A/D, D/A转换器的转换精度使控制有误差。

十一、 心得体会
经过本次ASEA培训使我对过程控制设计的一般步骤有了更进一步的认识, 这其中包括硬件的选择和设计及软件的最优化设计等。一个工程项目的设计涉及到我们各方面各学科的知识, 它是一次对我们每个人的专业知识结构的全方位的考察。对ASEA培训我个人觉得主要是控制系统的设计。控制系统设计的步骤一般包括: 系统总体控制方案的设计; 微型计算机的选择; 控制算法的设计; 系统总体设计; 硬件设计; 软件设计; 系统联调等。这次培训本人收获颇多, 是一次难得的锻炼本人专业技能的机会。也对工业自动化有了一定的认识和了解, 经过这次培训让我对本专业有了更深刻的了解, 经过培训使我所学的理论知识应用到现实的生产过程中来, 也加深了我对理论和实践相结合这句的理解, 在学习好基础知识的同时, 要积极的参与到实践中来, 这样才能做到学有所用。同时, 也注意到学习不能为了学习而学习, 要积极思考, 把所学习的知识和实际情况联系起来。
经过这次培训, 使我增长了不少经验, 也进一步提高了我的技能水平, 也增加了我的信心。在培训过程中受到各位老师的多方指导, 学习了不少知识。在此, 对各位指导老师表示忠心的感谢, 感谢河南工业大学培训中心的所有工作人员, 是她们给了我这样一次难得的学习机会, 也要感谢自动化学会, 以及所有关心和支持此次培训的人。

附录
脚本程序:
显示时:
Uk = 0;
UkSet= 0;
KP = 20;
TI = 15;
TD = 0;
VV1 = 0;
VV2 = 0;
EK0=0;
EK1 = 0;
EK2 = 0;
SP=0;
显示期间: TS=500MS
IF (DiscTag1 AND DiscTag2)==1 THEN
VV1 = 1;
VV2 = 1;
UkZL = (KP + (KP / (2 * TI))) * EK0 - ((4 * KP * TD) +KP) * EK1 + 2 * KP* TD * EK2;
Uk=Uk+UkZL;
EK2 = EK1;
EK1 = EK 0SP - Flow;
EK 0= SP - Flow;
PV=Flow;
UkSet=Uk;
ELSE
IF( (DiscTag1==1) AND( DiscTag2==0))==1 THEN
PV=Flow;
Uk=UkSet;
KP=20;
TI=15;
TD=0;
ELSE
IF DiscTag1 == 0 THEN
PV =Flow;
UkSet = 0;
Uk = UkSet;
KP=20;
TI=15;
TD=0;
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
隐藏时:
Uk=0;
VV1=0;
VV2 = 0;