基于组态软件温度控制新版系统标准设计.doc

课 程 设 计基于组态软件温度控制系统设计学生姓名 ：张新方学 号 ：课程设计任务书分院（系）信息科学和工程学院专 业自动化学生姓名张新方学 号设计题目基于组态软件温度控制系统设计课程设计内容及要求：内容：选择一个适宜组态软件，使用试验室现有过程控制设备，结合串级控制系统控制要求和设计标准，合理选择PID控制规律，设计一个组态功效合理，画面美观，组态控制程序完善温度单回途经程控制系统。要求：1. 依据温度单回途经程控制系统具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选择过程仪表。2. 依据温度单回途经程控制系统A/D、D/A和开关I/O需要，正确选择过程模块。3. 利用组态软件，正确设计温度单回途经程控制系统组态图、组态画面和组态控制程序。进度及安排：（10天）第一周：查阅相关资料对设计内容进行一定程度上了解第1-2天：部署课程设计题目及任务，查找文件，资料，确定设计方案。第3-5天：查阅相关资料，了解所需要设计内容大约情况，确定课程设计大致框架。第二周：软，硬件设计，并进行调试第1-2天：硬件设计：选择PLC型号，设计系统步骤示意图，列出I/O分配表，画出I/O接线图。第3-4天：软件设计：利用STEP-7 Micro/WIN进行梯形图设计，并对设计程序进行调试。第5 天： 课程设计结果验收，针对课程设计题目进行答辩，最终完成课设设计汇报。 指导老师（签字）：年 月 日学院院长（签字）年 月 日目 录摘 要11 系统设计分析21.1 设计目标21.2设计要求21.3 设计内容22系统方案设计及控制规律选择22.1系统控制方案22.2 系统结构框图33仪表和模块选择43.1 仪器仪表选择43.2 模块选择54组态画面设计64.1组态王介绍64.2组态软件设计643 组态画面75 组态程序设计105.1 PID 控制算法105.2PID 控制算法步骤图115.3 PID脚本程序126组态王标识名字典137 系统调试过程14总 结16参 考 文 献17摘 要现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制关键应用于工厂中，比如钢铁水溶温度，不相同级钢铁要经过不一样温度铁水来实现，这么就可能有效利用温度控制来掌握所需要产品了。将单片机控制方法利用到温度控制系统中，能够克服温度控制系统中存在严重滞后现象，同时在提升采样频率基础上能够很大程度提升控制效果和控制精度。温度控制问题是一个工业生产中常常会碰到问题。本文以它为例进行介绍，期望能收到举一反三和触类旁通效果。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中全部用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大特点，那就是很高运行速度，很大内存，大量数据存放器。但随之而来是巨额成本。在很多小型系统中，处理机成本占系统成本百分比高达20%，而对于这些小型系统来说，配置一个如此高速处理机没有任何须需，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在意系统快速性，所以用成本低廉单片机控制小型，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算系统中是很适合。 伴随电子技术和应用需求发展，单片机技术得到了快速发展，在高集成度，高速度，低功耗和高性能方面取得了很大进展。伴伴随科学技术发展，电子技术有了更高飞跃，我们现在完全能够利用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们能够很轻易地做到多点温度检测，假如对此原理图稍加改善，我们还能够进行不一样地点实时温度检测和控制。1 系统设计分析1.1 设计目标利用组态软件“组态王King View6.53”，结合工业过程试验室已经有设备，根据定值系统控制要求，应用PID算法，自行设计，组成单回路温度控制系统，并整定现相关PID参数以使系统稳定运行，最终得到一个含有较美观组态画面和较完善组态控制程序温度单回路控制系统。1.2设计要求 利用电阻丝加热器对流经加热罐中水进行加热，使用组态软件实现控制监控，采取合理控制规律，是管道中流动水温度稳定在设定值周围，以达成整体系统稳定运行效果。水温测量范围为0100，测量精度1%。1.3 设计内容 利用组态软件“组态王6.53”，结合工业过程试验室已经有设备，根据流量比值控制系统控制要求，应用PID算法，自行设计，组成单回路闭环控制系统，并整定相关PID参数以使系统稳定运行，最终得到一个含有较美观组态画面和较完善组态控制程序温度单回路控制系统。