工業(yè)過程控制

1、學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號題目基于組態(tài)軟件的壓力單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源自擬課題指導(dǎo)教師熊新民主要內(nèi)容選擇一種合適的組態(tài)軟件，使用實驗室現(xiàn)有的過程控制設(shè)備，結(jié)合壓力單回路過程控制系統(tǒng)的控制要求和設(shè)計原則，合理選用PID控制規(guī)律，設(shè)計一個組態(tài)功能合理，畫面美觀，組態(tài)控制程序完善的壓力單回路過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)壓力單回路過程控制系統(tǒng)的具體被控對象和控制要求，正確選用過程儀表，獨立設(shè)計壓力單回路控制系統(tǒng)控制方案。2. 按說明書正確安裝過程儀表和有關(guān)模塊，并完成系統(tǒng)接線。3. 運用組態(tài)軟件，合理設(shè)計壓力單回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)畫面，編寫組態(tài)控制程序。4. 分步投運系統(tǒng)，正確

2、調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)達到預(yù)期性能。5. 提交包括上述內(nèi)容的課程設(shè)計報告。主要參考資料1 過程控制系統(tǒng)陳夕松，汪木蘭北京：科學(xué)出版社，20052 過程控制工程邵裕森北京：機械工業(yè)出版社，20003InTouch HMI9.5應(yīng)用程序開發(fā)基礎(chǔ)課程，Wonderware公司，20064 過程可視化組態(tài)軟件InTouch應(yīng)用技術(shù)馬正午，周德興北京：機械工業(yè)出版社，2006審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日目 錄1 設(shè)計目的與設(shè)計要求11.1 設(shè)計目的11.2 設(shè)計要求12系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計12.1 控制方案12.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖22.3 控制規(guī)律選擇22.4 PID控制算法流程圖23. 過程儀表選

3、擇33.1 壓力傳感器33.2 變頻器43.3 過程模塊4電動調(diào)節(jié)閥53.5 其他設(shè)備54系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計5組態(tài)圖64.2 組態(tài)畫面6數(shù)據(jù)詞典74.4 應(yīng)用程序94.5 動畫連接10趨勢曲線125 結(jié)論146 參考文獻157 致謝151 設(shè)計目的與設(shè)計要求1.1 設(shè)計目的學(xué)會運用組態(tài)軟件“”，并結(jié)合工業(yè)過程實驗室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID算法，自行設(shè)計，構(gòu)成壓力單回路控制系統(tǒng)，并整定現(xiàn)相關(guān)的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，最終得到一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的壓力單回路控制系統(tǒng)。1.2 設(shè)計要求本系統(tǒng)利用變頻器水泵對管道壓力進行控制，使用組態(tài)軟件實現(xiàn)控制監(jiān)控，采用合理的

4、PID控制規(guī)律，使管道的壓力穩(wěn)定在額定值附近，以達到整體系統(tǒng)穩(wěn)定運行的效果。壓力的測量范圍為0，測量精度2，從而達到控制管道壓力的目的。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 控制方案根據(jù)控制要求，壓力單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是管道的壓力，測量便使用壓力傳感器，被控參數(shù)是變頻器的功率，控制器是計算機，執(zhí)行器是變頻器水泵，所以壓力單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖2.1 壓力單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖根據(jù)系統(tǒng)組成框圖和組成的儀表單元，得到系統(tǒng)流程圖如圖2.2所示。圖2.2 系統(tǒng)流程圖2.3 控制規(guī)律選擇根據(jù)壓力單回路控制系統(tǒng)的原理，為了取得較好的控制效果，本系統(tǒng)采用PID位置控制算法，其控制算式如

