基于流量比值智能仪表控制系统设计Word下载.docx
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Ratiocontrol;
MCGSconfigurationsoftware;
AI-808intelligentregulator
1绪论
1.1引言
随着科学技术的飞速发展，人们对过程控制提出了更高更新的要求，在许多生产过程中，要求两种或两种以上的物料流量按一定的比例关系混合进行化学反应，对于物料比例的要求就变得很严格，如果比例不满足要求，若是比例失调，会导致产品的质量达不到要求，以造成损失，甚至会导致事故的发生。
如在制药过程中，为了增加药效，需要对其中成分药物加入注入剂，生产工艺要求药物和注入剂混合后的含量必须符合要求的比例，否则会使药效降低而达不到要求。
研究比值控制系统是必需的，提高比值控制的精度及水平具有深远的意义。
在过程控制实验装置上利用AI调节器和PC机构成计算机控制系统，能配合教学，完成各种较为复杂的控制实验。
此类设计方案在许多中小企业中也得到广泛应用，具有重要的理论意义和实用价值。
1.2智能仪表的研究现状及发展趋势
1.2.1智能仪表的研究现状
智能仪器的出现，很大的扩充了传统仪器的应用领域。
智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低的优势，迅速地在家用电器、科研企业和工业中得到了广泛应用。
1.2.2智能仪器的发展概况
80年代以后，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，测量系统常通过IEEE—488总线连接。
不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展等。
90年代，仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：
微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计；
微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；
图像处理功能的增加十分普遍；
VXI总线得到广泛的应用。
近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。
国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。
1.2.3智能仪器发展趋势
（1）微型化
微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。
它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、医疗领域起到独特的作用。
（2）多功能化
多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。
多功能的综合型产品不但在性能上如准确度比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。
（3）人工智能化
人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、推理证明等各方面。
智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉图形及色彩辨读、听觉语音识别及语言领悟、思维推理、学习与联想等方面具有一定的能力。
显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。
（4）总结
智能仪器是计算机科学、电子学、人工智能、VLSI等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。
随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛的应用。
作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。
可以预料，各种功能的智能仪器在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。
1.3组态软件MCGS的基本原理及简介
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系统。
MCGS5.1为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现数据采集、实时和历史数据理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
本设计在传统的过程控制需要人工监测和人工调节的基础上,加入了MCGS组态软件进行辅助控制,具有自动监测和自动调节功能,它能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等。
