基于组态软件的流量比值过程控制系统设计Word下载.docx
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通过某种组态软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的双容液位单回路过程控制系统。
任务要求
1.根据双容液位单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。
2.根据双容液位单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。
3.根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。
4.运用组态软件，正确设计双容液位单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
5.提交包括上述内容的课程设计报告。
主要参
考资料
[1]组态王软件及其说明文件
[2]邵裕森．过程控制工程．北京：
机械工业出版社2000
[3]过程控制教材
[4]辅导资料
审查意见
指导教师签字：
年月日
目录
1绪论....................................................1
2设计目的与要求..........................................1
2.1设计目的..............................................2
2.2控制要求..............................................2
3.系统结构设计...........................................2
3.1控制方案..............................................2
3.1.1方案比较...........................................2
3.1.2方案论证............................................4
3.1.3方案选择............................................4
4.过程仪表选择............................................5
4.1流量检测传感器........................................5
4.2电动调节阀...........................................5
4.3过程模块.............................................6
4.4变频器...............................................6
5系统组态设计............................................7
5.1组态图................................................7
5.2组态画面..............................................7
5.3数据字典..............................................9
5.4应用程序.............................................10
5.5动画连接.............................................13
6结论..................................................13
7心得体会.............................................15
8参考文献..............................................16
摘要
单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。
此文主要讲的是强碱氢氧化钠的单闭环流量控制法。
关键字：
单闭环比值控制系统设计主副物料工业生产过程
1绪论
在工业生产过程当中，有很多是要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故，所以严格控制其比例，对于安全生产来说是十分重要的。
特别是在产品生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行生产，如果比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统.由于过程工业中大部分物料都是以气态,液态或混合的流体状态在密闭管道,容器中进行能量传递与物质交换,所以保持两种或几种物料的比例实际上是保持两种或几种物料的流量比例关系,因此比值控制系统一般是指流量比值控制系统.
在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,这种物料称之为主物料,表征这种物料的参数称之为主动量。
由于在生产过程控制中主要是流量比值控制系统,所以主动量也称为主流量,用Q1表示；
而另一种物料按主物料进行配比,在控制过程中随主物料而变化；
因此称为从物料,表征其特性的参数称为从动量或副流量,用Q2表示。
一般情况下,总是把生产中主要物料定为主物料。
在有些场合,以不可控物料定为主物料,用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。
比值控制系统就是要实现副流量Q2与主流量Q1成一定比值关系,满足如下关系式:
K=Q2/Q1，式中K为副流量与主流量的流量比值。
本课程设计主要针对工业上优质氢氧化钠的生产，介绍的是一种单闭环流量比值控制系统，利用该系统，利用单闭环比值随动控制实现氢氧化钠生产中氧化铜溶液的自动配料。
通过检测在硫酸钠溶液中按一定比例自动连续地掺加氧化铜溶液的多少。
利用单闭环比值控制的方式可以实现氧化铜溶液与硫酸钠溶液比例的恒定，达到了提高氢氧化钠质量的目的,同时生产生成的硫化铜经过焙烧氧化后可以循环利用。
由此得到合格的产品和安全的生产过程。
经实验和实践运行，证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。
2设计目的与要求
2.1设计目的
通过组态王软件，结合实验设备，按照定制系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制结构程序的液位单回路过控制系统。
2.2控制要求
1.根据流量比值单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。
2.根据流量比值单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。
3.根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。