5、下：u（k）=u(k-1)+KP(1+)e(k)-KP(1+)e(k-1)+KPe(k-2) =u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k-2)a0=KP(1+) a1=KP(1+) a2=KP上式算式中，KP為比例系數(shù)，TI為積分時間，TD為微分時間，以u（k）作為計算機的當前輸出值，以sp作為給定值，pv作為反饋值即AD設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，作為偏差。2.4 PID控制算法流程圖PID控制算法流程圖如圖2.3所示。圖2.3 PID控制算法流程圖3. 過程儀表選擇3.1 壓力傳感器壓力傳感器用來對管道中的壓力進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，4

6、20mA標準信號輸出，采用高品質(zhì)、低功耗精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。可方便地與其他DDZ-X型儀表互換配置，并能直接替換進口同類儀表。檢測方法是通電預(yù)熱15分鐘后分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調(diào)整零電位器,使輸出電流為4mA,在滿程壓力下調(diào)整量程電位器，是輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級因為為二線制，故工作時需串24V直流電源。3.2 變頻器三菱FR-S520變頻器，4-20mA控制信號輸入，可對流量或壓力進行控制，該變頻器體積小，功耗小，功能也非常強大，運行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制頻率?？蓡蜗嗷蛉喙╇姡l率可高

7、達200Hz。3.3 過程模塊采用牛頓7000系列遠程數(shù)據(jù)模塊作為計算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過程模塊。牛頓7000溪流模塊體積小，安裝方便，可靠性高。D/A模塊采用牛頓7024，四通道模擬輸出模塊，電流輸出420mADC，電壓輸出15VDC，精度14位。使用7024模塊的1通道I01作為可控硅的電壓控制通道。A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸出模塊，電壓輸入15VDC。使用7024模塊的4通道IN4作為溫度信號檢測輸入通道。通信模塊采用牛頓7520，RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊，使用RS232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，速度為300115200BPS，可長距離傳輸。控制回路中電磁閥的開關(guān)

8、量輸出模塊用牛頓7043，16通道非隔離集電極開路輸入模塊。最大集電極開路電壓30V，每通道輸出電流100mA,可直接驅(qū)動電磁閥設(shè)備。組態(tài)王對設(shè)備的管理是通過對邏輯設(shè)備名的管理實現(xiàn)的，具體講就是每一個實際I/0設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定一個唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)著I/0的生產(chǎn)廠家實際設(shè)備名稱設(shè)備通信方式設(shè)備地址與上位計算機的通訊方式等信息內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計算機進行數(shù)據(jù)交換外部的設(shè)備主要是AD設(shè)備牛頓7017模塊和DA設(shè)備牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中，設(shè)置7017模塊IM通道和7024模塊I01通道名稱分別為AD和DA，與計算機COM1串口通信，通信地址分別為0和1。電

9、動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，啟動電路采用高性能呢個稀土磁性材料制造的同步電機運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c執(zhí)行機構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，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轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄露量少的優(yōu)點。次啊用PS電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，420mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性可快開特性，閥門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門

10、的可靠關(guān)斷防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。3.5 其他設(shè)備在控制回路中所涉及到的設(shè)備還有水泵，電磁閥，開關(guān)電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪聲低，壽命長，揚程可達10米，功耗小，220V供電即可。在水泵出水口裝有壓力變頻器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，管段能力強，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。所采用的24V開關(guān)電源最大電流為2A，滿足系統(tǒng)需要。4系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計組態(tài)王是在PC機上建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能軟件包，該軟件包從工業(yè)控制對象中采集數(shù)據(jù)，并記錄在實時數(shù)據(jù)庫中，同時負責把數(shù)據(jù)的變化用動畫的方式想象的表示出來，還可以完成變量警報

