流量比值控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告

目錄1引言……...…...………………...………......2系統(tǒng)分析……......………………………....2.1工藝流程分析……...…………………..2.2對象特性分析……...…………………..2.3限制需求分析……...…………………..3限制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)……...…………...……………….3.1變量選擇..........................................................................................................................3.2限制方式設(shè)計...................................................................................................................3.3回路模型建立...................................................................................................................4系統(tǒng)仿真探討與實時監(jiān)控平臺設(shè)計……...…………4.1通信連接...........................................................................................................................4.2監(jiān)控畫面...........................................................................................................................4.3數(shù)據(jù)字典...........................................................................................................................4.4實時仿真...........................................................................................................................5限制系統(tǒng)投運、參數(shù)整定與性能分析……...………5.1參數(shù)整定.........................................................................................................................5.2系統(tǒng)投運.........................................................................................................................5.2性能分析.........................................................................................................................6限制系統(tǒng)設(shè)備選型與電氣限制圖繪制……...……...6.1設(shè)備選型..........................................................................................................................6.2電氣限制圖......................................................................................................................7試驗總結(jié)..............................................................................................................8參考文獻..............................................................................................................引言隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對過程限制提出了更高的要求，在很多生產(chǎn)過程中，要求兩種或兩種以上的物料流量成肯定的比例關(guān)系混合進行反應(yīng)，對物料比例的要求甚為嚴格，假如不能滿意要求，或是比例失調(diào)，將導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量達不到要求，以致造成損失，嚴峻時會導(dǎo)致事故的發(fā)生。探討比值限制系統(tǒng)很有必要，提高比值限制系統(tǒng)的進度及水平具有深遠意義。依據(jù)系統(tǒng)工藝的要求及實際須要，提出了流量比值限制的設(shè)計方案，因為組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點，本設(shè)計著重說明白組態(tài)王在設(shè)計開發(fā)流量比值限制系統(tǒng)中的運用。