氩气流量控制系统设计文档格式.docx

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PID控制

摘要……………………………………………………………I

1概述……………………………………………………………1

2课程设计任务及要求……………………………………………2

2.1设计任务…………………………………………………2

2.2设计要求…………………………………………………2

3理论设计…………………………………………………3

3.1方案论证…………………………………………………3

3.2系统设计…………………………………………………3

3.2.1结构框图及说明………………………………3

3.2.2系统原理图及工作原理……………………………4

3.3单元电路设计………………………………………………4

3.3.1单元电路工作原理………………………………4

3.2.2元件参数选择……………………………………7

4系统设计…………………………………………………9

4.1软件设计…………………………………………………9

4.2编程过程…………………………………………………9

4.3编程结果…………………………………………………12

5安装调试…………………………………………………13

5.1安装调试过程…………………………………………………13

5.2故障分析…………………………………………………13

6结论…………………………………………………15

7使用仪器设备清单……………………………………18

8收获、体会和建议……………………………………19

9参考文献…………………………………………………20

1概述

氩气广泛应用于金属冶炼、飞机制造、原子能研究及国防研究等工业。

它的性质十分不活泼，既不能燃烧，也不助燃。

在对特殊金属（例如铝、镁、铜及其合金和不锈钢）进行焊接时，往往用氩气作为焊接保护气，防止焊接件被空气氧化或氮化。

在金属冶炼方面，氧、氩吹炼是生产优质钢的重要措施，每炼1t钢的氩气消耗量为1～3m3。

此外，对钛、锆、锗等特殊金属的冶炼，以及电子工业中也需要用氩气作保护气。

随着生产工艺的提高，传统的二次仪表已经无法满足现有的控制要求。

为了实现在这些生产工艺中对氩气流量的精确控制，本文提出了一套基于PLC可编程控制器为核心的氩气流量控制系统。

作为目前广泛应用的新一代工业控制装置，PLC采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，方便地与各种生产机械进行通信，控制各种类型的机械或生产过程。

为此，使用PLC作为控制核心，气体电动调节阀器作为执行元件，对气体流量进行精确、快速、可靠的自动控制。

2课程设计任务及要求

2.1设计任务

设计氩气流量控制系统，控制对象为管径φ5㎜内的氩气流量。

氩气流量可以在一定X围内由人工设定，实现自动控制，以保证氩气流量的准确。

氩气工作压力为0.5MPa。

2.2设计要求

1.选择合适的传感器、执行器、控制器，设计控制方案。

2.设计合适的控制算法及算法参数，达到以下要求：

（1）流量设定X围10~100N㎡/Min，最小区分度为1N㎡/Min。

（2）控制的静态误差≤0.1N㎡/Min。

（3）实现氩气流量的温度、压力补偿。

（4）操作界面的设计，包括（输入量的显示、设定参数的输入、控制参数的输入）

3理论设计

3.1方案论证

氩气流量控制系统由工业计算机、PLC可编程控制器、电动阀和氩气流量计等组成。

氩气流量设定值由计算机输入界面人工给定。

氩气流量计检测出管道内流量信号，通过变送装置反馈给PLC可编程控制器，与设定值进行比较。

PLC可编程控制器作为PID控制器，控制电动阀调节器，实现氩气流量的快速、无静差控制。

在氩气流量调节过程和正常生产过程中，可通过计算机的监视画面实时监控氩气流量。

3.2系统设计

3.2.1结构框图及说明

整个控制系统由工业计算机、PLC可编程控制器、电动阀和氩气流量计等组成，结构如图3.1所示。

1.工业计算机部分 

采用国内最稳定的研华原装工业电脑

型号：

研华IPC-610H（2.4GHz/6006LV）配置如下：

◆P42.4GCPU；

512MDDR2内存；

32M显卡；

80G硬盘；

软驱；

光驱；

4个USB2.0接口；

双10/100M网卡；

◆17英寸三星CRT显示器、联想天工工业键盘、鼠标套装。

2.工业计算机软件部分 

◆微软WINDOWS2000或WINDOWSXP操作系统

◆亚控科技组态王6.53◆三菱PLC编程软件GX-DEVELOPER7

3.可编程控制器PLC

采用日本三菱的Q00J系列可编程控制器，含DA和AD转换模块。

4.氩气流量计

采用XX安锐自动化仪表XX生产的AVS100系列氩气流量计（含温度传感器和压力变送器），工作压力≤1.6Mpa，输出信号为三线制电压脉冲或4~20mA标准电流，方便与自动化系统连接。

5.电动调节阀

选用FISHER公司生产的SAR10.1-ED型调节阀（含定位器），工作压力0.5MPa，工作温度0~263℃，采用电开方式。

3.2.2系统原理图及工作原理

工作原理：

系统的被控对象为管道，系统给定量由计算机设定，被控量为管道内氩气流量，反馈量由氩气流量计检测并送入PLC中，并与给定量进行比较，调节器按PID控制算法计算出实时控制量，来控制电动调节阀的控制阀开度，从而调节管路的流量，构成单闭环流量控制系统，系统原理图如图3.2所示。