4.运用组态软件，正确设计流量比值单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
3.系统结构设计
3.1控制方案
3.1.1方案比较
比值控制系统在实际生产中，可以根据实际情况选择不同的控制方案，比值系统的类型主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。
方案一：
开环比值控制系统是最简单的比值控制系统其系统组成如图2-1所示，整个系统是一个开环控制系统。
图2-1
（1）工艺流程图
（2）开环比值控制系统原理图
方案二：
根据比值系统的类型来设计生产氢氧化钠的控制系统，由单闭环比值控制系统原理设计的系统框图如图2-2所示。
图2-2单闭环流量比值控制系统原理框图
3.1.2方案论证
就所设计的两种方案的方框图来看，明显可以看出方案二较之于方案一复杂，选用的设备也更多，但对于实际生产，生产效率和质量十分重要，因此对系统的稳定性和精确度要求较高，下面就这些因素对两个方案进行论证。
方案一的开环比值控制方案对副物料氧化铜溶液本身无抗干扰能力，只能适用于副物料较平稳且要求不高的场合。
实际生产过程中，副物料的干扰常常是不可避免的，因此生产上很少采用开环比值控制方案。
方案二的单闭环流量比值控制系统，与串级控制系统很相似，但功能很是不同。
可以见得，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级不同的地方，串级中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而比值中，副流量不会影响主流量，这是两者之间本质上的区别。
经过分析，当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；
在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。
另外，如果主流量处于不变的状态，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。
3.1.3方案选择
通过前面方案的论证可知，开环比值控制系统适用于稳定性要求不高，扰动小的工业场合。
而单比值闭环控制系统它不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身的干扰对比值的影响，因此主副流量的比值较为精确。
设计针对控制对象，主流量选择为硫化钠溶液，而副流量则选择是氧化铜溶液，实际生产中，由于这两种化学成分并不十分稳定，因而可能造成扰动频繁，并且属于负荷变化较大。
经过分析，选择方案二的单闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统。
如下图所示的原理方框图2-3。
图2-3氧化钠溶液单闭环比值控制自动配料系统框图。
4过程仪表选择
4.1流量检测传感器
本设计当中采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0～0.3m3/h，压力1.6Mpmax,4-20mA标准信号输出。
可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。
它的优点：
1.采用整体焊接结构，密封性能好；
2.结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；
3.采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；
4.仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽；
流量转换器采用LDZ-4型电磁流量转换器，与LDS-10S型电磁流量传感器配套使用，输入信号：
0～0.4输出信号：
4～20mADC，允许负载电阻为0~750Ω，基本误差：
输出信号量程的±
0.5%。
4.2电动调节阀
采用电动调节阀对控制回路的液体的流量进行调节。
采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电路采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。
控制单元与执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。
由输入控制信号4~20mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。
采用PS电子式直行程执行机构，4~20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断防止泄漏。
性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。
4.3过程模块
采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块。
牛顿7000系列模块体积小，安装方便，可靠性高。
D/A模块采用牛顿7024，四通道模拟输出模块，电流输出4~20mADC，电压输出1~5VDC，精度14位。
使用7024模块的1通道I01作为可控硅的电压控制通道。
A/D模块采用牛顿7017，八通道模拟输入模块，电压输入1~5VDC。
使用7024模块的1通道IN1作为A流量信号检测输入通道，7024模块的2通道IN2作为B流量信号检测信号输入通道。
通信模块采用牛顿7520。
RS232转换485通讯模块。
使用RS-232/RS485双向协议转换，转速为300~115200bps，可长距离传输。
控制回路中电磁阀的开关量输出模块采用牛顿7043，16通道非隔离集电极开路输出模块。
最大集电极开路电压30V，每通道输出电流100mA，可直接驱动电磁阀设备。
4.4变频器
采用西门子MICROMASTER440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。
该系列有多种型号，额定功率范围从120W到200kW恒定（转矩CT控制方式），或者可达250kW（可变转矩VT控制方式），供用户选用。
本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。
因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。
全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
MICROMASTER440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。
MICROMASTER440既可用于单机驱动系统，也可集成到‘自动化系统’中。
5系统组态设计
5.1组态图
PV1
PV2
图4-1系统组态图
如上图所示，主动量液体的测出的流量值PV1经过比值器，与PV2进行偏差运算，再进行PID运算。
系统一般在手动的情况下是不输出值的，因为在此时在进行参数设置，若此时输出值，得到的结果不是预期要的，所以系统在手动的情况下PID控制无输出值输出。
