测控系统综合课程设计.docx

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测控系统综合课程设计

测控系统综合设计

题目基于组态的A3000流量监控系统设计

专业

自动化（计算机测控）

学生姓名

马健

班级

B自动化093

学号

0910603314

完成日期

2012.12.19

盐城工学院电气学院

内容提要

本设计对多种器件进行了综合运用，运用了测控和仪器仪表，智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等仪器，都无一例外地利用计算机的软件和硬件优势，从而既增加了测量功能，又提高了技术性能，使设计达到可以基于组态的A3000使用变频器进行流量监控系统的设计。

结合了A3000现场系统、智能仪表控制系统等硬件和组态控制软件技术完成此测控系统综合设计。

A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。

现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括电动调节阀、变频器及调压器）、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。

现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统，一个硬件联锁保护系统。

传感器和执行器系统包括5个温度、3个液位、1个压力，1个电磁流量计，1个涡轮流量计，1个电动调节阀，两个电磁阀，2个液位开关。

随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片（即单片机）出现了。

以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。

智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。

智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。

“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。

在工业控制技术不断发展和应用的过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。

它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

目录

一、1、设计目的和意义……………………………………………………3

2、主要功能……………………………………………………4

二、1、测控对象分析……………………………………………………5

2、系统设计……………………………………………………7

3、原理介绍……………………………………………………8

三、1、系统硬件选择……………………………………………………9

2、软件设计……………………………………………………10

3、电气接线……………………………………………………11

4、系统组态仿真结果……………………………………………………12

四、设计体会……………………………………………………14

五、参考文献……………………………………………………15

一、1、设计目的和意义

本次课程设计是为《测控系统综合设计》课程而开设的综合实践教学环节，是对《测控技术与系统》、《自动控制理论》、《工控机与组态软件控制技术》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。

本设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。

（1）、了解单闭环流量控制系统的结构组成与原理。

（2）、掌握变频器操作方法，了解变频器调速原理和意义。

（3）、掌握单闭环流量控制系统调节器参数的整定方法。

（4）、测量变频器输出速度和水泵流量特性。

（5）、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。

（6）、研究P、PI、PD和PID四种控制分别对流量系统的控制作用。

2、主要功能

很多液压系统对流量都有控制要求，常用的流量控制方法是使用流量调节阀，变量泵来对系统流量进行控制。

随着变频器技术的发展和应用，人们认识到利用变频器控制电动机转速来调节定量泵的流量也是一种很好的流量控制手段。

变频调速以其优良的控制性能和高效的节能优点在工业领域和民用领域得到了广泛的应用和发展。

变频调速是公认的最为理想，最有发展前景的调速方式之一。

随着计算机，可编程控制器以及其他智能控制设备在控制领域的广泛应用，诞生了大量基于各种总线和通信协议的通信方式。

变频器通过调节电动机的转速可以控制液压系统的流量，并且能够获得较好的调节效果。

二、1、测控对象分析

图1为使用变频器控制流量的系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。

系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。

由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。

图1变频器控制流量的系统框图

干扰对系统性能的影响：

（1）干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。

干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。

若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。

如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。

即时间常数Tf越大，则系统的动态偏差就愈小。

通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。

（2）干扰进入系统中的不同位置。

复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。

对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。

参数调节：

（1）比例（P）调节

纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。

由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。

这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。

其传递函数为：

Gc（s）=KP=1/δ,

式中KP为比例系数，δ为比例带。

（2）比例积分（PI）调节

PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。

其传递函数为:

Gc（s）=Kp（1+1/TIs）＝1/δ（1+1/TIs）,

式中TI为积分时间。

（3）比例微分（PD）调节

这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。

因此一般不用于流量和液位控制系统。

PD调节器的传递函数为：

Gc（s）=Kp（1+TDs）＝1/δ（1+TDs）,

式中TD为微分时间。

（4）比例积分微分（PID）调节器

PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。

由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。

它的传递函数为

Gc（s）=Kp（1+1/TIs+TDs）＝1/δ（1+1/TIs+TDs）

2、系统设计

（1）、把电磁流量计信号连接到AI0。

把变频器控制信号连接到DDC控制系统的AO0。

把电动调节阀控制信号连接到DDC控制系统的AO1；

（2）、打开阀门JV201，JV206，其他阀门关闭；

（3）、把右边水泵连接到变频器上，系统上电；

（4）、打开调节阀电源。

把AO1的输出到最大值，让调节阀全开；

（5）、在实验面板上接好线，确认无误后打开实验机柜电源和水泵开关；

（6）、运行组态程序；

（7）、打开电磁流量计电源。

注意下水箱闸板拉开些，避免溢出。

电磁流量计运行一定时间后再开始测量；

（8）、变频器设置到面板控制，STF打到ON位置，设定频率在5Hz，10Hz，一直到50Hz。

记录此时电磁流量计的输出值。

注意设定新的调节阀控制量后，一定要等2秒的时间再记录；

（9）、变频器设置为外部，设定AO0定在5%，10%，一直到100%电流值下，记录每次改变后的变频器频率数值；

（10）、在变频器频率等于0时，把控制信号突然给定为20毫安，然后观察变频器的频率输出。

通过抓图获得电磁流量计曲线。

这个曲线反映了变频器控制的滞后。

相比之下变频器控制比调节阀快速得多。

变频器逐步变化特性保护了水泵；

（11）、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。

关闭全部电源设备，拆下实验连接线。

3、原理介绍

变频器可以面板控制，也可以4-20毫安控制，为了方便控制，我们已经把变频器设定为电流控制状态，即工作模式3。

把RM端定义为AU，并连接到SD端。

启动变频器后，打开变频器STF开关，变频器就开始按照给定的电流输出，而不是等待按RUN键，关闭变频器STF开关可以关闭输出。

按STOP键也可以关闭输出，但此时只能关闭变频器，断开后再启动才能继续工作。

即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。

因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装工作。

如果要学习其它操作模式，可以把p79模式设置为0，进行面板控制。

通过面板设置操作。

按mode键，然后转动旋钮，出现P79，然后按SET键，此时进入工作模式设置。

再次转动旋钮，那么出现0，1，2，3，4等。

例如你要进行面板控制，例如频率修改，则选择模式0，按SET键。

如果要选择4-20毫安控制，则选择模式3。

按SET键。

如果是模式0，首先按PU键，进入PU模式，按RUN则运行。

通过旋钮选择一个频率，按SET键。

屏幕闪动显示F和设置频率，表示开始设置，变频器逐步变动频率到目标位置，最后稳定在目标位置。

如果在运行时不是显示频率，则可以多次按MODE键。

4、控制系统接线表

测量或控制量

测量或控制量标号

使用控制器端口

流量

FT102

AIO

变频器

TR101

AO0

三、1、系统硬件选择

硬件选择主要是智能调节器的选择，可采用单片机做实时监控芯片，结合外围电路实现流量信号的变换、采集、PID运算与控制输出等功能。

为了能实时调整PID参数，需增加键盘扫描电路；为了显示PID参数和流量的大小，需增加显示模块。

（1）、百特智能调节器选择：

其参数如下

①输入信号：

模拟量热电偶：

B、E、J、K、S、T、WRe3-25、F2

  电 阻：

Pt100、Pt100.1、Cu50、Cu100、BA1、BA2

 电 流：

0～10mA、4～20mA、0～20mA，输入阻抗≦250

  电 压：

0～5V、1～5V

波形：

矩形、正弦或三角波

幅 度：

光电隔离，大于4V（或根据用户要求任定）

  频率：

0～10KHz（或根据用户要求任定）

②输出信号：

DC4～20mA

③精度：

测量显示精度     ±0.5%FS或±0.2%FS

频率转换精度  ±1脉冲（LMS）一般优于0.2%

（2）流量计选型：

FFT-0015

精度：

±0.5%R

口径：

250mm,标准量程120—1200m3/h

重复性：

0.05%～0.2%

（3）A3000-FS常规现场系统

（4）变频器

（5）工控机：

研华IPC-6226U20

2、软件设计

（1）、编写“流量变频器PID单回路控制实验”的组态软件。

（2）、将智能调节器FC1设置为单路输入内给定、人工模糊自整定PID调节方式；

（3）、调节PID参数：

积分分离值为0，先使积分时间TI为一较大值，微分时间TD为0；调节比例带P，使流量Q1能稳定到给定值附近，且过渡时间不太大、超调量满足工艺要求；再调节积分时间TI，使流量Q1的稳态误差减小以满足工艺要求。

若此时过渡时间也能达到工艺要求，则可以不要微分作用，若不能满足则慢慢增加微分时间TD，使调节时间减小以满足工艺要求。

说明：

在调节比例带P使流量能稳定到给定值附近后，主要需解决的是减少稳态误差（减小TI）、减少超调量（增加比例带P或积分时间TI）和减少过渡时间（增加微分时间TD或减小积分时间TI），P、TI、TD这3个参数主要需调节的是P和TI，观察无纸记录仪的响应曲线，多试几组参数，使流量控制达到工艺要求。

3、电气接线

4、系统组态仿真结果。

1）系统总图画面：

2）流量监控画面：

四、设计体会

通过本次课程设计，使我对组态王这一软件有了一个新的了解和认识，总的来说收获还是很多的。

虽然在此次课程设计的过程中碰到了许多困难，但是通过查资料以及自己反复的推敲，最终还是使问题得以解决，为此，我也收获了很多喜悦。

然而，除此之外，最重要的是，这次课程设计给了我一个完全独立思考，勇于创新和尝试的机会，所有的程序编写以及每个画面所实现的功能，都是我自己独立完成的，虽然，程序并不算完美，但是却可以实现题目要求大体的功能。

总而言之，这次课程设计给了我从独立思考问题到专研问题再到解决问题的一个很好的实践机会。

使我收益颇多。

学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

五、参考文献

[1]史健芳.智能仪器设计基础[M].北京：

电子工业出版社，2012.

[2]孙传友，孙晓斌.测控系统原理与设计[M].北京：

北京航天航空大学出版社，2007

[3]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京：

清华大学出版社，2001.

[4]薛迎成，何坚强.工控机及组态控制技术[M].北京：

中国电力出版社，2010.

[5]组态王6.5初级培训教程[Z].北京亚控公司，2007.