基于组态软件的双容液位单回路过程控制系统设计样本.doc

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过程控制系统
课程设计

题 目:基于组态软件的双容液位单回路控制系统设计
院系名称: 电气工程
专业班级: 自动化 1105
学生姓名: 李郡波
学 号: 23910811
指导教师: 马利 冯肖亮
设计地点: 31520
设计时间: 6月26日-7月6日
设计成绩: 指导教师:
本栏由指导教师根据大纲要求审核后, 填报成绩并签名。

过程控制课程设计任务书
学生姓名
李郡波
专业班级
自动化 1105
学号
1
题 目
基于组态软件的双容液位单回路过程控制系统设计
课题性质

课题来源
自拟题目
指导教师

主要内容
经过某种组态软件, 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双容液位单回路过程控制系统。
任务要求
1. 根据双容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. 根据双容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, 正确设计双容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。
主要参
考资料
[1] 组态王软件及其说明文件
[2] 邵裕森．过程控制工程．北京: 机械工业出版社
[3] 过程控制教材
[4] 辅导资料
审查意见

指导教师签字:
年 月 日

摘要
过程控制就是对工业生产过程的自动控制, 它采用测量仪表、 执行机构和计算机等自动化工具设计控制系统实现生产过程自动化。流量单回路控制系统就是采用计算机、 传感器等设备对水箱的水位进行控制使其带到预期的状态。组态王开发监控系统软件, 是新型的工业自动控制系统, 它以标准的工业计算机软、 硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

关键词: 过程控制 工业 流量 组态王

目 录

1 设计目的 1
2 控制要求 1
3 系统结构设计 1
3.1 控制方案 1
3.2 控制规律 2
3.3 过程仪表及过程模块 2
3.3.1 液位变送器 3
3.3.2 电动调节阀 4
3.3.3 变频器 5
3.3.4 水泵 6
3.3.5 模拟量采集模块 7
3.3.6 模拟量输出模块 7
3.3.7 通信转换模块 7
3.3.8 开关电源 8
3.4 硬件连接 8
4 系统组态设计 10
4.1 组态软件介绍 10
4.2 系统流程图 11
4.3 数据词典 12
4.4 组态画面 12
4.5 动画连接 13
4.6 PID 控制算法流程图 14
结 论 15
参 考 文 献 16
附录 程序代码 17

1 设计目的
（1） 加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。
( 2) 培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力。

2 控制要求
( 1) 能根据具体对象及控制要求, 独立设计控制方案, 正确选用过程仪表。
( 2) 能够根据过程控制系统A/D、 D/A和开关I/O的需要, 正确选用模块。
( 3) 能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) 能运用组态软件, 正确设计过程控制系统的组态图、 组态画面和组态控制程序。

3 系统结构设计
3.1 控制方案
串级控制系统是一种常见的复杂控制系统, 它是根据系统结构命名的。一、 基本原理: 它是由两个或者两个以上的控制器串联而成的, 一个控制器的输出是另一个控制器的的给定值。二、 结构: 整个系统包括两个控制回路, 即主回路和副回路。主回路有主控制器、 副回路、 主对象和主变送器构成; 而副回路由副控制器、 控制阀、 副对象和副变送器构成。三、  特点: 与简单控制系统相比, 串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路, 因此有以下特点(1)、 对于进入副回路的扰动具有较快、 较强的克服能力。(2)、 改进主控制器的广义对象的特性。(3)、 对符合和操作条件的变化有一定的自适应能力。(4)、 副回路能够按照主回路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。四、 应用场合: (1)、 用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰。(2)、 用于时滞较大的对象。(3)、 用于容量之后较大的对象。(4)、 用于克服对象的非线性。
本控制系统中, 被控参量有两个, 上水箱的液位和下水箱的液位, 这两个参量具有相关关系。上水箱的液位能够影响下水箱的液位, 根据上下水箱的液位相关关系, 故系统采用的串级控制。其中, 内环控制上水箱的液位, 外环控制下水箱的液位, 系统远行使下水箱的液位跟随给定值, 系统框图如下图3.1所示
计算机
计算机
调节阀
液位
液位
液位变送器
液位变送器
x1(t)
z1(t)
z2(t)
x1(t)
e(t)
u(t)
g(t)
f1(t)
f2(t)
q(t)
y(t)
－
－