11、操作記錄趨勢曲線等監(jiān)視功能，并按實際需要生成歷史數(shù)據(jù)文件，它以Windows 98/ Windows 2000/ Windows XP中文操作系統(tǒng)平臺，采用了實時多任務(wù)。它具有豐富的圖庫及圖庫開發(fā)工具，支持各種主流PLC智能儀表，板卡和現(xiàn)場總線等工控產(chǎn)品：有一種類似C語言的編程環(huán)境，便于處理各種算法和操作，還內(nèi)嵌了許多函數(shù)供用戶調(diào)用，實現(xiàn)各種功能。本壓力單回路系統(tǒng)。圖4.1 組態(tài)圖4.2 組態(tài)畫面本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有開機畫面，系統(tǒng)組成畫面等。開機畫面主要顯示課題題目，制作人姓名，班級等相關(guān)信息。畫面上設(shè)置有兩個提示按鍵，分別提示操作員進入主界面或退出操作系統(tǒng)等。系統(tǒng)主界面主要繪制的溫度單

12、回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，加熱罐和閥門等設(shè)備以及相關(guān)的操作系統(tǒng)提示按鈕等?；趧赢嬤B接，主界面可實現(xiàn)自動，手動切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實時曲線框以方便操作員在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)觀察控制效果。系統(tǒng)主界面如下圖所示。圖 壓力單回路控制系統(tǒng)組態(tài)圖根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典，以便確定內(nèi)存變量與I/O數(shù)據(jù)，運算數(shù)據(jù)的關(guān)系。只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。本系統(tǒng)中所涉及到的變量的類型主要有AD,DA設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的I/O實型變量，控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定義開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量 ，參與運算的內(nèi)存實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型及

13、內(nèi)存整型變量等。具體的參數(shù)詞典如下表4-1所示。表4-1變量定義表變量名變量類型ID連接設(shè)備寄存器$用戶名內(nèi)存字符串9$訪問權(quán)限內(nèi)存實型10$啟動歷史記錄內(nèi)存離散11$啟動報警記錄內(nèi)存離散12$啟動后臺命令語言內(nèi)存離散13$新報警內(nèi)存離散14$雙熱機備狀態(tài)內(nèi)存整型15$毫秒內(nèi)存實型16自動開頭內(nèi)存離散21PID內(nèi)存離散22壓力I/O實型23ADAI4Uk1I/O實型24DAAO1P內(nèi)存實型25I內(nèi)存實型26D內(nèi)存實型27sp內(nèi)存實型28ukp內(nèi)存實型29A0內(nèi)存實型30A1內(nèi)存實型31A2內(nèi)存實型32Ekl內(nèi)存實型33Ekl1內(nèi)存實型34Ekl2內(nèi)存實型35Ukl1內(nèi)存實型36Ti內(nèi)存實型37

14、Td內(nèi)存實型38調(diào)整跨度內(nèi)存實型39卷動百分比內(nèi)存實型40Ts內(nèi)存實型42流水移動內(nèi)存離散43移動內(nèi)存整型44位置內(nèi)存實型45位置1內(nèi)存實型46位置2內(nèi)存實型474.4 應(yīng)用程序啟動時：本站點T=20;本站點I=本站點T/本站點TS;本站點D=本站點T/本站點TS;本站點uKP=0;本站點uK1=0;本站點eK1=0;本站點eK11=0;本站點eK12=0;運行期間：If(本站點自動開關(guān)=1) 本站點TS=15;本站點I=本站點TI/本站點TS;本站點D=本站點Td/本站點TS;本站點a0=本站點P*(1+1/本站點I+本站點D);本站點a1=本站點P*(1+2*本站點D);本站點a2=本站點

15、P*本站點D;本站點eK1=本站點sp-本站點溫度;本站點uKP=本站點a0*本站點eK1-本站點a1*本站點eK11+本站點a2*本站點eK12+本站點uK1;本站點uK1=本站點uKP;本站點eK12=本站點eK11;本站點eK11=本站點eK1;if(本站點ukp<1000) if(本站點ukp<0)本站點uk1=0;else 本站點uk1=本站點ukp;else 本站點uk1=1000;關(guān)閉時：本站點uKP=0;本站點uK1=0;本站點eK1=0;本站點eK11=0;本站點eK12=0; 動畫連接打開主界面，雙擊“開始”按鈕，出現(xiàn)如圖4.3的動畫連接畫面。在按下時左邊打溝，

