组态软件双容液位单回路过程控制系统设计-大学论文.doc

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过程控制系统设计
院系名称： 电气工程学院
专业班级： 自动化F1208
学生姓名： 王志朋
学 号： 201223911301
指导教师： 马利
设计地点： 31520
设计时间： 2014.06.23-2014.07.04
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。

I

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 组态王

目 录
1 设计目的与要求 1
1.1 设计目的 1
1.2 设计要求 1
2 系统结构设计 2
2.1 控制方案 2
2.2 系统结构 2
3 过程仪表的选择 4
3.1 液位传感器 4
3.2 电磁流量传感器、电磁流量转换器 4
3.3 电动调节阀 5
3.4 变频器 6
3.5 水泵 7
3.6 过程模块的选择 8
3.6.1 A/D模块选择 8
3.6.2 D/A模块选择 8
3.6.3 通讯模块选择 9
3.7 开关电源 9
4 系统组态设计 9
4.1 系统组态图 9
4.2 组态画面 10
4.3 数据字典 12
4.4 动画连接 12
4.5 PID 控制算法流程图 14
设计心得 15
参 考 文 献 16
附录 程序代码 17

1 设计目的与要求
1.1 设计目的
工业生产过程的自动化程度在计算机技术、控制理论和控制技术迅速发展的推动下不断更新和发展。新的控制方法不断涌现，掌握一项较为流行的过程控制方法对今后的工作将有很大的帮助。通过设计，能加深对过程控制、计算机控制技术、检测技术、自动化仪表等自动化专业的主干专业课程的理解和认识，充分了解控制系统的构成，提高综合运用所学专业知识的能力，同时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，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。学会过程控制系统的设计方法，为今后实际的工程设计打下良好的基础。
1.2 设计要求
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。
对液位的测量范围和测量精度要求如下：
测量范围：
液位——0～450cm
测量精度：
液位<2%

2 系统结构设计
2.1 控制方案
本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律， PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。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，不仅可实现常规的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，并且能得到比较满意的效果。
2.2 系统结构
系统结构框图如图所示：

图2-1 系统组成框图

系统的总体结构流程图如下：
图2-2 系统总体结构流程图

3 过程仪表的选择
3.1 液位传感器
液位传感器用来对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、可靠性大大提高。可方便地与其它DDZ—X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。效验的方法时通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下检查输出电流。在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA，在满量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，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。液位传感器用来对上水箱和中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，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号出。

图3.1 液位传感器
3.2 电磁流量传感器、电磁流量转换器
单位时间内流过管道横截面的流体数量，称为瞬时流量。流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。流量的测量方式有：节流式流量计、电磁流量计、旋涡（涡街）流量计、其他流量计。电磁流量计的原理：根据法拉第电磁感应定律制成，用来测量管道中导电性液体体积流量。电磁流量计的感应电势与流量成线性关系。电磁流量计的测量管道内无节流部件，具有如下特点：不堵塞，可测带颗粒、纤维等杂质的导电液体；维护方便，寿命长；没有测量滞后现象。
根据本控制系统装置的特点，采用电磁流量计来测量流量，其传感器采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0—0.3立方米/小时，压力1.6Mpmax，4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表，计算器或调节器配套。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到系统的要求。主要优点：
(1)采用整体焊接结构，密封性能好；
(2)结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损坏；
(3)采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；
(4)仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽；
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—20mADC，允许负载电阻为0—750欧姆，基本误差：输出信号量程的±0.5%。
3.3 电动调节阀
调节阀由执行机构和调节机构（即阀体）两部分组成。执行机构分为三大类：气动、电动和液动。调节阀本质上是一个节流元件，通过改变阀芯行程从而改变调节阀的开度，达到控制流量的目的。气动和电动执行机构特点比较如下表：
类别
气动执行机构
电动执行机构
输入信号
20-100KPa
4-20mADC
结构
简单
复杂
体积
中
小
信号管线配置
较复杂
简单
推力
中
小
动作滞后
大
小
维修
简单
复杂
适用场合
适用于防火防爆场合
隔爆型才适用于防火防爆场合
价格
便宜
贵
表3-1 气动执行机构和电动执行机构特点比较
根据控制系统特点采用电动执行机构的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，泄露量少的优点。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住塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。

图3.2 电动调节阀

3.4 变频器
变频器是将频率、电压固定的交流电变换成频率、电压连续可调的三相交流电源。变频控制方法有标量控制、矢量控制和直接转矩控制。过程控制中多采用标量控制。
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，寿命长，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。

图3.3 变频器
3.5 水泵
采用丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长。功率小，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。