只有在自动的情况下，PID才有输出值输出。
5.2组态画面
图4.2主界面
图4.3历史曲线
本设计共有两个个画面：
主界面、历史曲线。
主界面如图4.2，在主界面中有三个反应容器，它们在本设计中只是作为容器，装硫酸钠溶液的A、装氧化铜溶液的B和氢氧化钠混合液体，所以在本设计中没有设置动画连接，因为本设计主要考虑的是流量比值控制。
在主界面中还有两个电动调节阀和两个电磁流量计，两个电动调节阀分别是控制硫酸钠液体和氧化铜液体的流量，两个电磁流量计分别是测量硫酸钠液体和氧化铜液体的流量值。
当我们启动系统后进入主界面我们首先在手动状态下（手动指示为蓝色）设置硫酸铜液体的电动调节阀的开度，使硫酸铜液体得流量稳定，然后设置Kp，Ti，Td，Kc，设置这五个参数后，按下按钮后进入自动环节，系统按设定好的PID算法得到输出，使硫酸铜液体的流量与氧化铜液体的流量成设定的比例并稳定于此。
期间画面也能显示出电动调节阀的开度、流量值，并且管道也能模拟液体的流动。
并且在主界面中也能直接观察实时曲线，查看系统的稳定情况。
当我们要观察历史的曲线时，我们可以单击历史曲线按钮，进入历史曲线界面。
历史曲线界面如图4.2，在画面中有历史曲线框和两个按钮：
返回（返回到主界面）和退出。
5.3数据字典
根据控制系统的需要建立数据词典，以便确定内存变量与I/O数据，运算数据的关系。
只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。
本系统中所涉及到的变量的类型主要有与AD，DA设备进行数据交换的I/O实型变量，控制电磁阀开关的I/O离散变量，用于定以开关动画连接的内存离散变量，参于PID运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内存整型变量等。
具体的数据词典如下表4.3所示。
表4.3数据字典
变量名
变量描述
变量类型
ID
连接设备
寄存器
U（k）
控制B电动调节阀输出
I/O实型
21
DA
AO0
PV
硫化钠液体流量测量值
22
AD
AI1
PV2
氧化铜液体流量测量值
I/O实现
23
AI2
自动开关
手动/自动
内存离散
24
Sp
设定值
25
AO1
Kp
比例系数
内存实型
26
Ti
积分系数
27
Td
微分系数
28
Kc
比值器大小
29
输出A电动调节阀的开度大小
30
A流量测量值
显示A流量
31
B流量测量值
显示B流量
32
B阀门开度
显示B电动调节阀开度
33
q01
增量型算法系数1
34
Q02
增量型算法系数2
35
Q03
增量型算法系数3
36
T
采样周期
37
ek0
现在的偏差
38
ek1
前一次偏差
39
ek2
前两次偏差
40
P
P=Kp1
42
TI
TI=Ti/T
43
D
D=Td/T
44
Gmax
电磁流量计的最大流量值
45
U（k0）
前一次控制B电动调节阀输出
46
5.4应用程序
本系统的主要的实现是PID算法的实现，根据流量比值单回路控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写语言实现PID控制算法。
下图4.4为pid的算法的流程图，取采样周期Ts=1s。
图4.4PID算法流程图
本系统采用PID位置控制算式，其控制算式如下：
u（k）=u（k-1）+KP（1+T/Tt+TD/T）e（k）-KP（1+2TD/T）e（k-1）+KP*TD/Te（k-2）
=u（k-1）+a0e（k）-a1e（k-1）+a2e（k-2）
a0=KP（1+T/Tt+TD/T）
a1=KP（1+2TD/T）
a2=KP*TD/T
算式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，以u（k）作为计算机的当前输出值，以Kc*PV作为给定值，PV2作为反馈值即AD设备的转换值，e（k）作为偏差。
具体程序如下
启动时
T=1;
TI=Ti/T;
D=Td/T;
U（k）=0;
ek0=0;
ek1=0;
ek2=0;
Sp=0;
ShowPicture（"
开机画面"
）;
运行时：
if（自动开关==1）
{
Gmax=100;
P=Kp;
TI=Ti/T;
D=Td/T;
q01=P*（1+1/TI+D）;
q02=P*（1+2*D）;
q03=P*D;
ek0=Kc*PV-PV2;
U（k）=q01*ek0-q02*ek1+q03*ek2+U（k0）;
U（k0）=U（k）;
ek2=ek1;
ek1=ek0;
Sp=设定值*0.4+4;
A流量测量值=（PV-1）/4*Gmax;
B流量测量值=（PV2-1）/4*Gmax;
B阀门开度=（U（k）-1）/4*Gmax;
}
停止时
ek2=0;
5.5动画连接
图4.5动画连接图
当系统启动后，进入主界面，设定好参数后，进入自动状态。
画面中的管道模拟液体的流动，它是与电动调节阀相关联的，只要电动调节阀是有开度的，管道就能模拟液体的流动。
方块中的值为系统的相应实时值，它们分别与流量测量值、阀门开度相关联。
矩形条中填充的红色反应电动调节阀的开度，它与方块中的值是相对应的，能比较直观的反应阀门的开度。
6结论
单闭环流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型。
本设计针对生产中两种液体的混合的控制，对其设计了单闭环流量比值控制系统，将硫化钠溶液作为主流量，氧化铜溶液为副流量进行设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于计算机实现过程的自动控制。
心得体会
在这次课程设计中收获颇多，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。
设计过程中，了解了一些从前没有多少接触的硬件设备，如电动调节阀、电磁流量计。
经过本次课程设计，我对工业过程控制系统的开发控制流程有了全面的了解，初步了解了PID控制规律在实际控制工程中的应用，很好的做到了理论与实践的结合，进一步加深了对PID控制算法理解，除此之外，还对在实际工程中应用极为广泛的组态王软件，这位我们以后的工作打下了良好的基础。
参考文献
[1]组态王软件及其说明文件
机械工业出版社2000
[3]过程控制教材
[4]辅导资料
[5]曹立学.基于组态软件的计算机液位串机控制系统设计[J]工业控制计算机，2008
[6]韩军,冯辉.双闭环比值控制系统应用实例[J].宁夏石油化工,2004
[7]曹立学.基于组态软件的流量比值控制系统设计[J]仪器仪表标准化与计量,2009
[8]王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表[M].北京：
机械工业出版社，2006
[9]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：
化学工业出版社，1998
[10]丁轲轲.自动测量技术[M].北京：
中国电力出版社，2004
[11]王俊杰.检测技术与仪表[M].武汉：
武汉理工大学出版社,2001
[12]吴勤勤.控制仪表及装置[M].北京：
化学工业出版社，2002
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