基于組態(tài)軟件的液位—流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目:基于組態(tài)軟件的液位流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系名稱： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 設(shè)計(jì)時間： 設(shè)計(jì)成績： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)成績： 7.8 指導(dǎo)教師： 學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號題 目基于組態(tài)軟件的液位流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題性質(zhì)課題來源自擬題目指導(dǎo)教師主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的液位流量串級過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)液位流量串級過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案

2、，正確選用過程儀表。2. 根據(jù)液位流量串級過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。3. 根據(jù)與計(jì)算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4. 運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)液位流量串級過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。5. 提交包括上述內(nèi)容的課程設(shè)計(jì)報告。主要參考資料1 組態(tài)王軟件及其說明文件2 邵裕森過程控制工程北京：機(jī)械工業(yè)出版社20003 過程控制教材4 輔導(dǎo)資料摘 要隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方向發(fā)展，對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)提出了越來越高的要求。在這種情況下，簡單的單回路控制系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足一些復(fù)雜的控制要求，因此就提出

3、了串級控制方案。串級控制具有單回路控制系統(tǒng)的全部功能，而且還具有很多單回路控制系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點(diǎn)。因此，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量一般都比單回路控制系統(tǒng)好，而且串級控制系統(tǒng)利用一般常規(guī)儀表就能夠?qū)崿F(xiàn)，所以，串級控制是一種易于實(shí)現(xiàn)且效果又極好的控制方法。單回路控制系統(tǒng)是過程控制中結(jié)構(gòu)最簡單的一種形式，它只用一個調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器也只有一個輸入信號，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個閉環(huán)。在大多數(shù)情況下，這種簡單系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的要求。但有些調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性雖然并不復(fù)雜，但控制的任務(wù)卻比較特殊，則單回路控制系統(tǒng)就無能為力了。另外，隨著生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方向發(fā)展，對操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)

4、系更加復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，對能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制。為此，需要在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，而串級控制系統(tǒng)就是其中一種改善和提高控制品質(zhì)的極為有效的控制系統(tǒng)。液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的 兩個參數(shù)，對液位和流量進(jìn)行控制的裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的十分普遍。液位的時間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用單回路控制系統(tǒng)來控制，可能無法達(dá)到較好的控制質(zhì)量。而串級控制系統(tǒng)可以用一般常規(guī)儀表來實(shí)現(xiàn)，成本增加也不大，卻可以起到十分明顯的提高控制質(zhì)量的效果，因此往往采用串級控制系統(tǒng)對液位進(jìn)行控制。一般情況下，流量是影響液位的主要因素，其時間常

5、數(shù)較小，將它納入副回路進(jìn)行控制，不僅有效地克服了流量對液位造成的干擾，而且使系統(tǒng)工作頻率提高，能夠?qū)σ何粚?shí)行較快的控制。關(guān)鍵詞： 控制系統(tǒng) 單回路 串級控制目 錄1 引言52 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)52.1控制方案 52.2 控制規(guī)律63 過程控制儀表的選擇73.1 液位傳感器73.2 電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器73.3 電動調(diào)節(jié)閥73.4 變頻器83.5 水泵83.6 模擬量采集模塊83.7 模擬量輸出模塊83.8 通信轉(zhuǎn)換模塊84 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)94.1 系統(tǒng)工藝流程圖9 4.2 組態(tài)連接94.3 組態(tài)畫面 104.4 數(shù)據(jù)字典 114.5 PID控制算法 12設(shè)計(jì)心得14參考文獻(xiàn)15附錄A 系統(tǒng)腳本程序

6、161 引言過程控制是根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，采用測量儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化。過程控制系統(tǒng)一般由控制器、執(zhí)行器、被控過程和測量變送環(huán)節(jié)等組成。在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，單回路控制系統(tǒng)約占一半以上，但是單回路控制系統(tǒng)適用于控制要求不高的場合。對于某些控制要求比較高的場合，單回路控制系統(tǒng)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足控制要求，因此就提出了串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)是采用兩個控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出去操縱調(diào)節(jié)閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果。與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個