該設(shè)計以電動調(diào)整閥和變頻器為中心對主副回路的液體流量進行比例限制，在試驗室A3000裝置上進行試驗，回路采納渦輪番量計和電磁流量計對流量信號進行實時采集，通過與設(shè)定值進行比較對調(diào)整器進行限制，并采納ADAM4000的三個通訊模塊和福光百特儀表作為限制器接收并處理信號，把信號傳輸給調(diào)整閥或變頻器，從而達到限制流量的效果。通過組態(tài)王、matlab等仿真軟件進行仿真，設(shè)計出具有友好人機交互界面的組態(tài)，實現(xiàn)實時監(jiān)控，有剛好的數(shù)據(jù)顯示，圖形顯示，PID參數(shù)手動及自動限制等限制功能，并建立動畫連接，生成信息報告。2系統(tǒng)分析2.1工藝流程分析在生產(chǎn)過程中，依據(jù)工藝過程容許的負荷波動幅度、干擾因素的性質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量的要求不同，實現(xiàn)對兩種物料流量比值的限制方案也不同：開環(huán)比值限制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值限制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)、變比值限制系統(tǒng)。雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)是由一個定值限制的主動量限制回路和一個跟隨主動量變更的從動量隨動限制回路組成，其流程圖和方框圖分別如圖1和圖2所示。通過主動量限制回路能克服主動量干擾，實現(xiàn)對主動量的定值限制；通過從動量限制回路抑制作用于從動量回路的干擾，從而使主、從動量均比較穩(wěn)定，能保持在肯定的比值，使總物料量保持穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)常用于負荷變更或總的物料變更比較平穩(wěn)的工業(yè)生產(chǎn)過程。2.1雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)流程圖2.2對象特性分析電動調(diào)整閥的特性分析：流通實力Cv值是電動調(diào)整閥的主要參數(shù)之一，定義為當(dāng)電動調(diào)整閥全開時閥兩端壓差為0.1MPa、流體密度為1g/cm3時每小時流經(jīng)電動調(diào)整閥的流量數(shù)，也稱流量系數(shù)，單位為t/h。電動調(diào)整閥的流量特性是在閥兩端壓差保持恒定的條件下，介質(zhì)流經(jīng)電動調(diào)整閥的相對流量與它的開度之間關(guān)系。電動調(diào)整閥的流量特性有線性特性、等百分比特性及拋物線特性三種。等百分比特性（對數(shù)）等百分比特性的相對行程和相對流量不成直線關(guān)系在行程的每一點上單位行程變更所引起的流量的變更與此點的流量成正比，流量變更的百分比是相等的。所以它的優(yōu)點是流量小時流量變更小，流量大時則流量變更大，也就是在不同開度上具有相同的調(diào)整精度；線性特性的相對行程和相對流量成直線關(guān)系，單位行程的變更所引起的流量變更是不變的，流量大時，流量相對值變更小，流量小時，則流量相對值變更大；拋物線特性流量按行程的二方成比例變更，大體具有線性和等百分比特性的中間特性。從上述三種特性的分析可以看出就其調(diào)整性能上講，以等百分比特性為最優(yōu)其調(diào)整穩(wěn)定、調(diào)整性能好。而拋物線特性又比線性特性的調(diào)整性能好，可依據(jù)運用場合的要求不同選擇其中任何一種流量特性。變頻器分析：變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過變更電機工作電源頻率方式來限制溝通電動機的電力限制設(shè)備。變頻器主要由整流（溝通變直流）、濾波、逆變（直流變溝通）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，依據(jù)電機的實際須要來供應(yīng)其所須要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的愛護功能，如過流、過壓、過載愛護等等。變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點，須依據(jù)實際所需進行選擇設(shè)置，同時也可以依據(jù)功能須要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換。變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為溝通的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為溝通的變頻器，其直流回路濾波是電感。2.3限制需求分析在工業(yè)生產(chǎn)過程中往往要求兩種或多種物料流量成肯定比例關(guān)系；一旦比例失調(diào)，會影響生產(chǎn)的正常進行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，奢侈動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。因此我們會利用比值限制系統(tǒng)來限制兩個或多個變量自動維持肯定比值關(guān)系。起主導(dǎo)作用的物料流量為主動量，主回路中產(chǎn)生的擾動，但是通過主回路的回路限制作用反饋能克服主動量干擾，實現(xiàn)對主動量的定值限制。而主動量通過比值系統(tǒng)環(huán)節(jié)把信號傳輸給從動量，副回路是跟隨主動量變更的從動量隨動限制回路，從而保證流量成肯定比例關(guān)系。其中主回路是通過調(diào)整器作用變更電動調(diào)整閥的開度來進行流量Q1限制，副回路是通過調(diào)整器作用于變頻器，變頻器通過變更頻率來限制磁力泵來進行流量Q2的限制。