2系统方案设计及控制规律选择2.1系统控制方案为了取得很好控制效果，基于组态软件温度单回途经程控制系统在系统设计时，采取PID控制规律。经过温度传感器将检测到实时温度值和温度设定值差值送入计算机，计算机利用PID算法得到对应控制信号，并将其输出给实施器，然后实施器调整加热器，以达成调整温度控制目标。2.2 系统结构框图依据控制要求，温度单回路控制系统控制参数是水温度，测量便采取温度传感器，被控参数是加热器功率，控制器是计算机，实施器是加热器，所以温度单回路控制系统结构框图图2-1所表示。计算机 控制器 电阻丝加热器 加热罐水温 水温检测 传感器 一 SP P T PT1 图2-1 温度单回路系统结构框图依据系统组成框图和组成仪表单元，得到系统步骤图图2-2所表示。计算机AD模块7017DA模块7024可控硅220VACTTCu50加热罐图2-2系统步骤图3仪表和模块选择3.1 仪器仪表选择3.1.1 温度传感器测量水温传感器采取电热阻Cu50。热电阻Cu50在50150测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大，测量精度越高，热赔偿性好，在过程控制领域使用广泛。系统采取三线制Cu50，温度信号经过变送单元转换成420mADC电流信号，便于计算机采集。3.1.2加热器采取电阻丝作为加热器件，采取可控硅移相触发单元调整电阻丝发烧功率，输入控制信号为420mA标准电流信号，其移相触发和输入控制电流成正比。输出交流电压来控制加热器电阻丝两端电压，从而控制加热罐温度。输入4mA电流时，加热器电阻丝两端温度为0V，输入为20mA电流时，加热器电阻丝两端温度为220V。3.1.3电动调整阀采取电动调整阀对控制回路水流量进行调整。采取德国PS企业进口PSL202型智能电动调整阀，无需配伺服放大器，驱动电路采取高性能稀土磁性材料制造同时电机运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元和实施机构一体化，可靠性高、操作方便，并可和计算机配套使用，组成最好调整回路。由输入控制信号420mA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调整，含有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少优点。采取PS电子式直行程实施机构，420mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量含有等百分比特征，直线特征和快开特征，阀门采取柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，确保阀门可靠关断预防泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。3.1.4其它设备在控制回路中所包含到设备还有水泵，变频器，电磁阀，开关电源等。水泵采取丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长，扬程可达10米，功耗小，220V即可供电，在水泵出水口装有压力变送器，和变频器一起可组成恒压供水系统。所用到电磁阀工作电源为DC24V，管段能力强，使用方便，结构简单。所采取24V开关电源最大电流为2A，满足系统需要。3.2 模块选择3.2.1 D/A A/D 模块选择采取牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统数据采集通讯过程模块。牛顿7000系列模块体积小，安装方便，可靠性高。D/A模块采取牛顿7024，四通道模拟输出模块，电流输出420mADC，电压输出15VDC，精度14位。使用7024模块1通道I01作为可控硅电压控制通道。A/D模块采取牛顿7017，八通道模拟输出模块，电压输入15VDC。使用7024模块4通道IN4作为温度信号检测输入通道。3.2.2 通信模块系统常见并行总线有RS232,RS485等。RS485更适合于多站连接，且距离传输较远，为小于1200米，是双端发双端收，在传输线上许可接驱动器和接收器数目较多，且数据传输速率较快，正因为它含有如此优点所以价格方面比较贵。而RS232通常适适用于短距离，为小于20米。是单端发单端收。对此试验来讲，距离很近，且RS232就可满足系统要求，从价格方面和其它方面考虑，本试验采取RS232通讯总线。通信模块采取牛顿7520，RS232转换485通讯模块。使用RS-232/RS485双向协议转换，速度为300115200BPS，可长距离传输。