单闭环管道流量比值控制系统设计.docx
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单闭环管道流量比值控制系统设计
《单闭环管道流量比值控制系统》
过程控制系统课程设计说明书
专业班级：
11级自动化1班
姓名：
孙勇李自强周程鲍凯
学号：
080311009080311022
080311035080311047
指导教师：
陈世军
设计时间:
2014年6月11日
物理与电气工程学院
2014年6月11日
摘要
在现代工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一定的比例关系，一旦比例失调，就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。
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。
通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之为流
量比值控制系统，这次课程设计的内容就是流量比值过程控制系统。
流量测量是比值控制的基础。
各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70%左右），必须正确选择使用。
在工程上，具体实施比值控制时，通常有比值器、乘法器或除法器等单元仪表可供选择，相当方便。
若采用计算机控制来实现，只要进行乘法或除法运算即可，我们这次就主要使用计算机及组态王软件进行设计。
关键词：
组态王；流量；比值控制系统
1、引言1
1.1主要内容1
1.2任务要求1
2、设计方案2
2.1设计原理2
2.2系统原理图2
2.3MATLAB仿真调试3
3、硬件设计4
3.1使用仪器4
4、软件设计7
4.1PLC程序7
4.2MCGS系统组态设计11
4.2.1组态图11
4.2.2静态画面12
4.2.3数字字典14
4.2.4系统应用程序16
4.2.5动画连接17
5、课程设计总结17
6、参考文献18
1、引言
1.1主要内容
本课程设计是学完《过程控制系统》课程后的一个应用性实践环节。
通过本课程设计的训练，对过程控制工程设计的概念有完整地了解，同时培养综合应用基础课、专业课所学知识与工程实际知识的能力。
通过对过程控制系统的分析与设计，获得面向工业生产过程系统分析与设计的实践知识，初步掌握过程控制系统开发和应用的技能。
基于组态软件的流量比值过程控制系统通过某种组态软件，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，通过流量传感器将检测到的流量与设定值送入计算机，计算机运用PID算法得到相应的控制信号，并将其输出给执行器，然后执行器调节调节阀，以达到调节流量的控制目的。
设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的流量比值单回路过程控制系统。
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流量的控制，对其设计了单闭环流量比值控制系统，将液体A作为主流量，液体B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。
1.2任务要求
根据要求自己设计系统结构，分析系统的特点和系统特性，在实验室连接系统部件、构造硬件系统。
可以自己跳线、连线，并连好对象、控制器、计算机，但是打开电源之前必须经过指导教师检查。
在过程监控计算机上编制相应监控组态程序。
通过对控制器、监控计算机和实验对象的联机调试、执行、观察结果，达到预期应用功能和控制目的，比较不同方案的应用效果。
2了解流量比值控制系统的物理结构，闭环调节系统的数学结果和PID控制算法。
⑵逐一明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理，连接方法，信号种类，信号调理电路，引入PLC的接线以及PLC中的编址。
⑶逐一明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。
⑷绘制出流量控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。
⑸编制PLC的程序结合过程控制实验室的现有设备进行调试，要求能在实验设备上演示控制过程。
2、设计方案
2.1设计原理
比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制、双闭环比值控制、串级比值控制系统和变比值控制系统。
开环比值控制是最简单的控制方案。
单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定比值控制在系统运行过程中其比值系数是不变的。
串级比值控制系统实现两种物料的比值随第三个参数的需求而变化。
变比值控制系统最终目的是生产过程的结果，物料按比值输出不是关键。
根据设计要求，本系统必须采用单闭环比值控制或双闭环比值控制，本系统采取单闭环控制方案。
2.2系统原理图
图1单闭环流量比值控制系统原理图
2.3MATLAB仿真调试
