工業(yè)過程控制-課程設計

PAGE1PAGE1工業(yè)過程控制課程設計題目:基于組態(tài)軟件的液位—-流量串級控制系統(tǒng)計院系名稱：電氣工程學院專業(yè)班級：學生姓名：學號：指導教師：設計地點：中2-211設計時間：2011/06/25設計成績：設計成績：指導教師：本欄由指導教師根據大綱要求審核后，填報成家并簽名。摘要《工業(yè)過程控制技術課程設計》是完成《自動控制原理》、《自動控制系統(tǒng)》、《過程控制技術》、《電器與PLC》、《自動化儀表》、《計算機控制》等理論與實驗教學之后，為自動化專業(yè)本科生開設的一門綜合性的專業(yè)課程，是較為重要的實踐性教學環(huán)節(jié)。學生通過借助組態(tài)王6.53系統(tǒng)實驗平臺”對一個實用工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設計、調試完成系統(tǒng)設計與開發(fā)，提高學生工程意識和實踐技能，達到素質和創(chuàng)新能力進一步提升。關鍵詞：串級控制系組態(tài)王6.53控制系統(tǒng)的設計開發(fā)目錄1系統(tǒng)描述及控制要求11.1控制要求22系統(tǒng)結構設計及描述22.1控制方案22.2系統(tǒng)結構2 3過程儀表的選擇33.1.液位傳感器、壓力傳感器33.2電磁流量傳感器、電磁流量轉換器33.3電動調節(jié)閥43.4變頻器43.5水泵43.6開關電源53.7牛頓7000系列模塊53.8模擬量采集模塊53.9模擬量輸出模塊53.8通信轉換模塊53.10測量要求54系統(tǒng)組態(tài)設計64.1流程圖與組態(tài)圖64.2組態(tài)畫面74.3數據字典84.4應用程序84.5動畫連接114.6PID控制算法11參考資料12設計心得131引言本課程是在學完《工業(yè)過程控制》課程后的一個應用性實踐環(huán)節(jié)。通過本課程設計的訓練，學生應對過程控制工程設計的概念有完整地了解，同時培養(yǎng)學生綜合應用基礎課、專業(yè)課所學知識與工程實際知識的能力。通過對過程控制系統(tǒng)的分析與設計，獲得面向工業(yè)生產過程系統(tǒng)分析與設計的實踐知識，初步掌握過程控制系統(tǒng)開發(fā)和應用的技能。通過某種組態(tài)軟件，結合實驗室已有設備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據較快較穩(wěn)的性能要求，采用雙閉環(huán)控制結構和PID控制規(guī)律，設計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)。對于過程控制系統(tǒng)，以表征生產過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內的自動控制系統(tǒng)。這里“過程”是指在生產裝置或設備中進行的物質和能量的相互作用和轉換過程。表征過程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過對過程參量的控制，可使生產過程中產品的產量增加、質量提高和能耗減少。一般的過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制的形式，這是過程控制的主要方式。隨著現代工業(yè)生產過程向著大型，連續(xù)和強化方向發(fā)展，對過程控制品質提出了日益高的要求。在這種情況下，簡單的單回路控制已經難以滿足一些復雜的控制要求。串級控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)中的一種多回路控制系統(tǒng)，是為了提高單回路控制系統(tǒng)以一定結構形式串聯在一起，它不僅具有單回路控制系統(tǒng)全部功能，而且還具有許多單回路控制系統(tǒng)所沒有的特點。串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的設定，后一個調節(jié)器的輸出送往調節(jié)閥。前一個調節(jié)器稱為主調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標；后一個調節(jié)器稱為副調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節(jié)器、調節(jié)閥和副過程構成；本文論述了一個基于組態(tài)軟件的液位—流量串級控制系統(tǒng)設計方法和步驟，參數整定放法。在此過程中，介紹了液位和流量進行檢測和轉換的常用元件，應用階躍響應曲線推導了廣義對象的傳遞函數，簡單的論述了串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點，討論了它對控制效果的改善作用，并使用仿真與軟件對該系統(tǒng)進行了仿真，最后用組態(tài)軟件編制程序來實現控制。1.1控制要求1.1.1根據液位-流量串級過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。1.1.2根據液位-流量串級過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關I/O的需要，正確選用過程模塊。1.1.3根據與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉換與通訊模塊。1.1.4運用組態(tài)軟件，正確設計液位-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。1.1.5提交包括上述內容的課程設計報告。2系統(tǒng)結構設計及描述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，這兩個參量具有相關聯系，流量的大小可以影響上水箱液位，根據流量與液位的關系，故系統(tǒng)采用串級控制，內環(huán)為流量控制，外環(huán)為液位控制。內環(huán)與外環(huán)的控制算法均采用PID算法，PID算法實現簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。外環(huán)液位控制器的輸出作為內環(huán)流量控制器的設定值，流量控制器的輸出來控制調節(jié)閥的大小，來控制管道流量的大小，進而控制上水箱液位。2.2系統(tǒng)結構系統(tǒng)框圖如下圖計算機調節(jié)閥x1(t)x2(t)e(t)u(t)計算機調節(jié)閥計算機液位流量g(t)q(t)y(t)計算機液位流量z2(t)流量變送器流量變送器z1(t)液位變送器液位變送器計算機控制上水箱液位和流量串級系統(tǒng)控制框圖3過程儀表的選擇3.1.液位傳感器、壓力傳感器液位傳感器用來對上位水箱和下位水箱的液位進行檢測，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，采用高品質、低功耗精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高?？煞奖愕嘏c其它DDZ--ⅢX型儀表互換配置，并能直接替換進口同類儀表。校驗的方法是通電預熱15分鐘后，分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調整零電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調整量程電位器，使輸出電流為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。