控制回路中电磁阀开关量输出模块采取牛顿7043，16通道非隔离集电极开路输出模块。最大集电极开路电压30V，每通道输出电流100mA，可直接驱动电磁阀设备。4组态画面设计4.1组态王介绍组态王是在PC机上建立工业控制对象人机接口一个智能软件包，该软件包从工业控制对象中采集数据，并统计在实时数据库中，同时负责把数据改变用动画方法想象得表示出来，还能够完成变量警报、操作统计、趋势曲线等监视功效，并按实际需要生成历史数据文件，它以Windows 98/Windows /Windows XP汉字操作系统为操作平台，采取了多线程、COM组态等新技术，实现了实时多任务。它含有丰富图库及图库开发工具，支持多种主流PLC、智能仪表、板卡和现场总线等工控产品；有一个类似C语言编程环境，便于处理多种算法和操作，还内嵌了很多函数供用户调用，实现多种功效。4.2组态软件设计在Windows XP环境下，控制系统软件以组态王6.01作为开发平台。整个监控系统实现数据采集，总体监视，相关参数实时在线调整，显示实时曲线，历史曲线等功效。4.2.1设备设置组态王对设备管理是经过对逻辑设备名管理实现，具体将就是每一个实际I/O设备全部必需在组态王中指定一个唯一逻辑名称，此逻辑设备名就对应着该I/O生产厂家、实际设备名称、设备通信方法、设备地址、和上位计算机通讯方法等信息内容。系统中和上位计算机进行数据交换外部设备关键是AD设备牛顿7017模块和DA设备牛顿7024模块。在组态王软件工程浏览器中，设置7017模块IN4通道和7024模块i01通道名称分别为AD和DA，和计算机COM1串口通信，通信地址分别为0和1。通信参数设置以下表所表示：表1 通信参数设置表设置项推荐值波特率9600数据位长度/位7停止位长度/位1奇偶校验位偶校验43 组态画面本系统绘制组态画面关键有开机画面，系统组成画面等。开机画面关键显示课题题目，制作人姓名，班级等相关信息。画面上设置有两个提醒按键，分别提醒操作员进入主界面或退出操作系统等。图系统主界面关键绘制温度单回路控制系统工艺组成图。包含水箱，管道，加热罐和阀门等设备和相关操作提醒按钮等。基于动画连接，主界面可实现自动，手动切换，和显示PID参数整定框和实时曲线框以方便操作员在线调整PID参数观察控制效果。组态画面设计大致步骤以下：1：创建一个新项目图4-1 新建项目2：创建一个新画面3：动画连接所谓动画连接，就是建立画面图素和数据库变量对应关系，建立动画连接后，依据数据库中变量改变，图形对象能够按动画连接要求进行改变。建立动画连接基础步骤：1创建或选择连接对象，2双击和变量相关图形对象，弹出动画连接对话框3选择对象想要进行连接4为链接定义输入具体资料图4-2 动画连接4：最终组态画面以下所表示：系统主界面以下图4-3所表示。 图4-3 温度单回路控制系统组态图图4-4 退出界面5 组态程序设计5.1 PID 控制算法PID是一个工业控制过程中应用较为广泛一个控制算法，它含有原理简单，易于实现，稳定性好，适用范围广，控制参数易于整定等优点。PID控制不需了解被控对象数学模型,只要依据经验调整控制器参数 ,便可取得满意结果。其不足之处是对被控参数改变比较敏感。不过经过软件编程方法实现PID控制 ,能够灵活地调整参数。 连续PID控制器也称百分比积分微分控制器，即过程控制是按误差百分比（P-ProportionAl）、积分（I-IntegrAl）和微分（D-DerivAtive）对系统进行控制。它控制规律数学模型以下： 式中，e(t)：调整器输入函数，即给定量和输出量偏u(t)：调整器输出函数。 将式展开，调整器输出函数可分成百分比部分、积分部分和微分部分，它们分别是: 百分比部分 百分比部分数学表示式是,p在百分比部分中，Kp是百分比系数，Kp越大，能够使系统过渡过程越快，快速消除静误差；但Kp过大，易使系统超调，产生振荡，造成不稳定。所以，此百分比系数应选择适宜，才能达成使系统过渡过程时间短而稳定效果。 其中： U控制器输出，百分比系数，e调整器输入偏差， 控制量基准。百分比作用：快速反应误差，但不能消除稳态误差，过大轻易引发不稳定 积分部分 积分部分数学表示式是从它数学表示式能够看出，要是系统误差存在，控制作用就会不停增加或降低，只有e(t)=0时，它积分才是一个不变常数，控制作用也就不会改变，积分部分作用是消除系统误差。积分时间常数选择对积分部分作用影响很大。较大，积分作用较弱，这时，系统消除误差所需时间会加长，调整过程慢；较小，积分作用增强，这时可能使系统过渡过程产生振荡，但能够较快地消除误差。 微分部分微分部分数学表示式是.