基于组态软件的单闭环也为流量控制系统.doc

过程控制系统
课程设计

题 目: 基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计
院系名称： 电气工程学院
专业班级： 自动化1105
学生姓名： 金星宇
学 号： 201123910807

指导教师： 马利
设计地点： 31520
设计时间：
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。

工业过程控制课程设计任务书之
学生姓名
金星宇
专业班级
自动化1105
学号
201123910807
题 目
基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计
课题性质

课题来源
自拟题目
指导教师
马利
主要内容
通过某种组态软件，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，采用双闭环控制结构和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—流量串级过程控制系统。
任务要求
1. 根据液位-流量串级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-流量串级过程控制系统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-流量串级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2000
[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

随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。在这种情况下，简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求，因此就提出了串级控制方案。串级控制具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有很多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又极好的控制方法

。
关键词：控制系统  单回路  串级控制

目 录
1引言 1
2 系统结构设计 1
2.1控制方案 1
2.2 控制规律 2
3 过程控制仪表的选择 2
3.1 液位传感器 2
3.2 电磁流量传感器  电磁流量转换器 3
3.3 电动调节阀 3
3.4 变频器 4
3.5 水泵 5
3.6 模拟量采集模块 5
3.7 模拟量输出模块 6
3.8 通信转换模块 6
4 系统组态设计 6
4.1 系统工艺流程图 6
4.2 组态画面 7
4.3 数据字典 8
4.4 PID控制算法 9
设计心得 11
参考文献 13
附录A  系统脚本程序 14

1引言
制是根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程的自动化。过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送环节等组成。在工业过程控制系统中，单回路控制系统约占一半以上，但是单回路控制系统适用于控制要求不高的场合。对于某些控制要求比较高的场合，单回路控制系统却远远不能满足控制要求，因此就提出了串级控制系统。 
串级控制系统是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。与单回路控制系统相比，串级控制系统在结构上增加了一个副回路，对进入副回路的扰动有很强的抑制作用；同时由于副回路的存在，改善了系统的动态性能，提高了系统的工作频率，并且使系统具有一定的自适应能力。 
组态软件是应用软件中提供的工具、方法来完成工程中某一具体任务的软件。组态软件提供了监控层的软件平台和开发环境，通过灵活的组态方式，可以快速构建工业自动控制系统监控功能。同时，组态软件具有实时性和多任务性，可以在一台计算机上同时完成数据采集、信号数据处理，数据图像显示、人机对话、历史数据查询等多个任务。 
本设计利用过程仪表和计算机，结合组态王6.53软件设计人机交互界面，设计实现水箱液位—流量串级控制系统。同时，在组态软件中实现动画显示、实时曲线显示等功能。
2 系统结构设计
2.1控制方案
在本系统中，被控参量有两个，上水箱液位和管道流量，这两个参量具有联系，流量的大小可以影响上水箱的液位，根据流量与液位之间的关系，采用液位—流量串级控制，系统框图如图2.1所示。

图2.1
在图2.1中，副回路为流量控制回路，主回路为液位控制回路。主回路液位控制器的输出作为副回路流量控制器的设定值，副回路流量控制器的输出来控制调节阀的大小，控制管道流量的大小，进而控制上水箱液位。
2.2 控制规律
本设计采用工业过程控制中最常用的PID控制规律。在工程实际中，应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制，即PID控制，其结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了大量丰富的经验。主回路与副回路的控制算法均采用PID算法。PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。主回路PID的输出做为副回路的输入，副回路跟随主回路的输出。 
PID控制的技术成熟，结构灵活，不仅可以实现常规的PID调节，而且还可以根据系统要求，采用PI、PD带死区的PID控制等。PID控制不需要求出系统的数学模型，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完全可以代替模拟调节器，并且能够取得比较满意的效果。
3 过程控制仪表的选择 
3.1 液位传感器 
传感器用来对水箱液位进行测量检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力传感器。DBYG扩散硅压力传感器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性和可靠性高，可以方便的与其他DDZ—X型仪表互换配置。DBYG扩散硅压力传感器如图3.1所示。