图3.1　双容液位单回路控制系统框图
3.2 控制规律
本设计采用的是工业控制中最常见的PID控制规律, 内环与外环的控制算法采用PID算法, PID算法实现简单, 控制效果好, 系统稳定性好, 外环PID的输出作为内环的输入, 内环跟随外环的输出。在工程实际中, 应用最为广泛的调节器控制规律为比例、 积分、 微分控制, 简称PID控制, 又称PID调节。它结构简单, 参数易于调整, 在长期的应用中积累了丰富的经验。
其主要特点是: (1)技术成熟; PID调节是连续系统理论中技术最成熟、 应用最广泛的控制方法, 它的结构灵活, 不但可实现常规的PID调节, 而且还可根据系统的要求, 采用PI、 PD、 带死区的PID控制等; (2)不需求出系统的数学模型; (3)控制效果好。虽然计算机控制是非连续的, 但由于计算机的运算速度越来越快, 因此用数字PID完全可代替模拟调节器, 而且能得到比较满意的效果。
3.3 过程仪表及过程模块
本设计中共用到了以下过程仪表和过程模块:
3.3.1 液位变送器
液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测, 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, 低功耗精密器件, 稳定性和可靠性大大提高。可方便的与其它DDZ—IIIX型仪表互换配置, 并能直接交换同类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后, 分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。在零压力下调整零电位器。使输出电流为4mA
, 在满程压力下调整量程电位器, 使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级, 因为二线制, 故工作时需串联24V直流电源。液位传感器用来上水位箱和中水位箱的水位进行检测, 采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器, 精度为0.5级, 二线制4—20mA标准信号输出。

图3.2 液位传感器

图3.3压力传感器
3.3.2 电动调节阀
调节阀用于调节介质的流量、 压力和液位。根据调节部位信号, 自动控制阀门的开度, 从而达到介质流量、 压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、 气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节并一般分为直通单座式和直通双座式两种, 后者具有流通能力大、 不平衡办小和操作稳定的特点, 因此一般特别适用于大流量、 高压降和泄漏少的场合。德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀, PS系列电子式执行机构能够用于对管道的阀门和风门的调节及开与关的控制, 其主要特点如下:
一体化结构设计, 位置变送器和伺服放大器作为两个独立部件均可直接装入执行机构内部, 直接接受4—20mA的控制信号, 输出4—20mA或者1—5VDC的阀位反馈信号, 具有自诊断功能, 使用和调校十分方便。功能模块式结构设计, 经过不同可选择功能的组合, 实现从简单到复杂的控制, 满足不同的应用要求。
结构简单, 体积小巧, 重量轻, 便于安装和维护, 机械零件全部采用CNC加工部件, 工艺精湛。传动全部采用小齿隙密封齿轮, 具有效率高, 噪声低, 寿命长和稳定可靠, 无需再加油等特点。具有多种运行速度, 能够满足各种控制系统的要求, 以保证系统的快速响应及稳定性。
PSL系列同阀门的连接采用柔软盘黄连接, 可避免阀杆与输出轴不同轴给阀门带来的影响, 可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断, 防止泄露。PSQ系列有转矩开关保护, 可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步电机, 运行平稳, 具有体积小、 转矩大、 抗堵转、 控制精度高等特点。可设置分段调节, 即由一台调节器输出的双时间比例信号控制两台执行机构( 4—12mA对应PSL1的全开全闭, 12—20mA对应PSL2的全开全闭) 阀位反馈元件全密封高精度多圈电位器, 具有体积小、 精度高、 死区小、 使用寿命长等特点。行程可调, 便于与阀门连接。全部电器元件均采用世界名牌产品, 质量可靠, 使用时间长。
电器部件布线严谨并传动部件完全隔离, 提高执行机构运行性的可靠。

图3.4 电动调节阀
3.3.3 变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向, 随着电力电子技术的发展, 交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不但调速平滑, 范围大, 效率高, 启动电流小, 运行平稳, 而且节能效果明显, 因此应用越来越广泛。
三菱FR-S520变频器, 4-20控制输入信号, 可对流量或者压力进行控制, 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, 寿命长, 可外加电流控制, 也可经过本身旋钮控制频率。可单相或者三相供电, 频率可高达200HZ。

图3.5 变频器

3.3.4 水泵
水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。抽水的电动机泵一般把提升液体、 输送液体或使液体增加压力 , 即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。这里采用丹麦格兰富循环水泵。不会影响教师授课减少麻烦。功耗低, 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。