3限制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)3.1變量選擇被控變量：主回路流量（支路2）Q1、副回路流量（支路1）Q2。操縱變量：電動調(diào)整閥開度（%）、變頻器頻率（轉(zhuǎn)換為電流mA）。干擾變量：管道壓力變更、泵出口流量的變更。3.2限制方式設(shè)計設(shè)計分析：雙閉環(huán)流量比值限制系統(tǒng)中，起主導(dǎo)作用的流量稱為主動量，跟隨主動量而變更的流量稱為從動量，設(shè)本系統(tǒng)中Q1為主動量，Q2為從動量。將從動量用一個閉環(huán)包括進去，主動量也用閉環(huán)實現(xiàn)。將流量Q1的測量值通過比值限制器k作為副回路的輸入量，所以從動量Q2的給定是Q1，故Q2要隨著Q1的變更而變更，即從動量Q2是一個隨動限制系統(tǒng)。由于Q1為閉環(huán)給定值限制，所以為定值限制系統(tǒng)。實際限制設(shè)計：將A3000設(shè)備中支路2作為主回路，流量Q1為主動量，通過回路中的電動調(diào)整閥變更流量Q1；將A3000設(shè)備中支路1作為副回路，流量Q2為從動量，通過調(diào)整變頻器的工作頻率變更泵1的轉(zhuǎn)速，從而變更流量Q2。擾動+ 管道電動閥調(diào)整器1管道電動閥調(diào)整器1—流量變送器1流量變送器1KK+ 擾動磁力泵管道變頻器調(diào)整器2磁力泵管道變頻器調(diào)整器2+流量變送器2流量變送器23.1限制系統(tǒng)方框圖3.3回路模型建立（1）在A3000-FS試驗設(shè)備上，打開閥門,調(diào)整下水箱閘板開度15mm，其余閥門關(guān)閉，構(gòu)成單回路液位限制。檢查全部的測量原件和接線及其他原件均無誤后，再進行下面的操作。（2）接線：調(diào)整閥輸入接到福州百特表面板4-20mA輸出，變頻器輸入接到4-20mA輸出，1#流量接到4-20mA輸入，2#流量接到4-20mA輸入。（3）測1#流量時電磁閥必需打開，應(yīng)此要在面板上給電磁閥接24V直流電。（4）開啟電動調(diào)整閥到肯定開度，防止泵出口壓力過高。（5）打開A3000電源。在A3000-FS上，啟動左邊水泵和右邊的水泵。（6）啟動計算機組態(tài)軟件，進入試驗系統(tǒng)選擇“比值限制系統(tǒng)試驗”。（7）主副回路廣義對象模型求解：（8）將調(diào)整器的調(diào)整方式設(shè)置為手動，給調(diào)整閥一個階躍輸入，記錄支路2流量Q1的隨時間變更狀況。（9）在變頻器面板上初始化變頻器，設(shè)置調(diào)整閥的工作頻率，按啟動鍵啟動，再在組態(tài)軟件中變更工作頻率，給一個流量階躍變更，記錄支路1流量Q2的隨時間變更狀況。輸出輸出變頻器調(diào)整閥福特儀表輸出-試驗數(shù)據(jù)記錄如下:輸出閥門開度40%-50%、變頻器40%-50%輸出輸出變頻器調(diào)整閥福特儀表輸出輸出3.2儀表接線圖3.3數(shù)據(jù)表格作出曲線如下：3.4主回路曲線3.5副回路曲線通過計算得到主回路模型：副回路模型：4系統(tǒng)仿真探討與實時監(jiān)控平臺設(shè)計4.1通信連接小組兩人實現(xiàn)OPCServer與組態(tài)王及Matlab的通訊，一人因系統(tǒng)問題未能勝利，連接過程中要留意按試驗指導(dǎo)書上的步驟來連接，win764位系統(tǒng)能連接上opc，但必需保證matlab是32位的，同時組態(tài)王6.5以上才能支持。4.1連接截圖4.2監(jiān)控畫面本設(shè)計共有五畫面：主界面、歷史曲線、實時曲線、報警畫面、報表記錄畫面。主界面如圖4.2，在主界面中有2個水箱，它們在本設(shè)計中只是作為容器，所以在本設(shè)計中沒有設(shè)置動畫連接，因為本設(shè)計主要考慮的是流量比值限制。在主界面中還有一個電動調(diào)整閥、一個電磁流量計、一個渦輪番量計和西門子變頻器，電動調(diào)整閥限制主動量Q1，變頻器通過調(diào)整泵1的轉(zhuǎn)速來限制從動量Q2。兩個電磁流量計分別是測量流量Q1、流量Q2。當(dāng)我們啟動系統(tǒng)后進入主界面我們首先在手動狀態(tài)下設(shè)置Q1的電動調(diào)整閥的開度，使流量Q1穩(wěn)定，然后設(shè)置PID參數(shù)，設(shè)置參數(shù)后，按下按鈕后進入自動環(huán)節(jié)，再設(shè)置比值系數(shù)和副回路PID參數(shù)，將限制器切換到自動狀態(tài)，系統(tǒng)按設(shè)定好的PID算法得到輸出，使流量Q1與流量Q2成設(shè)定的比例并穩(wěn)定于此。期間畫面也能顯示出電動調(diào)整閥的開度、流量值，并且管道也能模擬液體的流淌。主界面有各個畫面的切換鍵也能從各個畫面返回主畫面。圖4.3顯示能干脆視察實時曲線，查看系統(tǒng)的穩(wěn)定狀況。當(dāng)我們要視察歷史的曲線時，我們可以單擊歷史曲線按鈕，進入歷史曲線界面。報警和報表畫面通過點擊按鍵也能進入，單擊退出按鈕干脆退出系統(tǒng)。4.2主界面畫面4.3實時曲線畫面4.4歷史曲線畫面4.5歷史數(shù)據(jù)畫面4.6監(jiān)控畫面4.2數(shù)據(jù)字典依據(jù)限制系統(tǒng)的須要建立數(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)的限制程序中運用。本系統(tǒng)中所涉及到的變量的類型主要有與ADAM4000三個模塊有關(guān)。DA設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的I/O實型變量，限制電磁閥開關(guān)的I/O實形變量，用于定以開關(guān)動畫連接的內(nèi)存實型變量，參于PID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)存實型或內(nèi)存整型變量等。