图3.1  DBYG扩散硅压力传感器
使用时，要对其进行校验。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下检测输出电流。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，因为采用二线制，因此工作时需要串接24V直流电源。 
3.2 电磁流量传感器  电磁流量转换器 
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。根据本系统装置的特点，选用工业用的LDS—10S型电磁流量传感器，其公称直径为10mm，流量0—0.33
m/h，压力为1.6Mpamax，4—20mA标准信号输出。该传感器采用整体焊接结构，密封性能良好，结构简单可靠，内部无活动部件，抗干扰性能好，零点稳定。另外可与显示、记录仪表、计算器或者调节器配套，避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点。 
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。其输入信号为0—0.4mV，输出信号为4—20mADC，允许负载电阻为0—750Ω，基本误差为输出信号量程的0.5%。
3.3 电动调节阀  
调节阀用于对控制回路的流量进行调节，本设计选用PSL202型的智能电动调节阀，无需配置伺服放大器。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，外形如图3.2所示。
图3.2  PSL202型的智能电动调节阀
控制电路与电动执行机构一体化，可靠性好，操作方便，并可以与计算机配套使用，组成最佳调节回路。由输入控制信号4—20mA及单相电源即可控制运转，实现对流量的调节，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，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。 
3.4 变频器 
统选用三菱FR—S520变频器，输入控制信号为4—20mA，可以对流量或者压力进行控制。该变频器具有体积小，功率小，功能强大，运行稳定安全可靠等优点。同时，可以外加电流控制，也可以通过自身旋钮控制频率，可以单相或者三相供电，频率高达200Hz，如图3.3所示。

图3.3  变频器
3.5 水泵 
丹麦格兰富循环水泵，如图3.4所示。该水泵噪音低，寿命长，功率小。同时，支持220V电压供电，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  丹麦格兰富循环水泵
3.6 模拟量采集模块 
统采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集、输出和通讯过程模块。牛顿7000系列模块体积小，安装方便，可靠性高等优点，其外形如图3.5所示。
图3.5  牛顿7000系列模块
模拟量采集模块采用牛顿7017，该模块为八通道模拟输入模块，电压输入为1~5VDC。在连接过程中，使用7024模块的1通道IN1作为上水箱液位信号检测输入通道。 
3.7 模拟量输出模块 
量输出模块采用牛顿7024，该模块为四通道模拟输出模块，电流输出为4~20mADC，电压输出为1~5VDC。同时，使用7024模块的1通道I01作为管道流量的电压控制通道。 
3.8 通信转换模块 
模块采用牛顿7520，RS232转换485通讯模块。使用RS-232/RS485双向协议转换，转换速度为300~115200bps，可以进行长距离传输。 
4 系统组态设计
 4.1 系统工艺流程图 
液位—流量串级控制系统的工艺流程图如图4.1所示。 
副回路为流量检测，主回路为液位检测。主回路控制器的输出做为副回路控制器的设定值，副回路控制器的输出去控制调节阀，改变管道内水的流量，进而控制上水箱的液位。

图4.1  水箱液位—流量串级控制系统的工艺流程图
4.2 组态画面 
组态画面如图4.2，4.3,4.4所示。

图4.2

图4.3

图4.4
4.3 数据字典 
动画制作过程中的数据字典如表4.1所示。
可使用点数 64 已使用点数 9

本站点

$年
没有使用

$月
没有使用

$日
没有使用

$时
没有使用

$分
没有使用

$秒
没有使用

$日期
没有使用

$时间
没有使用

$用户名
没有使用

$访问权限
没有使用

$启动历史记录
没有使用

$启动报警记录
没有使用

$启动后台命令语言
没有使用

$新报警
没有使用

$双机热备状态
没有使用

$毫秒
没有使用

$网络状态
没有使用

管道流量
监控
(571
425) -- (641
472)

(830
195) -- (1340
374)

上水箱液位
监控
(830
195) -- (1340
374)

(32
274) -- (70
358)

(125
285) -- (178
341)

磁力泵
监控
(436
616) -- (482
631)

储水箱
监控
(248
594) -- (302
650)

(830
195) -- (1340
374)

(265
560) -- (281
575)

阀1
监控
(125
468) -- (160
497)

(148
321) -- (282
634)

阀2
监控
(358
584) -- (390
633)

(298
620) -- (452
634)

阀3
监控
(463
497) -- (494
543)

(158
296) -- (672
620)

阀4
监控
(298
274) -- (329
321)

液位
监控
(795
9) - (1317
177)
数据字典表4.1
4.4 PID控制算法 
液位—流量串级控制系统的原理，在“命令语言”中选择“应用程序命令语言”，运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写环境实现PID控制算法。 
PID调节器的动作规律是
(3.8)
或 (3.9)
式中、和参数意义与、调节器相同。 根据液位—流量串级控制系统的原理，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位置控制算式，其控制算式如下：
2)

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，以作为给定值，作为反馈值即设备的转换值作为偏差。控制算法流程图如图4.3所示。