7、副回路，對進(jìn)入副回路的擾動有很強(qiáng)的抑制作用；同時由于副回路的存在，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的工作頻率，并且使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。組態(tài)軟件是應(yīng)用軟件中提供的工具、方法來完成工程中某一具體任務(wù)的軟件。組態(tài)軟件提供了監(jiān)控層的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，通過靈活的組態(tài)方式，可以快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能。同時，組態(tài)軟件具有實(shí)時性和多任務(wù)性，可以在一臺計(jì)算機(jī)上同時完成數(shù)據(jù)采集、信號數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)圖像顯示、人機(jī)對話、歷史數(shù)據(jù)查詢等多個任務(wù)。本設(shè)計(jì)利用過程儀表和計(jì)算機(jī)，結(jié)合組態(tài)王6.53軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水箱液位流量串級控制系統(tǒng)。同時，在組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)動畫顯示、實(shí)時曲線顯示等功能。2

8、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1控制方案在本系統(tǒng)中，被控參量有兩個，上水箱液位和管道流量，這兩個參量具有聯(lián)系，流量的大小可以影響上水箱的液位，根據(jù)流量與液位之間的關(guān)系，采用液位流量串級控制，系統(tǒng)框圖如圖2.1所示:圖2.1 液位流量串級控制系統(tǒng)框圖在圖2.1中，副回路為流量控制回路，主回路為液位控制回路。主回路液位控制器的輸出作為副回路流量控制器的設(shè)定值，副回路流量控制器的輸出來控制調(diào)節(jié)閥的大小，控制管道流量的大小，進(jìn)而控制上水箱液位。2.2 控制規(guī)律本設(shè)計(jì)采用工業(yè)過程控制中最常用的PID控制規(guī)律。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分和微分控制，即PID控制，其結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長

9、期的應(yīng)用中積累了大量豐富的經(jīng)驗(yàn)。主回路與副回路的控制算法均采用PID算法。PID算法實(shí)現(xiàn)簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。主回路PID的輸出做為副回路的輸入，副回路跟隨主回路的輸出。PID控制的技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且還可以根據(jù)系統(tǒng)要求，采用PI、PD、帶死區(qū)的PID控制等。PID控制不需要求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，控制效果好。雖然計(jì)算機(jī)控制是非連續(xù)的，但由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來越快，因此用數(shù)字PID完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能夠取得比較滿意的效果。3 過程控制儀表的選擇3.1 液位傳感器液位傳感器用來對水箱液位進(jìn)行測量檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力傳感器。DBY

10、G擴(kuò)散硅壓力傳感器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，采用高品質(zhì)、低功耗的精密器件，穩(wěn)定性和可靠性高，可以方便的與其他DDZX型儀表互換配置。 使用時，要對其進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)的方法是通電預(yù)熱15分鐘后，分別在零壓力和滿量程壓力下檢測輸出電流。在零壓力下調(diào)整零電位器，使輸出電流為4mA；在滿量程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級，因?yàn)椴捎枚€制，因此工作時需要串接24V直流電源。3.2 電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器流量傳感器用來對電動調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進(jìn)行檢測。根據(jù)本系統(tǒng)裝置的特點(diǎn)，選用工業(yè)用的LDS10S型電磁流量傳感器，其公稱直徑為10mm，流量00.3/h，壓力為1

11、.6Mpamax，420mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。該傳感器采用整體焊接結(jié)構(gòu)，密封性能良好，結(jié)構(gòu)簡單可靠，內(nèi)部無活動部件，抗干擾性能好，零點(diǎn)穩(wěn)定。另外，可與顯示、記錄儀表、計(jì)算器或者調(diào)節(jié)器配套，避免了渦輪流量計(jì)非線性與死區(qū)大的致命缺點(diǎn)。流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ4型電磁流量轉(zhuǎn)換器，與LDS10S型電磁流量傳感器配套使用。其輸入信號為00.4mV，輸出信號為420mADC，允許負(fù)載電阻為0750，基本誤差為輸出信號量程的0.5%。3.3 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥用于對控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)選用PSL202型的智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配置伺服放大器。驅(qū)動電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)，體積小，