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。
取采样周期Ts=1s。
本系统采用PID位置控制算式，其控制算式如下：
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。
图5PID控制器
图6仿真结果
3、硬件设计
3.1使用仪器
3.1.1流量计（涡轮流量计、电磁流量计）
1）、涡轮流量计：
输出信号：
频率，测量范围：
0~0.6m3/h
接线如图所示：
图2涡轮流量计
接线说明：
传感器的供电电源由24VDC开关电源提供，负载为流量积算变送仪。
注：
使用涡轮流量计时，必须将24VDC开关电源打开。
2）、电磁流量计：
输出信号：
4~20mA，测量范围：
0~0.4m3/h
图3电磁流量计
接线说明：
转换器为交流220V供电，X、Y和A、B、C为传感器和转换器之间的连线，输出信号线直接接控制台上的电磁流量计信号输出端。
3.1.2电动调节阀
QSVP20-15N智能电动单座调节阀
主要技术参数：
执行机构型式：
智能型直行程执行机构
输入信号：
0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC
输入阻抗：
250Ω/500Ω
输出信号：
4~20mADC
输出最大负载：
<500Ω
信号断电时的阀位：
可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值
电源：
220V±10%/50Hz
3.1.3变频器面板
如图所示，变频器型号为三菱FR-S520S-0.4K型变频调速器，具体
数设置如下表：
表1三菱变频器参数设置表
名称
表示
设定范围
设定值
上限频率
P1
0-120Hz
60Hz
下限频率
P2
0-120Hz
20Hz
扩张功能显示选择
P30
0，1
1
频率设定电流增益
P39
1-120Hz
60Hz
RH端子功能选择
P62
4
操作模式选择
P79
0-8
0
C5
C5
输出频率大小
25Hz
C6
C6
偏置
20%
A面板接线端子功能说明：
为了保护变频器各接线端子不因实验时经常装拆线而损坏或丢失，故将其常用的端子引到面板上。
（1）控制信号输入：
可输入外部0~5V电压或4~20mA电流控制信号。
图4变频器面板
（2）STF、STR：
电机的正、反转控制端，SD与STF相连为正转，SD与STR相连时为反转。
B变频器使用说明：
本装置中使用变频器时，主要有两种输出方式：
一种是直接调面板旋钮输出频率，另一种是用外部
输入控制信号改变变频器输出频率。
两种输出方式
具体接线方法如下：
（1）变频器面板旋钮输出接线方法：
SD与STF（或STR）短接，当需要改变输出频率时，旋动面板上的旋钮，顺时针旋可增大输出频率，逆时针旋可减小输出频率。
待旋至所需要的频率时，按变频器上白色的SET键，即可选定所需的输出频率。
（2）变频器外部控制信号控制输出接线方法：
SD与STF（或STR）、RH两端都短接，在控制信号输入端接入控制信号（正极、负极应对应，不能接错），打开变频器的电源开关即可输出。
通过改变控制信号的大小来改变输出频率。
模拟量输入有涡流流量传感器和电磁流量传感器组成，PLC选S7—200系列中的226，上位机和下位机的电缆采用RS—458通讯电缆。
第一路由异步电动机和水泵构成动力系统，第二路由变频器、电动机和水泵构成动力系统。
表2端口分配表
输入端子号
输出端子号
地址号
信号名称
说明
1
AIW0
第一路供水系统涡流流量传感器输入
16位
2
AIW2
第二路供水系统电磁流量传感器输入
16位
1
AQW0
输出控制电动调节阀
16位
2
AQW4
输出控制变频器
16位
4、软件设计
4.1PLC程序
4.2系统组态设计
4.2.1组态图
如图7所示，主动量液体A的测出的流量值PV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，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，我们设计的这个系统在系统运行时默认是手动，只有在切换到自动的情况PID才有输出值输出。
图7系统组态图
4.2.2静态画面
图8开机界面
图9控制界面
图10历史曲线界面
本课程设计共设计有三个画面：
开机界面、控制界面、历史曲线界面。
开机界面如图8所示，当启动系统后，我们进入开机界面，其中上面有系统的名字“基于组态软件的流量比值过程控制系统”，另外还有两个按钮，是“进入”按钮和“退出”按钮，进入按钮是通过ShowPicture（"控制界面"）命令语言与控制界面相连接，其功能是进入控制界面，退出按钮的功能是退出系统。
控制界面如图9所示，在控制界面中有两个液罐，它们在本设计中只是作为容器，装A、B溶液，本设计主要考虑的是流量比值控制。
在主界面中还有一个电动调节阀，若干手动调节阀，两个电磁流量计，一个水泵和若干管道组成，电动调节阀是控制A的流量，两个电磁流量是测量液体的流量值。
当我们启动系统后进入主界面我们设置设定值，比例系数P，积分系数Ti，为分析书Td，比值器大小Kc，设置这五个参数，此事系统是手动状态，将系统切换到自动状态，系统按设定好的PID算法得到输出，使A1流量与A2的流量成设定的比例并稳定于此。