图3.6 水泵
3.3.5 模拟量采集模块
模拟量输入模块可测量多通道交流电压、 电流输入信号。测量精度: 0.2级。16位A/D循环采样, 采样速率: 3000次/S; 1.2倍量程可正确测量, 过载2倍量程输入1S不损坏; 隔离电压1000VDC。模拟量输出模块输出标准电流信号, 可用于驱动继电器、 开关等。这用A/D牛顿7017模块8路模拟电压( 1-5V)
3.3.6 模拟量输出模块
D/A牛顿7024模块4路模拟输出, 电流(4—20mA) 电压( 1—5V) 信号均可。
3.3.7 通信转换模块
485/232转换牛顿7520模块, 转换速度极高( 300—115KHz) , 232口可长距离传输。

图3.7 牛顿模块示意图
3.3.8 开关电源
DC24的开关电源, 最大电流为2A, 能够满足实验要求。
3.4 硬件连接
本系统中, D/A模块中的IO0接口为控制器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。A/D模块中, IN0为上水箱液位的检测, IN1为下水箱液位的检测, IN2为主流量的检测, IN3误为副流量的检测, IN4为温度信号的检测, IN5为阀位反馈信号的检测, IN6为水泵出口压力信号的检测。在D/A模块中, 由于模块本身不能提供电源, 因此在控制时应
串入24V直流电源, 输出电流信号控制执行器, AGND为D/A模块公共地。由于变送器输出的都是电流信号, 而A/D模块输出的都是电压信号, 因此在A/D通道的正负端并联一个250欧姆的电阻, 将电流信号转换成电压信号。
系统采用的液位变送器, 压力变送器都是二线制的, 在检测液位工作时要串入DC24V电源。连接图如图3.8所示:

图3.8 上水箱特性测试实验接线图

接线要求: ( I/O对应关系表)
( 1) 上水箱液位的检测输出----A/D模块中, IN0通道输入
( 2) 下水箱液位的检测输出----A/D模块中, IN1通道输入
( 3) 主流量的检测输出----A/D模块中, IN2通道输入
( 4) 副流量的检测输出----A/D模块中, IN3通道输入
( 5) 温度信号的检测输出----A/D模块中, IN4通道输入
( 6) 阀位反馈信号的检测输出----A/D模块中, IN5通道输入
( 7) 水泵出口压力信号检测输出----A/D模块中, IN6通道输入
( 8) 主调节阀开度的控制输入----D/A模块中的IO0通道输出
( 9) 可控硅的电压控制输入----D/A模块中的IO1通道输出
(10) 变频器的输入----D/A模块中的IO2通道输出
(11) 副调节阀开度的输入----D/A模块中的IO3通道输出
(12) 模块之间用RS485总线连接
(13) 模块与计算机通讯: RS232通讯总线。

4 系统组态设计
4.1 组态软件介绍
随着工业自动化水平的迅速提高, 计算机在工业领域的广泛应用, 人们对工业自动化的要求越来越高, 种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用, 使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时, 当工业被控对象一旦有变动, 就必须修改其控制系统的源程序, 导致其开发周期长; 已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低, 导致它的价格非常昂贵; 在修改工控软件的源程序时, 倘若原来的编程人员因工作变动而离去时, 则必须同其它人员或新手进行源程序的修改, 因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法, 因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题, 使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态, 完成最终的自动化控制工程。
　　组态( Configuration) 为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有( 1) 延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序, 当现场( 包括硬件设备或系统结构) 或用户需求发生改变时, 不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级; ( 2) 封装性( 易学易用) , 通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来, 对于用户, 不需掌握太多的编程语言技术( 甚至不需要编程技术) , 就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能; ( 3) 通用性, 每个用户根据工程实际情况, 利用通用组态软件提供的底层设备( PLC、 智能仪表、 智能模块、 板卡、 变频器等) 的I/O Driver、 开放式的数据库和画面制作工具, 就能完成一个具有动画效果、 实时数据处理、 历史数据和曲线并存、 具有多媒体功能和网络功能的工程, 不受行业限制。
　　最早开发的通用组态软件是DOS环境下的组态软件, 其特点是具有简单的人机界面( MMI) 、 图库、 绘图工具箱等基本功能。随着Windows的广泛应用, Windows环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件相比, 其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。国外许多优秀通用组态软件是在英文状态下开发的, 它具有应用时间长、 用户界面不理想、 不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、 组态软件本身费用和组态软件培训费用高昂等因素, 这些也正是国内通用组态软件在国内不能广泛应用的原因。随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高, 通用组态软件的市场需求日益增大。近年来, 一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。
4.2 系统流程图
系统流程图如图4.1所示:

图4.1 系统流程图

4.3 数据词典
数据词典如图4.3所示:

图4.3 数据词典

4.4 组态画面
在液位－液位PID控制系统中, 以液位为被控量。其中, 测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理; PID控制器是整个控制系统的核心, 它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节, 从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。
单回路调节系统能够满足大多数工业生产的要求, 只有在单回路调节系统不能满足生产更高要求的情况下, 才采用复杂的调节系统。
组态画面如图4.4所示, 其设计原理可见图4.1系统流程图。