图3.4 水泵
3.6 过程模块的选择
当需要构成计算机控制系统时，过程控制的装置的数据采集和控制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，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举，具有体积小，安装方便，可靠性极高的优点。
3.6.1 A/D模块选择
选用的是A/D牛顿7017模块，具有8路模拟电压（1—5V）输入。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为副流量的检测，IN4为温度信号检测，IN5为阀位反馈信号检测，IN6为水泵出口压力信号检测。此模块采集的是电压信号，所以应在A/D通道的正负端并联一个250欧姆的电阻，将电流信号转变为电压信号。
3.6.2 D/A模块选择
选用的是D/A牛顿7024，具有模块4路模拟输出，电流（4—20mA）电压（1—5V）信号均可。
7024为四路输出，12 位DA分辨率，主要用于工业现场或其它分布式场合的模拟量输出。7024采用RS485通讯网路，将主机或由PC控制的远程主站点要求的模拟量按协议格式传输到分散的现场数据点经DA变换输出。
D/A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，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为公共地。
3.6.3 通讯模块选择
CAN是一种串行总线系统，特别适合智能工业设备网络和楼宇自动化控制系统。拥有高传输速度(高达1Mbps) 和可靠性， 可以高性能和高品质的来实现监控系统。基于实时和多主机的特性，可以帮助你很容易的建立冗余系统。为了能在通常的RS-232设备上使用CAN网络，7530 被设计成通过RS-232通讯方式释放CAN 的能量。它可以在CAN与RS-232 间精确的转换信息。7530可以通过PC或带RS-232端口的设备与CAN 设备通讯。通讯模块选用485/232转换牛顿7530模块，转换速度极高（300—115KHz），232口可长距离传输。
3.7 开关电源
采用DC24V的开关电源，最大电流为2A，可以满足设计的要求。
4 系统组态设计
4.1 系统组态图
系统组态图如图4-1所示：

　PID2
OUT
　PID1
LSB1
手动
自动
LSB2
PV2
U（K）
OUT
自动
手动

图4-1 系统组态图
4.2 组态画面
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。
单回路调节系统可以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4-2系统流程图。

图4-2 组态画面

4.3 数据字典
数据字典如图4-3所示：

图4-3 数据字典
4.4 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4-4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4-5动画连接示例图2为系统运行时的动画连接图，设置参数时所显示的动画效果和曲线。
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。

图4-4 动画连接示例图1

图4-5 动画连接示例图2
4.5 PID 控制算法流程图
本系统采用PID位置控制算式，其控制算式如下：

其中Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间， PID控制算法流程图如图4-6所示：
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4-6　 PID控制算法流程图

设计心得
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，尤其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。
通过此次设计，我掌握了单回路控制系统的构成。知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变送组成，并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。
对组态王软件也有了很大的了解，学会了初步的应用。认识到了组态王的一些应用情况，组态王软件的组成与功能，其应用程序项目如何建立，数据词典如何建立，动画如何进行链接，命令语言程序如何编写，趋势曲线如何建立，还有I/O设备的配置和组态网络的建立等等一系列与组态王软件应用相关的知识。 
总的来说，这次设计是一次收获很大的设计，学到了很多教学中学不到的东西，对我的动手能力有了很大的帮助。
在实际的工作岗位上，将要设计不同的控制系统，工业现场的过程控制系统不同于实验室中的控制系统的设计，更不同于书本中的理论和公式，要根据工业生产的实际情况进行设计，将面临远比实验室复杂的多的现场环境，设计系统未必是最先进的、最现代化，但必须是有效、可行、可靠。

参 考 文 献
[1] 邵裕森. 过程控制工程[M]. 北京:机械工业出版社,2000
[2] 姜秀英. 过程控制系统实训[M]. 北京:化学工业出版社,2007
[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,2001
[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,2005
[7] 陈夕松. 过程控制系统[M]. 科学出版社,2005

附录 程序代码
if(液位1>40)
{f3=(液位1-40)*Ti;
液位1=液位1-10*f3/100;
液位2=液位2+10*f3/100;}
if(液位2>Sp)
{f4=(液位2-Sp)*Ti;
液位2=液位2-20*f4/100-20*f3*(Td+1)/100;
液位3=液位3+20*f4/100+20*f3*(Td+1)/100;}

if(液位1==100 )
b1=0;
if(液位2==100)
b1=0;

if(b1==1)
c=1;
else
c=0;

if (c==0)
f1=0;
f2=0;
if(c==1)
{
{f2=Kp+20;
f1=100-f2;}
液位3=液位3-10;
液位2=液位2+10*f2/100;
液位1=液位1+10*f1/100;
}

b=10*f3;

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