设计步骤如下:
（1）建立工程项目。
（2）进行设备配置。
设备配置的目的是实现上下位机通讯,即实现计算机与智能仪表之间的连接。
通过设备窗口配置数据采集与控制输出连接与驱动设备用的数据变量。
（3）构造数据库。
要求与设备要求的数据库一致。
该窗口定义不同类型和名称的变量,作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
（4）制作图形画面,在用户窗口实现。
主要用于设置工程中人机交互的界面,诸如:
生成水位变化的动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
（5）定义动画链接。
动画链接是将动画与数据库变量建立联系,当数据库变量发生改变时动画就可以表现出来。
（6）报警系统。
当数据对象的值或状态发生改变时,实时数据库判断对应的数据是否发生报警,并把所产生的报警信息通知给系统的其它部分。
（7）运行与调试。
完成以上步骤以后,先进行组态检查通过后就可以进入运行环境调试。
2比值控制系统
2.1工作原理
比值控制分开环比值控制、单闭环比值控制和双闭环比值控制三种类型。
开环比值控制的控制方案最简单。
单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的缺点而设计的，这种方案的缺点是主流量没有构成闭环控制。
本系统采样单闭环比值控制方案。
2.1.1比值控制系统概述
比值控制系统是一种物料量随另一种物料量而变化的自动调节系统，根据实际生产过程的不同要求，常用比值控制系统有定比值控制系统和变比值控制系统。
其特点是以保持主流量F1和副流量F2比值一定为目的。
比值计算块的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值k也就固定不变；
当主流量F1发生变化时，比值控制回路快速随动跟踪，使副流量F2=k*F1关系变化，严格保持F2与F1的比例关系。
副回路任务是克服干扰，保证主控制器输出设定的比值系数，而主回路的任务是保证表征产品质量指标的主被控变量恒定，在变比值控制系统中的主被控变量必须是连续可测的。
2.1.2比值控制系统的特点
比值控制系统的特征是使两个或两个以上物料保持一定比例关系。
在要保持一定比例关系的物料中，起主导作用的物料称为主物料，也称为主动量，因为在过程控制中经常保持比例的参量是流量，常用Q1表示；
另一种物料跟随主物料的变化而成比例地变化，这种物料称为从物料，也称从动量，常用Q2表示。
两物料的比值系数可设定为K，则有：
K=Q1/Q2
2.1.3比值控制系统的类型
比值控制系统生成过程中工艺允许的负荷、干扰、产品质量等要求的不同，实际的比值控制方案也不同。
比值控制系统分为开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统等。
（1）单闭环比值控制系统
单闭环比值控制表示一个燃烧过程单闭环比值控制系统，主流量是燃料，副流量是空气。
FMT测量出主流量并变换为标准信号，乘以比值系数K后，作为副流量控制系统中被控变量Fs的给定值。
如此，可以保持主流量与副流量之间的比例关系。
从系统结构外观上看，似乎单闭环比值控制系统与串级控制系统很相似。
但它们的方块图是不同的，功能也是不同的。
单闭环比值控制系统的方块图如图2-1所示。
图2-1单闭环比值控制系统方块图
从图2-1中可以看到，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。
（2）双闭环比值控制系统
在主流量也需要控制的情况下，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，见图2-2
图2-2双闭环比值控制系统方框图
双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整（即工艺负荷提降）的场合。
如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。
2.1.4比值系数计算
流量比值与设置于仪表的比值系数是两个不同的概念，它们都为无量纲系数，但两者的数值是不等的。
流量比值k是流量的比值，它们可以同为质量流量、体积流量或折算为标准情况下的流量。
比值系数K是设置于比值函数模块或比值控制器中的参数。
2.2比值控制系统设计
2.2.1系统结构
比值调节系统中间过程变量计算及其控制是由计算机功能模块搭建来实现的，确定好控制方案后，在计算机里进行组态控制，选择一些控制需要的功能模块，如PID算法块、Ratio比值计算块、AO输出块，这些模块的功能将代替常规仪表中的调节器、比值控制器等。
最后建立组态好操作员控制界面工流程图（建立工艺流程及数据链接，显示便于生产操作）、报警组态及显示、历史趋势线等工作。
过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器被控对象、测控变量。
2.2.2控制系统