12、力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高. 控制電路與電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性好，操作方便，并可以與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。由輸入控制信號420mA及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，420mA閥位反饋信號輸出，流量具有等百分比特性、直線特性和快開特性，閥門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷，防止泄露。3.4 變頻器本系統(tǒng)選用三菱FRS520變頻器，輸入控制信號為420mA，可以對流量或者壓力進(jìn)行控制。該變頻器具有體積小，功率小，功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。同時，可以外加電流控制，也可以通

13、過自身旋鈕控制頻率，可以單相或者三相供電，頻率高達(dá)200Hz.3.5 水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。該水泵噪音低，壽命長，功率小。同時，支持220V電壓供電，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。3.6 模擬量采集模塊本系統(tǒng)采用牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、輸出和通訊過程模塊。牛頓7000系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn).模擬量采集模塊采用牛頓7017，該模塊為八通道模擬輸入模塊，電壓輸入為15VDC。在連接過程中，使用7024模塊的1通道IN1作為上水箱液位信號檢測輸入通道。3.7 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊采用牛頓7024，該模

14、塊為四通道模擬輸出模塊，電流輸出為420mADC，電壓輸出為15VDC。同時，使用7024模塊的1通道I01作為管道流量的電壓控制通道。3.8 通信轉(zhuǎn)換模塊通信模塊采用牛頓7520，RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為300115200bps，可以進(jìn)行長距離傳輸。4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)工藝流程圖水箱液位流量串級控制系統(tǒng)的工藝流程圖如圖4.1所示:圖4.1 水箱液位流量串級控制系統(tǒng)的工藝流程圖副回路為流量檢測，主回路為液位檢測。主回路控制器的輸出做為副回路控制器的設(shè)定值，副回路控制器的輸出去控制調(diào)節(jié)閥，改變管道內(nèi)水的流量，進(jìn)而控制上水箱的液位。

15、4.2 組態(tài)連接 首先根據(jù)系統(tǒng)流程圖在系統(tǒng)開發(fā)界面畫好組態(tài)圖面，然后對各個器件逐一完成動畫連接，最后在工程瀏覽界面中的命令語言中輸入程序，即完成了動畫。 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，首先設(shè)定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)要求設(shè)定給定值，觀察連接圖，根據(jù)需要調(diào)節(jié)PID參數(shù)。最給達(dá)到所要的穩(wěn)定的控制效果。4.3 組態(tài)畫面系統(tǒng)組態(tài)畫面如圖4.2所示：圖4.2 系統(tǒng)組態(tài)畫面4.4 數(shù)據(jù)字典系統(tǒng)動畫制作過程中的數(shù)據(jù)字典如表4.1所示：數(shù)據(jù)字典如表4.1：變量名變量類型連接設(shè)備寄存器管道流量I/O實(shí)型A/D上水箱液位I/O實(shí)型A/D磁力泵I/O離散仿真PLCCommErr閥1I/O離散仿真PLCCommErr閥2I/O離散仿真P

16、LCCommErr閥3I/O離散仿真PLCCommErr閥4I/O離散仿真PLCCommErr儲水箱I/O實(shí)型仿真PLCRADOM101電動調(diào)節(jié)閥I/O實(shí)型D/ARADOM105P1內(nèi)存整型I1內(nèi)存整型D1內(nèi)存整型P2內(nèi)存整型I2內(nèi)存整型D2內(nèi)存整型SV內(nèi)存整型流量計(jì)I/O實(shí)型A/D自動開關(guān)內(nèi)存離散T內(nèi)存整型Ti1內(nèi)存整型Ti2內(nèi)存整型Td1內(nèi)存整型Td2內(nèi)存整型KP1內(nèi)存整型KP2內(nèi)存整型uk1內(nèi)存整型uk11內(nèi)存整型uk2內(nèi)存整型uk21內(nèi)存整型ek1內(nèi)存整型ek11內(nèi)存整型ek12內(nèi)存整型q10內(nèi)存整型q11內(nèi)存整型q12內(nèi)存整型ek2內(nèi)存整型ek21內(nèi)存整型ek22內(nèi)存整型q20內(nèi)存整