图4.4 组态画面
4.5 动画连接
首先根据系统流程图在系统开发界面画好组态图面, 然后对各个器件逐一完成动画连接, 最后在工程浏览界面中的命令语言中输入程序, 即完成了动画。
如图4.5动画连接示例图1所示为, 系统未起动时的动画效果, 其中各参数均没有设定。图4.6动画连接示例图2与图4.7动画连接示例图3分别为系统运行时的动画连接图, 由于参数不同时所显示不同的动画效果和曲线。
当系统运行时, 首先设定PID调节参数, 根据要求设定给定值, 观察连接图, 根据需要调节PID参数。最给达到所要的稳定的控制效果。

4.6 PID 控制算法流程图
取sp , pv形成偏差e(k)
取a0 , e(k)做乘法
取a1 , e(k-1)做乘法

取a2 , e(k-2)做乘法
做a2e(k-2)减a1e(k-1)
做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)
做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)+u(k-1)
输出u(k)
数据传送: u(k)→u(k-1)
数据传送: e(k)→e(k-1)
e(k-1) →e(k-2)

图　 PID控制算法流程图

结 论
经过一个多星期的努力, 终于结束了课程设计,学会了好多东西, 特别是对组态王软件的认识与了解及应用,又会了一种功能强大的软件, 在此我非常感谢老师与同学们的支持与帮助。
而且学会了如何去设计一个过程控制系统, 掌握了基本的设计步骤。了解到, 一般情况下, 它都要经过一下几个步骤: 认知被控对象、 设计控制方案、 选择控制规律、 选择过程仪表、 选择过程模块、 设计系统流程图和组态图、 设计组态画面、 设计数据词典等, 直到最后的动画链接成功, 并达到控制要求。经过以上步骤, 我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会, 也学会了很多与设计相关的知识。

参 考 文 献
[1] 邵裕森. 过程控制工程[M]. 北京:机械工业出版社,
[2] 姜秀英. 过程控制系统实训[M]. 北京:化学工业出版社,
[3] 金以慧. 过程控制[M]. 清华大学出版,1993
[4] 孙洪程. 过程控制工业设计[M]. 化学工业出版社,
[5] 冯品如. 过程控制工程[M]. 中国轻工业出版社,1995
[6] 王爱广. 过程控制技术[M]. 化学工业出版社,
[7] 陈夕松. 过程控制系统[M]. 科学出版社,

附录 程序代码
if (\\本站点\主控开关 == 1)
{
\\本站点\水泵开关 = 1;

\\本站点\水流量大小=\\本站点\电动阀开度;
\\本站点\副水箱液位=\\本站点\水流量大小*\\本站点\时间/200-70*\\本站点\时间/200;
\\本站点\主水箱液位=\\本站点\副水箱液位*0.7*\\本站点\时间/200-7*\\本站点\时间/200;
\\本站点\时间=\\本站点\时间+1;

\\本站点\主回路偏差0=\\本站点\主水箱设定水位-\\本站点\主水箱液位;
\\本站点\主回路控制量=\\本站点\主水箱液位+\\本站点\主回路比例系数*((\\本站点\主回路偏差0-\\本站点\主回路偏差1)+\\本站点\主回路积分系数*\\本站点\主回路偏差0+\\本站点\主回路微分系数*(\\本站点\主回路偏差0-2*\\本站点\主回路偏差1+\\本站点\主回路偏差2));
\\本站点\主回路偏差1=\\本站点\主回路偏差0;
\\本站点\主回路偏差2=\\本站点\主回路偏差1;

\\本站点\副回路偏差0=\\本站点\主回路控制量-\\本站点\副水箱液位;
\\本站点\电动阀开度=\\本站点\副水箱液位+\\本站点\副回路比例系数*((\\本站点\副回路偏差0-\\本站点\副回路偏差1)+\\本站点\副回路积分系数*\\本站点\副回路偏差0+\\本站点\副回路微分系数*(\\本站点\副回路偏差0-2*\\本站点\副回路偏差1+\\本站点\副回路偏差2));
\\本站点\副回路偏差1=\\本站点\副回路偏差0;
\\本站点\副回路偏差2=\\本站点\副回路偏差1;
}
else
{
\\本站点\电动阀开度=0;
\\本站点\水泵开关 = 0;
\\本站点\时间=0;
\\本站点\水流量大小=0;
\\本站点\电动阀开度=0;
}