针对过程控制实验装置中的热工模拟对象，设计一个锅炉进水流量跟随出水流量的比值控制系统。
要求：
（1）使进水流量跟随出水流量的变化。
（2）分别对进水流量和出水流量分别进行定值控制。
（3）采用双闭环比值控制结构，比例系数为1，控制稳态误差不大于±
1%。
（4）系统具有流程图监视画面、参数设置和报警功能。
（5）系统具有实时趋势曲线和历史趋势曲线显示功能。
2.3系统方案设计
主从流量的选择
根据系统控制要求，选择出水流量为主动量，进水流量为从动量，构成双闭环系统控制，系统控制方框图如下图2-3所示。
图2-3比值控制系统方框图
系统采用比值控制系统，而双闭环环控制系统则是比单闭环控制增加了主流量控制回路。
当双闭环比值控制系统处于运行中，要是主动到干扰发生波动则主动量回路对其进行定值控制，使主动量一直稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主动量的波动进行调整；
当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定值控制，使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。
3控制系统总体方案与硬件实现
3.1控制对象及工艺流程
本系统使用实验室已有的“过程控制实验装置”完成设计，它是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。
该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。
3.2硬件实现
过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。
本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图3-1所示。
图3-1双闭环流量比值控制系统结构框图
3.3总体方案
系统采用双闭环控制系统，双闭环环控制系统是在单闭环控制的基础上，增加了主流量控制回路。
在双闭环比值控制系统工作时，若主动到干扰发生波动则主动量回路对其进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主动量的波动进行调整；
通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制量的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。
和单闭环比值控制系统相比，双闭环比值控制系统的突出优点如下：
（1）控制系统更为稳定：
对主动量的定值控制克服了干扰对主动量的影响，因此主动量变化平稳，从动量也将平稳，进而系统的总物料流量稳定，更好地满生产工艺要求。
（2）系统更易于调节：
当需要改变主动量的设定值时，主动量控制回路通过调节控制使主动量的输出值改变为新设定值，同时从动量也将随主动量按给定比化。
本系统中主动量为出水流量，从动量为进水流量，通过系统的调节，实现进水流量跟随出水流量变化。
单闭环比值控制能使两种物料间的比值较精确，方案实现起来方便，仅用一个比值器即可。
此方案适合于要求两流量之比一定，负荷变化不大，而对总流量变化无要求的情况。
本系统采用单闭环比值控制，其中支路的流量为主流量，支路的流量为副流量。
整个系统使用两个水泵一个电磁流量计一个涡轮流量计以及电磁调节阀，而电磁调节具有滞后性，因此本系统是一个具有滞后性能的控制系统受控对象:
管道;
受控变量:
支路流量;
操作变量:
扰动变量:
阀门开度的变化。
控制原理图和方块图如图3-2所示。
图3-2比值控制系统原理图和方块图
3.4PC机与智能调节器的连接
3.4.1PC机与单台智能调节器的连接
当一台PC机与一台智能调节器进行通信连接，查看所用计算机主机箱后的RS-232C串口数量、位置和几何特征；
查看计算机与智能调节器的串口连接线及其端口。
在计算机与智能调节器通电前，将传感器与智能调节器相连。
一般的PC机会具有RS-232通信接口，若调节器也具有RS-232通信接口，当两者通信距离比较近并且是一对一的通信时，二者可通过电缆直接连接。
注意，在用串口线将智能调节器与计算机连接时，调节器与计算机严禁通电，否则容易烧毁串口。
3.4.2PC机与多台智能调节器的连接
由于一个RS-232接口只能连接一台RS-232仪表，当PC机与多台具有RS-232接口的调节器通信时，可使用RS-232/RS485接口转化器，将计算机上的RS-232接口转换为RS-485接口，在信号进入调节器前再使用RS-485/RS-232转换器将RS-485接口转换为RS-232接口，再与调节器相连。
当PC机与多台具有RS-485接口的调节器通信时，由于两端设备接口电气特性不一，不能直接相连，因此，也采用RS-232接口到RS-485接口转换器将RS-232接口转换为RS-485信号电平，再与调节器相连。
如果PC机直接提供RS-485接口，与多台具有RS-485接口的调节器通信时不用转换器可直接相连。