17、型q21內(nèi)存整型q22內(nèi)存整型4.5 PID控制算法根據(jù)液位流量串級控制系統(tǒng)的原理，在“命令語言”中選擇“應(yīng)用程序命令語言”，運(yùn)用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫環(huán)境實(shí)現(xiàn)PID控制算法。本設(shè)計(jì)采用PID位置式算法，其控制算式為： 其中，在上述算式中，為比例系數(shù)，為積分時間，為微分時間。在流程中，以u(k)做為計(jì)算機(jī)當(dāng)前的輸出值，SV做為設(shè)定值，PV做為反饋值，e(k)做為偏差，位置式PID控制算法的流程圖如圖4.3所示：圖4.3 位置式PID控制算法的流程圖設(shè)計(jì)心得時間過得很快，兩個星期的課程設(shè)計(jì)，我感覺時間不夠用。同時，我學(xué)到了很多東西，很充實(shí)剛開始的時候，我去圖書館查閱了很多資料，在對

18、設(shè)計(jì)內(nèi)容有一個詳細(xì)的規(guī)劃后，我首先投入的是組態(tài)設(shè)計(jì)這一塊。因?yàn)橹皼]有接觸過組態(tài)王，對其一無所知，所以就從零開始，查閱資料，學(xué)習(xí)視頻教程。剛起步的時候，很多問題都擺在眼前，比如如何建立新的工程，如何設(shè)計(jì)變量，如何添加動畫連接等等，這些我都不會。因此就按著視頻教程，一步一步的慢慢看下去，先把視頻教程上面的例子熟練掌握，然后再對本系統(tǒng)的整體畫面進(jìn)行設(shè)計(jì)。對我來說，畫面動畫設(shè)計(jì)是最困難、最耗費(fèi)時間的一部分。特別是在考慮畫面布局的時候，這個模塊放在哪里比較合適，用什么樣的顏色顯得美觀等等，必須進(jìn)行不斷的修改，才能布局出比較好的畫面。往往是一兩個小時過去了，自己卻不知不覺。每一個模塊布局之后，都要對其進(jìn)

19、行相應(yīng)的動畫連接。這個時候，連接的對象又是一個難題。有時候，連接對象錯誤，運(yùn)行時的畫面顯示效果就與設(shè)計(jì)的不同，所以必須正確連接對象就這樣，我用組態(tài)王6.53，自己設(shè)計(jì)布局畫面，自己調(diào)試運(yùn)行，經(jīng)過將近一周的努力，最后終于設(shè)計(jì)出自己比較滿意的畫面。設(shè)計(jì)報告的程序流程圖，我都是用Visio軟件繪制的。繪制圖形時，考慮最多的是整體的布局。每繪制一個圖形，我往往都是一邊繪制，一邊調(diào)整布局。因?yàn)橐粋€框圖，如果繪制的不合理，系統(tǒng)的整體原理就顯得很亂；而一個流程圖如果布局不合理，程序的算法就無法在流程圖中完美的展現(xiàn)出來。最后，感謝老師和同學(xué)們的幫助！在設(shè)計(jì)的過程中，老師給了我很多的指導(dǎo)，讓我少走了很多彎路；在

20、組態(tài)畫面動畫制作的過程中，同學(xué)也幫助我解決了很多問題，同時也提出了很好的布局方案。參考文獻(xiàn)【1】 陳夕松 汪木蘭. 過程控制系統(tǒng)（第二版）.北京：科學(xué)出版社，2011.1【2】 周力尤 羅隆 謝雪芳組態(tài)軟件技術(shù)與應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社，2012.5【3】 康華光電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分（第五版）北京：高等教育出版社，2006【4】 閻石數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）北京：高等教育出版社，2006【5】 邱關(guān)源電路（第五版）北京：高等教育出版社，2006【6】 譚浩強(qiáng)C程序設(shè)計(jì)（第四版）北京：清華大學(xué)出版社，2010【7】 郭天祥. 新概念51單片機(jī)C語言教程M.北京:電子工業(yè)出版社【8】張迎新單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù)（第2版）M北京：國防工業(yè)出版社，2004【9】 馮博琴 吳寧微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)（第3版）北京：清華大學(xué)出版社，2011.6【10】