液位傳感器用來對上位水箱和中位水箱的液位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4-20mA標準信號輸出。3.2電磁流量傳感器、電磁流量轉換器流量傳感器用來對電動調節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進行檢測。根據本實驗裝置的特點，采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量0~0.3m3/h，壓力1.6Mpmax，4-20mA標準信號輸出。可與顯示，紀錄儀表，積算器或調節(jié)器配套。避免了渦輪流量計非線性與死區(qū)大的致命缺點，確保實驗效果能達到教學要求。主要優(yōu)點：1.）采用整體焊接結構，密封性能好；2.）結構簡單可靠，內部無活動部件，幾乎無壓力損失；3.）采用低頻矩形波勵磁，抗干擾性能好，零點穩(wěn)定；4.）儀表反應靈敏，輸出信號與流量成線性關系，量程比寬；流量轉換器采用LDZ-4型電磁流量轉換器，與LDS-10S型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：0~0.4mV輸出信號：4~20mADC，允許負載電阻為0~750Ω，基本誤差：輸出信號量程的±0.5%。3.3電動調節(jié)閥電動調節(jié)閥對控制回路流量進行調節(jié)。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅動電機采用高性能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，控制精度高?？刂茊卧c電動執(zhí)行機構一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制運轉實現對壓力流量溫度液位等參數的調節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構，4-20mA閥位反饋信號輸出雙導向單座柱塞式閥芯，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，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷，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。3.4變頻器三菱FR-S520變頻器（見上圖），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，功率小，功能非常強大，運行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋扭控制頻率?？蓡蜗嗷蛉喙╇姡l率可高達200Hz。3.5水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，不會影響教師授課減少使用麻煩。功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構成恒壓供水系統(tǒng)。3.6開關電源DC24V的開關電源，最大電流為2A，滿足實驗的需要。3.7牛頓7000系列模塊當需要構成計算機控制系統(tǒng)時，過程控制裝置的數據采集和控制采用目前最新的牛頓7000系列遠程數據采集模塊和組態(tài)軟件組成，完全模擬工業(yè)現場環(huán)境，先進性與實用性并舉。有效地拉近了實驗室與工業(yè)現場的距離。它體積小，安裝方便，可靠性極高，D/A7024模塊4路模擬輸出，電流（4～20mA）電壓（1～5V）信號均可，A/D7017模塊8路模擬電壓（1～5V）輸入，485/232轉換7520模塊，轉換速度極高（300～115KHz），232口可長距離傳輸。3.8模擬量采集模塊模擬量采集模塊選用的是A/D牛頓7017模塊8路模擬電壓（1—5V）3.9模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊選用的是D/A牛頓7024模塊4路模擬輸出，電流（4—20mA）電壓（1—5V）信號均可。3.8通信轉換模塊通訊模塊選用485/232轉換牛頓7520模塊，轉換速度極高（300—115KHz），232口可長距離傳輸。3.10測量要求測量范圍：溫度：0~100℃液位：0~450cm壓力：0~0.1Mpa流量：0~0.3m3/h測量精度：溫度：<1%液位：<2%壓力：<2%流量：<0.1%4系統(tǒng)組態(tài)設計4.1流程圖與組態(tài)圖系統(tǒng)流程圖如圖4.1所示。LTA/DLTA/D計算機1D/AFTA/D計算機2D/AFTA/D計算機2積水箱積水箱 泵4.1系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)組態(tài)圖如圖4.2所示4.2組態(tài)畫面4.3數據字典4.4應用程序啟動OP1=0;OP2=0;運行if(StudentPower==0){closepicture("文");}if(StudentPower==1){PV11=(PV1-1)*125;PV22=(PV2-1)*5;SV=SV1/200;PV=PV11/200;if(MAN==1){EI=SV-PV;if(I1==0){Q1=0;}Q0=P1*(EI-EI1);if(I1!=0){Q1=P1*EI*0.2/I1;}Q2=P1*D1*(EI-2*EI1+EI2)/0.2;MX=Q0+Q1+Q2;OP1=OP1+MX;if(OP1<0){OP1=0;}if(OP1>100){OP1=100;}OP1=(OP1+25)/6.25;EI2=EI1;EI1=EI;MAN_OP1=OP1;}else{OP1=MAN_OP1+MX;MX=0;if(OP1<0){OP1=0;}if(OP1>100){OP1=100;}OP1=(OP1+25)/6.25;}{if(MAN2==1){EI3=OP1/PV22/20;if(I2==0){Q4=0;}Q3=P2*(EI3-EI4);if(I2!=0){Q4=P2*EI3*0.2/I2;}Q5=P2*D2*(EI3-2*EI4+EI5)/0.2;MX1=Q3+Q4+Q5;OP2=OP2+MX1;if(OP2<0){OP2=0;}if(OP2>100){OP2=100;}OP2=(OP2+25)/6.25;EI5=EI4;EI4=EI3;MAN_OP2=OP2;}else{OP2=\MAN_OP2+OP3;OP3=0;if(OP2<0){OP2=0;}if(OP2>100){OP2=100;}OP2=(OP2+25)/6.25;}}P1=P1;I1=I1;D1=D1;P2=P2;I2=I2;D2=D2;}停止I1=0;I2=0;D1=0;D2=0;4.5動畫連接4.6PID控制算法根據液位—流量串級控制系統(tǒng)的原理，運用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實現PID控制算法。本系統(tǒng)采用PID位置控制算式，其控制算式如下：上述算式中，Kp為比例系數，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設備的轉換值e(k)作為偏差。PID控制算法流程圖如圖4.3所示。取sp,pv形成偏差e(k)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)減a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+a0e(k)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+a0e(k)+u(k-1)輸出u(k)數據傳送：u(k)→u(k-1)數據傳送：e(k)→e(k-1