工業(yè)過程控制-課程設(shè)計(jì)

PAGE1PAGE1工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)題目:基于組態(tài)軟件的液位—-流量串級控制系統(tǒng)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)：中2-211設(shè)計(jì)時(shí)間：2011/06/25設(shè)計(jì)成績：設(shè)計(jì)成績：指導(dǎo)教師：本欄由指導(dǎo)教師根據(jù)大綱要求審核后，填報(bào)成家并簽名。摘要《工業(yè)過程控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)》是完成《自動(dòng)控制原理》、《自動(dòng)控制系統(tǒng)》、《過程控制技術(shù)》、《電器與PLC》、《自動(dòng)化儀表》、《計(jì)算機(jī)控制》等理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后，為自動(dòng)化專業(yè)本科生開設(shè)的一門綜合性的專業(yè)課程，是較為重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生通過借助組態(tài)王6.53系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”對一個(gè)實(shí)用工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，提高學(xué)生工程意識(shí)和實(shí)踐技能，達(dá)到素質(zhì)和創(chuàng)新能力進(jìn)一步提升。關(guān)鍵詞：串級控制系組態(tài)王6.53控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及描述22.1控制方案22.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器33.3電動(dòng)調(diào)節(jié)閥43.4變頻器43.5水泵43.6開關(guān)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(zhuǎn)換模塊53.10測量要求54系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)64.1流程圖與組態(tài)圖64.2組態(tài)畫面74.3數(shù)據(jù)字典84.4應(yīng)用程序84.5動(dòng)畫連接114.6PID控制算法11參考資料12設(shè)計(jì)心得131引言本課程是在學(xué)完《工業(yè)過程控制》課程后的一個(gè)應(yīng)用性實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過本課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，學(xué)生應(yīng)對過程控制工程設(shè)計(jì)的概念有完整地了解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)課、專業(yè)課所學(xué)知識(shí)與工程實(shí)際知識(shí)的能力。通過對過程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，獲得面向工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的實(shí)踐知識(shí)，初步掌握過程控制系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的技能。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(gè)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(chǎn)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(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這里“過程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)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(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)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(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，對過程控制品質(zhì)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(jīng)難以滿足一些復(fù)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(jié)構(gòu)形式串聯(lián)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(diǎn)。串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；本文論述了一個(gè)基于組態(tài)軟件的液位—流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和步驟，參數(shù)整定放法。在此過程中，介紹了液位和流量進(jìn)行檢測和轉(zhuǎn)換的常用元件，應(yīng)用階躍響應(yīng)曲線推導(dǎo)了廣義對象的傳遞函數(shù)，簡單的論述了串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行了仿真，最后用組態(tài)軟件編制程序來實(shí)現(xiàn)控制。1.1控制要求1.1.1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，正確選用過程儀表。1.1.2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。1.1.3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。1.1.4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。1.1.5提交包括上述內(nèi)容的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及描述2.1控制方案在本系統(tǒng)中被控參量有兩個(gè)，上水箱液位和管道流量，這兩個(gè)參量具有相關(guān)聯(lián)系，流量的大小可以影響上水箱液位，根據(jù)流量與液位的關(guān)系，故系統(tǒng)采用串級控制，內(nèi)環(huán)為流量控制，外環(huán)為液位控制。內(nèi)環(huán)與外環(huán)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。外環(huán)液位控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)流量控制器的設(shè)定值，流量控制器的輸出來控制調(diào)節(jié)閥的大小，來控制管道流量的大小，進(jìn)而控制上水箱液位。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框圖如下圖計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)閥x1(t)x2(t)e(t)u(t)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)閥計(jì)算機(jī)液位流量g(t)q(t)y(t)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jìn)行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，采用高品質(zhì)、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(jìn)口同類儀表。校驗(yàn)的方法是通電預(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)闉槎€制，故工作時(shí)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(jìn)行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。3.2電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器流量傳感器用來對電動(dòng)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)本實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)信號輸出?？膳c顯示，紀(jì)錄儀表，積算器或調(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)，確保實(shí)驗(yàn)效果能達(dá)到教學(xué)要求。主要優(yōu)點(diǎn)：1.）采用整體焊接結(jié)構(gòu)，密封性能好；2.）結(jié)構(gòu)簡單可靠，內(nèi)部無活動(dòng)部件，幾乎無壓力損失；3.）采用低頻矩形波勵(lì)磁，抗干擾性能好，零點(diǎn)穩(wěn)定；4.）儀表反應(yīng)靈敏，輸出信號與流量成線性關(guān)系，量程比寬；流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ-4型電磁流量轉(zhuǎn)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(fù)載電阻為0~750Ω，基本誤差：輸出信號量程的±0.5%。3.3電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動(dòng)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，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)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，泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4-20mA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。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強(qiáng)大，運(yùn)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╇?，頻率可高達(dá)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(huì)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(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。3.6開關(guān)電源DC24V的開關(guān)電源，最大電流為2A，滿足實(shí)驗(yàn)的需要。3.7牛頓7000系列模塊當(dāng)需要構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，過程控制裝置的數(shù)據(jù)采集和控制采用目前最新的牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊和組態(tài)軟件組成，完全模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，先進(jìn)性與實(shí)用性并舉。有效地拉近了實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)現(xiàn)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(zhuǎn)換7520模塊，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊通訊模塊選用485/232轉(zhuǎn)換牛頓7520模塊，轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)1D/AFTA/D計(jì)算機(jī)2D/AFTA/D計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)字典4.4應(yīng)用程序啟動(dòng)OP1=0;OP2=0;運(yùn)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(dòng)畫連接4.6PID控制算法根據(jù)液位—流量串級控制系統(tǒng)的原理，運(yùn)用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實(shí)現(xiàn)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(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，以u(k)作為計(jì)算機(jī)的當(dāng)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(shù)據(jù)傳送：u(k)→u(k-1)數(shù)據(jù)傳送：e(k)→e(k-1