4.7數(shù)據(jù)字典4.4實時仿真5限制系統(tǒng)投運、參數(shù)整定與性能分析5.1在MATLAB/SIMULINK環(huán)境整定雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)限制參數(shù)原始數(shù)據(jù)：(1)要求比值限制系統(tǒng)的從動量跟隨主動量變更而變更，其中兩個流量儀表的信號比值系數(shù)：k==3;（2）主對象廣義傳遞函數(shù)為：;（3）從對象廣義傳遞函數(shù)為：;(4)主動量回路和副動量回路均采納PI限制規(guī)律;(5)主動量每隔100s變更，幅值分別為[31421]。詳細設(shè)計設(shè)計內(nèi)容如下：1、采納反應(yīng)曲線法整定主動量回路限制器參數(shù)；2、采納反應(yīng)曲線法整定從動量回路限制器參數(shù)；3、在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中建立雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)，并投入運行，估計系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量、上升時間和過渡過程時間；4、檢驗雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)的抗干擾實力：主動量和從動量分別變更10%，檢驗系統(tǒng)的抗干擾實力。整定過程：整定主動量回路在Simulink中建立主動量回路閉環(huán)系統(tǒng)，在純比例限制器的作用下給定單位階躍響應(yīng)。置比例限制器的比例帶δ為較大的數(shù)值，即比例增益K為較小的數(shù)值。對設(shè)定值施加一個階躍擾動，然后視察系統(tǒng)的響應(yīng)。若響應(yīng)振蕩太快，就減小比例帶δ；反之，則增大比例帶δ。如此反復(fù)，知道出現(xiàn)衰減比n=4:1的振蕩過程。記錄下此時的比例帶（記為），以及響應(yīng)的衰減振蕩周期。5.1整定后的主動量回路閉環(huán)系統(tǒng)框圖5.2主動量回路階躍響應(yīng)整定從動量回路5.3整定后的主動量回路閉環(huán)系統(tǒng)框圖5.4從動量回路階躍響應(yīng)、雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)仿真及性能測試：5.5雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)（調(diào)整前）5.6雙閉環(huán)比值限制系統(tǒng)（調(diào)整后）5.7主副回路不同階躍響應(yīng)5.8主副回路階躍響應(yīng)結(jié)論：主、從動量分別變更10%,系統(tǒng)沒有引起較大超調(diào)，且能夠快速穩(wěn)定，抗干擾實力強。5.2系統(tǒng)投運由于時間沒有支配好，我們小組一共做了兩次系統(tǒng)投運工作。第一次：試驗室臺式機上的ADAM4000工程在我們現(xiàn)場修改后不能用，我們用福州百特儀表分別對兩個回路進行測試，效果不是很志向。其次次：我們在自己的筆記本上重新建立工程并繪制畫面，但在試驗室發(fā)覺版本過高而不能兼容，最終在刪除臺式機上工程里其他不相干畫面并對原工程修改后最終實現(xiàn)組態(tài)王的運行。由于主回路設(shè)定值給不進去，最終只投運了副回路。發(fā)覺問題：1、ADAM4000面板上有些通道不能用，這次投運發(fā)覺AI0、AI1通道損壞。2、matlab仿真中Ti的單位是S，而組態(tài)王的控件中PID設(shè)定值單位為mS。3、輸出輸入通道肯定要分清晰，而且輸出輸入數(shù)值單位不同時，要進行轉(zhuǎn)換設(shè)置。4、可先投運主回路，再投運副回路，最終一起進行調(diào)試。5.9ADAM4000模塊接線圖5.10投入運行主圖5.11Ti=1000ms時副回路階躍變更（振蕩大）5.12Ti=2000時副回路階躍變更（基本不振蕩，能跟隨主回路變更）5.3性能分析所構(gòu)建的模型較為粗糙，都是一階慣性環(huán)節(jié)，而副回路模型因測量數(shù)據(jù)時偏差較大導(dǎo)致時滯太小，無法用二階慣性建模，最終得到的模型與實際不太吻合，所以matlab仿真與實際投運有誤差。6限制系統(tǒng)設(shè)備選型與電氣限制圖繪制6.1設(shè)備選型LWGB型渦輪番量傳感器：試驗室采納的是LWGB型渦輪番量傳感器，LWGB型渦輪番量傳感器是在LWGY基本型渦輪番量傳感器的基礎(chǔ)上增加了24VDC供電，4-20mA兩線制電流變送功能，特殊適合于與顯示儀、工控機、DCS等計算機限制系統(tǒng)協(xié)作運用。電磁流量計：電磁流量計采納四線制接法，如圖2-6所示：6.1電磁流量計接線原理圖一般不要在沒有水的狀況下給電磁流量計加電。運用前請細致閱讀產(chǎn)品說明書。開啟水泵，將電磁流量計信號輸入百特儀表(量程設(shè)為0～3立方/小時)，會望見流量值。電磁流量計液晶屏上會顯示瞬時流量與累積流量值。留意：不要在沒有水的狀況下給電磁流量計加電。加電幾分鐘后才能獲得精確數(shù)值。為了保證低流量下的精度，我們運用了滿量程3立方/小時的電磁流量計，依據(jù)水泵的最大流量。流量限制范圍可以0%-55%。西門子MICROMASTER420變頻器：西門子變頻器可以BOP面板操作，可以4-20毫安限制，可以運用PROFIBUS-DP總線限制。不須要增加任何硬件就可以進行這些模式的操作。西門子變頻器是帶PROFIBUS-DP總線的，通過PROFIBUS-DP總線與限制器連接?？梢杂蓡蜗?三相230V直流供電，本系統(tǒng)采納220V單相溝通電。單相電源接線方式如圖2-7，2-8所示：6.2MI