位置式PID控制算法 5.2PID 控制算法步骤图取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5-1 PID控制算法步骤图5.3 PID脚本程序开启时：本站点Ts=20;本站点I=本站点Ti/本站点Ts;本站点D=本站点Td/本站点Ts;本站点ukp=0;本站点uk1=0;本站点ek1=0;本站点ek11=0;本站点ek12=0;运行期间：if(本站点自动开关=1) 本站点Ts=15; 本站点I=本站点Ti/本站点Ts; 本站点D=本站点Td/本站点Ts; 本站点a0=本站点P*(1+1/本站点I+本站点D); 本站点a1=本站点P*(1+2*本站点D); 本站点a2=本站点P*本站点D; 本站点ek1=本站点sp-本站点温度; 本站点ukp=本站点a0*本站点ek1-本站点a1*本站点ek11+本站点a2*本站点ek12+本站点uk11; 本站点uk11=本站点ukp; 本站点ek12=本站点ek11; 本站点ek11=本站点ek1;if(本站点ukp1000) if(本站点ukp0) 本站点uk1=0; else本站点uk1=本站点ukp; else本站点uk1=1000;关闭时：本站点ukp=0;本站点uk1=0;本站点ek1=0;本站点ek11=0;本站点ek12=0;6组态王标识名字典依据控制系统需要建立数据词典，方便确定内存变量和I/O数据，运算数据关系。只有在数据词典中定义变量才能在系统控制程序中使用。本系统中所包含到变量类型关键有AD，DA设备进行数据交换I/O实型变量，控制电磁阀开关I/O离散变量，用于定以开关动画连接内存离散变量，参于PID运算内存实型变量和实现多种动画效果所用到内存实型及内存整型变量等。具体参数词典以下表所表示。图6-1 数据词典7 系统调试过程将系统按要求接线结束以后，检验无误后开始电源，进入了组态控制画面，而且调入了PID控制窗口， 依据温度单回路控制系统原理,其控制过程以下：阀门2打开,水泵开启,阀门3关闭,加热器对液体进行加热,温度计仪表对液体温度进行检测，反馈给调整阀门2进行调整,使液体温度能又快又稳达成给定值。液体温度高于给定值时控制过程阀门2打开，阀门3打开，水泵开启，对加热器进行加水，使加热器液体温度下降到给定值实时曲线及历史统计曲线以下：图7-1 实时曲线图7-2 历史曲线总 结转眼间为期一个星期课程设计就结束了，在这短暂一周之中，经过自己不停地学习，不停地自我发觉、感到自己知识结构水平提出高了很多，对计算机控制方面知识掌握程度也加深了很多，对知识之间相互联络也有了更深了解；经过不停地提升自己认识水平和能力、不停地学习新方法、新思想、新思维方法、不停地改变自己人生观和方法论、感到自己不仅成长且成熟了很多；经过不停地把书本知识应用于实际，不停地把查阅到资料和文件中有用东西应用于实现，不停地把所学理论和方法应用于设计之中，从而提升了自己理论联络实际能力。此次工业过程课程设计，以温度单回路系统作为控制系统，基于组态王6.53作为监控软件，以PID调整规律作为控制算法，完成了系统控制要求，监控界面清楚美观，功效较为完善。这次设计从软件编写、调试到软硬件联机调试，我投入了大量时间和精力。经过此次课程设计，我对工业过程控制系统开发控制步骤有了全方面了解，初步了解了PID控制规律在实际控制工程中应用，很好做到了理论和实践结合，深入加深了对PID控制算法了解，除此之外，还对在实际工程中应用极为广泛组态王软件，这位我们以后工作打下了良好基础。课程设计是对大学所学课程一个高度综合。不管是基础知识还是专业知识全部被设计统一起来，使零碎知识系统化，形成了一个能力，这也是课程设计所要达成目标。人生路是漫长而曲折，在这漫长而曲折道路上需要自己不停努力和拼搏。作为一名大学生，要对未来要充满期盼，充满期望，要微笑着走人生每一步。“路漫漫其修远兮，我将上下而求索”。本设计及论文是在我指导老师亲切关心和悉心指导下完成。从课题选择到项目标最终完成，两位老师全部一直给我细心指导和不懈支持。在此谨向各老师致以真挚谢意和高尚敬意。参 考 文 献1 陈夕松，汪木兰过程控制系统北京：科学出版社，2 邵裕森过程控制工程北京：机械工业出版社，3 InTouch HMI9.5应用程序开发基础课程，Wonderware企业，4 马正午，周德兴过程可视化组态软件InTouch应用技术北京：机械工业出版社， 5 熊新民. 工业过程控制试验及课程设计指导书. 6 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，7陈夕松，汪木兰过程控制系统M北京科学出版社，.88施仁，刘文江过程控制M.北京：电子工业出版社，1991.179-184.9刘焕志，直接用D/A输出驱动固态继电器进温度控制M北京：电子工业出版社1996.41-4410陶永华，新型PID控制及其应用M北京：机械工业出版社，