图4.3 PID算法流程图

设计心得

时间过得很快，半个月的课程设计，我感觉时间不够用。同时，我学到了很多东西，很充实„„ 
刚开始的时候，我去图书馆查阅了很多资料，在对设计内容有一个详细的规划后，我首先投入的是组态设计这一块。因为之前没有接触过组态王，对其一无所知，所以就从零开始，查阅资料，学习视频教程。刚起步的时候，很多问题都摆在眼前，比如如何建立新的工程，如何设计变量，如何添加动画连接等等，这些我都不会。因此就按着视频教程，一步一步的慢慢看下去，先把视频教程上面的例子熟练掌握，然后再对本系统的整体画面进行设计。对我来说，画面动画设计是最困难、最耗费时间的一部分。特别是在考虑画面布局的时候，这个模块放在哪里比较合适，用什么样的颜色显得美观等等，必须进行不断的修改，才能布局出比较好的画面。往往是一两个小时过去了，自己却不知不觉。每一个模块布局之后，都要对其进行相应的动画连接。这个时候，连接的对象又是一个难题。有时候，连接对象错误，运行时的画面显示效果就与设计的不同，所以必须正确连接对象„„就这样，我用组态王6.53，自己设计布局画面，自己调试运行，经过将近一周的努力，最后终于设计出自己比较满意的画面。 
设计报告的程序流程图，我都是用Visio软件绘制的。绘制图形时，考虑最多的是整体的布局。每绘制一个图形，我往往都是一边绘制，一边调整布局。因为一个框图，如果绘制的不合理，系统的整体原理就显得很乱；而一个流程图如果布局不合理，程序的算法就无法在流程图中完美的展现出来。 
最后，感谢老师和同学们的帮助！在设计的过程中，老师给了我很多的指导，让我少走了很多弯路；在组态画面动画制作的过程中，同学也帮助我解决了很多问题，同时也提出了很好的布局方案。

参考文献 

【1】 陈夕松 汪木兰. 过程控制系统（第二版）.北京：科学出版社，2011.1
 【2】 周力尤 罗隆 谢雪芳．组态软件技术与应用．北京：电子工业出版社，
2012.5 
【3】 康华光．电子技术基础 模拟部分（第五版）．北京：高等教育出版社，2006 
【4】 阎石．数字电路技术基础（第五版）．北京：高等教育出版社，2006 
【5】 邱关源．电路（第五版）．北京：高等教育出版社，2006 
【6】 谭浩强．C程序设计（第四版）．北京：清华大学出版社，2010 
【7】 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社 
【8】张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）[M]．北京：国防工业出版社，2004 
【9】 冯博琴 吴宁．微型计算机原理与接口技术（第3版）．北京：清华大学出版社，2011.6 
【10】 朱玉玺 崔如春 邝小磊．计算机控制技术．北京：电子工业出版社，2010

附录A  系统脚本程序
启动时：
\\本站点\I1=\\本站点\T/\\本站点\Ti1;
\\本站点\D1=\\本站点\Td1/\\本站点\T;
\\本站点\uk1=0;
\\本站点\uk11=0;
\\本站点\ek1=0;
\\本站点\ek11=0;
\\本站点\ek12=0;
\\本站点\I2=\\本站点\T/\\本站点\Ti2;
\\本站点\D2=\\本站点\Td2/\\本站点\T;
\\本站点\uk2=0;
\\本站点\uk21=0;
\\本站点\ek2=0;
\\本站点\ek21=0;
\\本站点\ek22=0;

运行期间：
if
(\\本站点\自动开关==1)
{ \\本站点\T=15;
\\本站点\I1=\\本站点\T/\\本站点\Ti1;
\\本站点\D1=\\本站点\Td1/\\本站点\T;
\\本站点\q10=\\本站点\P1*(1+\\本站点\I1+\\本站点\D1);
\\本站点\q11=\\本站点\P1*(1+2*\\本站点\D1);
\\本站点\q12=\\本站点\P1*\\本站点\D1;
\\本站点\ek1=\\本站点\SV-\\本站点\上水箱液位;
\\本站点\uk1=\\本站点\q10*\\本站点\ek1-\\本站点\q11*\\本站点\ek11+\\本站点\q12*\\本站点\ek12+\\本站点\uk11;
\\本站点\uk11=\\本站点\uk1;
\\本站点\ek12=\\本站点\ek11;
\\本站点\ek11=\\本站点\ek1;
if
(\\本站点\uk1<1000)
{
if(\\本站点\uk1<0)
{\\本站点\uk11=0;}
else
{\\本站点\uk11=\\本站点\uk1;}
}
else
{\\本站点\uk11=1000;}
}

停止时：
\\本站点\uk1=0;
\\本站点\uk11=0;
\\本站点\ek1=0;

（空2行）
参 考 文 献（小3号黑体，居中）

[1] ×××××××（小4号宋体，行距18磅）×××××
[2] ××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××
[3] ××××××××××××××××××××××
…………
期刊类例如：
[a] 华罗庚，王元.论一致分布与近似分析[J].中国科学，1973（4）：339~357
图书类例如：
[b] 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础[M].北京：科学出版社，1985，447
外文类例如：
[c] Borko H，Bernier C L．Indexing concepts and methods .New York:Academic Pr,1978
…………

注：参考文献中的数字要与角注相对应。