RS-485接口只有两根线要连接，有+、-端（或成A、B端）区分，用双绞线将所有调节器的接口并在一起即可。
3.4.3PC机与智能调节器串口通信调试
PC机与智能调节器系统连接并设置参数后，可进行串口通信调试。
运行“串口调试助手”程序，首先设置串口号、波特率、校验位、数据位、停止位等参数（与仪表参数设置一致），选择十六进制显示和十六进制发送方式，打开串口。
在发送指令文本框先输入读指令：
8181520C，单击“手动发送”按钮，1号表返回数据串；
再输入读指令8282520C，单击“手动发送”按钮，2号表返回数据串；
再输入读指令：
8383520C，单击“手动发送”按钮，3号表返回数据串。
3.5控制对象及工艺流程
3.6智能仪表参数设计
根据控制要求，设计主调节器和从调节器的参数如表3-1和3-2所示。
参数符号赋值
上限报警（HIAL）100
正偏差报警（dHAL）105
控制方式（Ctrl）1
积分时间（I）10
输入规矩（Sn）33
输入上限显示值（dIH）100
输出下限（oPL）0
系统功能（CF）2
下限报警（LOAL）0
负偏差报警（dLAL）105
比例带（P）240
微分时间（D）0
输入下限显示值（dIL）0
输出方式（oP1）4
输出上限（oPH）100
运行状态（RUN）1
表3-1主调节器参数设定
表3-2从调节器参数设定
输入规矩（Sn）32
系统功能（CF）8
（1）上限报警：
测量值大于HIAL+dF值时仪表将产生上限报警。
测量值小于HIAL-dF值时，仪表将解除上限报警。
设置HIAL到其最大值（9999）可避免产生报警作用。
（2）下限报警：
当测量值小于LoAL-dF时产生下限报警，当测量值大于LoAL+dF时下限报警解除。
设置LoAL到其最小值（-1999）可避免产生报警作用。
（3）正偏差报警：
采用AI人工智能调节时，当偏差（测量值PV减给定值SV）大于dHAL+dF时产生正
偏差报警。
当偏差小于dHAL-dF时正偏差报警解除。
设置dHAL=9999（温度时为999.9℃）时，正偏差报警功能被取消。
（4）负偏差报警：
采用AI人工智能调节时，当负偏差（给定值SV减测量值PV）大于dLAL+dF时产生负偏差报警，当负偏差小于dLAL-dF时负偏差报警解除。
（5）控制方式：
CtrL=1，采用AI人工智能调节/PID调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。
（6）比例带：
P与每秒内仪表输出变化100％时测量值对应变化的大小成反比，当CtrL=1或3时，
其数值定义如下：
P＝1000÷
每秒测量值升高值（测量值单位是0.1℃或1个定义单位）
如仪表以100％功率加热并假定没有散热时，电炉每秒升1℃，则：
10＝100
P值类似PID调节器的比例带，但变化相反。
P值越大，比例、微分作用成正比增强，而P值越小，比例、微分作用相应减弱。
P参数与积分作用无关。
（7）、输入规矩：
Sn（33）1－5V电压输入
（8）输入下限显示值：
用于定义线性输入信号下限刻度值，对外给定、变送输出、光柱显示均有效。
dIL＝0.000（确定输入下限1V时压力显示值）
（9）输入上限显示：
用于定义线性输入信号上限刻度值，与dIL配合使用。
（10）输出方式：
oP1=4，4－20mA线性电流输出，主输出模块上安装线性电流输出模块。
（11）输出下限：
通常作为限制调节输出最小值。
当设置了分段功率限制功能时（参见CF参数设置），作为测量值低于下限报警时的输出上限。
如果选购了双向调节输出软件，当设置OPL<
0时，则仪表成为双向输出系统，表示冷输出最大限制。
（12）输出上限：
限制调节输出最大值。
（13）系统功能选择：
CF参数用于选择部分系统功能：
CF=A×
1+B×
2+C×
4+D×
8+E×
16+F×
32+G×
64
A=0，为反作用调节方式，输入增大时，输出趋向减小，如加热控制。
A=1，为正作用调节方式，输入增大时，输出趋向增大，如致冷控制。
B=0，仪表报警无上电/给定值修改免除报警功能；
B=1，仪表有上电/给定值修改免
C=0，仪表辅助功能模块按通讯接口方式工作；
C=1，仪表辅助功能模块按线性电
流变送输出方式工作。
D=0，不允许外部给定；
D=1，允许外部给定（仅适用AI－808/808P型）。
E=0，无分段功率限制功能，E=1，有分段功率限制功能（详见后文叙述）。
F=0，仪表光柱指示输出值，F=1，仪表光柱指示测量值（仅带光柱的仪表）。
G=0，仪表工作为AI-808P模式，G=1，仪表工作为AI-708P模式（仅适用于AI-808P）。
4基于MCGS的组态界面设计
4.1软件总体设计
由于PC机主要实现在线监视、优化和信息管理，因此软件设计的重点是AI-808智能调节器和PC机的通信以及监控画面的组态。
在MCGS中，通过用户设备的组态即可完成智能调节器和PC机的通信功能。
监控画面在用户窗口中完成，利用丰富的“动画组态”功能可快
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