比例、积分、微分控制（PID控制）结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。

PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。

它在比例的基础上引入积分，可以消除稳态误差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。

3.3单元电路设计

3.3.1单元电路工作原理

工业计算机和PLC用RS232通讯协议进行连接，通过计算机编制PID程序，然后下载到PLC中。

PLC使用三菱Q00J系列，Q62DA和Q64AD这两个模块进行信号的输入和输出。

Q62DA模块和电动阀进行连接，通过DA模块输出不同的电压值来控制电动阀的开度，进而实现氩气流量的控制。

Q64AD模块和氩气流量计进行连接，把氩气流量计反馈的电压值送入PLC中，进而判断氩气流量的大小。

硬件接线图如图3.3和图3.4所示。

图3.3硬件连线图

图3.4电机主回路连线图

下面对系统的各个部分进行详细介绍。

1.调节器——三菱Q系列PLC

Q系列PLC是三菱公司从原A系列PLC基础上发展过来的中、大型PLC系列产品，Q系列PLC采用了模块化的结构形式，系列产品的组成与规模灵活可变，最大输入输出点数达到4096点；

最大程序存储器容量可达252K步，采用扩展存储器后可以达到32M；

基本指令的处理速度可以达到34ns；

其性能水平居世界领先地位，可以适合各种中等复杂机械、自动生产线的控制场合。

Q系列PLC的基本组成包括电源模块、CPU模块、基板、I/O模块等。

通过扩展基板与I/O模块可以增加I/O点数，通过扩展储存器卡可增加程序储存器容量，通过各种特殊功能模块可提高PLC的性能，扩大PLC的应用X围。

Q系列PLC可以实现多CPU模块在同一基板上的安装，CPU模块间可以通过自动刷新来进行定期通信或通过特殊指令进行瞬时通信，以提高系统的处理速度。

特殊设计的过程控制CPU模块与高分辨率的模拟量输入/输出模块，可以适合各类过程控制的需要。

最大可以控制32轴的高速运动控制CPU模块，可以满足各种运动控制的需要。

通过GXDeveloper访问CPU，执行编程／监视功能，还可以设定参数，使PLC系统简单易用。

PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。

在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。

除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段，如图3.5所示。

图3.5PLC执行流程图

2.检测变送装置——氩气流量计

AVS100系列氩气流量传感器是根据“卡门涡街”原理研制成的一种流体振荡型流量仪表，主要用于测量工业管道中气体、液体、蒸气等流体的体积流量和质量流量。

其特点是压力损失小，量程X围大，精度高。

无可动机械部件，因此可靠性高，维护量小，仪表常数能长期稳定。

插入式仪表在管道的插入口安装，装卸简单，在脏污介质中运行时，可以方便地定期清洗和维修。

本仪表采用压电应力式传感器，可靠性高，可在－40º

C至＋350º

C的工作温度X围内工作。

，工作压力≤1.6Mpa，输出信号为三线制电压脉冲或4~20mA标准电流，方便与自动化系统连接。

3.执行器——电动调节阀

FISHER公司生产的SAR10.1-ED型调节阀调节阀用于调节氩气的的流量。

根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到氩气流量的调节。

氩气进入阀门，并通过导向筒上端的孔迅速进入平衡室。

由于氩气均衡作用于导向筒的内腔及外端，使得阀杆作用于导向筒的力趋于均衡，执行机构的载荷不随氩气压力的变化而过度变化，因此，运行过程中不平衡力小，稳定性好，不易振动，阀门内件不易损坏。

随着阀杆带动导向筒向上运动，氩气进入阀笼的第一、二层节流孔，直至流出调节阀体。

导向筒的上下运动，改变着阀笼上节流孔的数量，即氩气流过节流孔的节流面积。

形成各种流量特性，并实现流量的调节。

其流量特性如图3.6所示。

图3.6电动调节阀流量特性

3.3.2元件参数选择

1.工业计算机部分:

2.可编程控制器PLC:

选用三菱公司的Q00J型PLC（含Q64DA模块是62DA

AD模块是64AD和Q62DA模块），最大输入输出点数达到4096点；

基本指令的处理速度可以达到34ns。

3.电动调节阀：

选用FISHER公司生产的SAR10.1-ED型调节阀，含定位器，采用电开方式。

驱动方式：

电动380V，定位器信号输出：

4~20mA。

4.氩气流量计:

采用XX安锐自动化仪表XX生产的AVS100系列氩气流量计，工作压力≤1.6Mpa，输出信号为三线制电压脉冲或4~20mA标准电流，方便与自动化系统连接。

4.系统设计

4.1软件设计

利用组态王软件可以开发出友好的人机界面，实现对控制参数进行实时输入，并且能够直观地显示控制系统的实时趋势曲线。

系统的PID参数在一定的X围内可以任意调节，能够满足客户在不同场合下的不同要求。

同时氩气的流量也应该在监控画面上通过数字和曲线实时显示出来，以便客户方