16、點擊“確定”，出現(xiàn)命令語言輸入窗口，在該窗口中輸入圖4.4所示的命令，再點擊“確定”，就完成了“開始”按鈕的動畫連接設(shè)置。這樣，點擊“開始”后，系統(tǒng)就開始運行。打開主界面，雙擊目前溫度值下面的框，出現(xiàn)如圖4.3所示的動畫連接畫面。在模擬值輸出左邊打鉤，出現(xiàn)模擬值輸出連接畫面。點擊表達式框右邊的問號，選擇變量“當前溫度”。輸出格式中設(shè)置整數(shù)位數(shù)為2，小數(shù)位數(shù)為1，顯示格式設(shè)置為十進制，最后點擊“確定”。這樣，變量“當前溫度”的動畫連接設(shè)置就完成了。4.3 動畫連接圖開始按鈕命令語言輸入窗口圖 設(shè)定畫面命令語言輸入窗口其它動畫連接與此類似，指示輸入命令不同，一次完成動畫連接就完成了系統(tǒng)的整體動畫連

17、接。趨勢曲線有實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。在組態(tài)王中通過圖庫可方便的繪制曲線畫面，在趨勢曲線中可顯示系統(tǒng)運行時各個主要變量的歷史記錄，可以查詢以前任意時段的歷史記錄，還可設(shè)定查詢的時間范圍，顯示某查詢時間和改時間所對應(yīng)的被控變量值等。實時趨勢曲線可以自動卷動，以快速反應(yīng)變量隨時間的變化。在壓力單回路控制系統(tǒng)中，趨勢曲線所要表達的三個參數(shù)分別為計算機依據(jù)PID控制算法的輸出值U(k)，系統(tǒng)給定值SP和檢測反饋值PV。實時曲線和歷史趨勢曲線分別如下圖和圖所示。圖4.6 實時趨勢曲線圖4.7歷史曲線5 結(jié)論通過本次壓力單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計，首先我感覺掌握一種開發(fā)軟件對系統(tǒng)設(shè)計的重要性，使我對這個組

18、態(tài)王軟件有了一定的認識，學(xué)習和使用了它的一些強大的功能。其次，也是我更深刻的認識了在學(xué)習一個新的工具軟件不能急于求成，一步一步的學(xué)起，才能更好的掌握這款軟件。再次，我對工程設(shè)計中儀表的選擇，PID值的設(shè)定，系統(tǒng)的調(diào)試等都有了全新的認識。盡管我們的設(shè)計方案離實際應(yīng)用要求還相差一段距離，但是只有去做了這樣一件事情才知道其中的苦與樂，才能知道自己的不足，才能提高自己。這次課程設(shè)計中遇到了很多困難，我們通過網(wǎng)絡(luò)查閱了大量資料，查參考書了解了許多專業(yè)開發(fā)人員的經(jīng)驗，覺得獲益非淺。在設(shè)計的過程中，不但豐富了知識、鍛煉了能力，而且養(yǎng)成了好的思維習慣，一種嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。我們認為如果要做一個好的工程師，經(jīng)驗、

19、知識的儲備是必要的，但更多的是要依據(jù)客戶的要求不斷完善產(chǎn)品，不斷挑戰(zhàn)自我。其次，要做好一個課程設(shè)計，就必須做到：在設(shè)計程序之前，對所用工業(yè)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的軟件流程圖；在設(shè)計程序時，不能妄想一次將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改進是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習慣，這樣為資料的保留和交流提供了方便。在這次的課程設(shè)計中，我真正的意識到，在以后的學(xué)習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當中，學(xué)習組態(tài)王軟件更是如此，理論知識只有在不斷地運用過程中才能提高，這就是這次課程設(shè)計的最大收獲。最后，希望學(xué)校以后能有更多的類似設(shè)計，為我們提供更多練習的機會，