期间画面也能显示出测量值，输出值，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，实时曲线包括给定值的曲线，测量值1的曲线，测量值2的曲线，通过它可以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10所示。
历史曲线中也主要包括定值的曲线，测量值1的曲线，测量值2的曲线，历史曲线中还有两个按钮，返回按钮和退出按钮，返回按钮也是通过ShowPicture（"控制界面"）命令语言与控制界面相连接，可以返回控制界面，退出按钮具有退出系统的功能。
4.2.3数字字典
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所示。
表4数字字典
变量名
变量描述
变量类型
ID
连接设备
寄存器
$年
内存实型
1
$月
内存实型
2
$日
内存实型
3
$时
内存实型
4
$分
内存实型
5
$秒
内存实型
6
$日期
内存字符串
7
$时间
内存字符串
8
$用户名
内存字符串
9
$访问权限
内存字符串
10
$启动历史记录
内存实型
11
$启动报警记录
内存离散
12
$启动后台命令语言
内存离散
13
$新报警
内存离散
14
$双机热备份
内存整型
15
$毫秒
内存实型
16
$网络状态
内存整型
17
液罐A液位
A液位
内存实型
18
液罐B液位
B液位
内存实型
19
A1测量值
显示A1流量
内存实型
20
A2测量值
显示A2流量
内存实型
21
阀门开度
电动调节阀的开度大小
内存实型
24
自动开关
自动
内存离散
25
PV
A液体流量测量值
I/O实型
22
AD
AI1
PV2
B液体流量测量值
I/O实型
23
AD
AI2
Uk
控制电动调节阀输出
I/O实型
26
DA
AO0
Sp
设定值
I/O实型
27
DA
AO1
Kp
比例系数
内存实型
28
Ti
积分系数
内存实型
29
Td
微分系数
内存实型
30
Kc
比值器大小
内存实型
31
T
采样周期
内存实型
32
P
P=Kp1
内存实型
33
TI
TI=Ti/T
内存实型
34
D
D=Td/T
内存实型
35
Uk0
前一次控制调节阀输出
内存实型
36
ek0
现在的偏差
内存实型
37
ek1
前一次偏差
内存实型
38
ek2
前两次偏差
内存实型
39
q01
增量型算法系数1
内存实型
40
q02
增量型算法系数2
内存实型
41
q03
增量型算法系数3
内存实型
42
Gmax
流量计的最大测量值
内存实型
43
4.2.4系统应用程序
启动时：
T=1;
TI=Ti/T;
D=Td/T;
Uk=0;
ek0=0;
ek1=0;
ek2=0;
Sp=0;
ShowPicture（"开机界面"）;
运行时：
if（自动==1）
{
T=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;
k=q01*ek0-q02*ek1+q03*ek2+Uk0;
Uk0=Uk;
ek2=ek1;
ek1=ek0;
Sp=PV*0.4+4;
测量值1=（PV-1）/4*Gmax;
测量值2=（PV2-1）/4*Gmax;
阀门开度=（Uk-1）/4*Gmax;
}
停止时：
Uk=0;
Sp=0;
ek0=0;
ek1=0;
ek2=0;
4.2.5动画连接
图11动画连接界面
当系统启动后，通过开机界面，进入主界面，设定好参数设定值，比例系数，积分系数，微分系数，比值器大小后，按下自动按钮进入自动状态。
系统输出测量值1，测量值2的数值，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，流量计示数，调节阀开度等也在图中显示，如图11中所示。
实时曲线中设定值，测量值1，测量值2，随着示数的变化而变化，按下历史曲线按钮可以进入历史曲线界面，按下退出按钮可以退出系统，本次设计基本实现了流量比值的控制。
5、课程设计总结
经过这次的过程控制系统课程设计，自己学到很多。
不仅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。
提高了自己的自学能力，学会了如何去搜寻自己需要的资料。
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，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。
在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法。
思而不学则罔，思而不学则殆。
做事要学思结合。
最后要对各位辛勤指导的老师表示忠心的感谢。
6、参考文献
[1] 王树青等编. 工业过程控制工程.北京：
化学工业出版社，2003
[2] 王永华主编. 现代电气控制及PLC应用技术.北京：
北京航天航空大学出版社，2003
[3] 于海生等编著. 微型计算机控制技术.北京：
清华大学出版社，1999
[4] 汪晋宽等编著. 自动控制系统工程设计.北京：
北京邮电大学出版社，2005
[5] 向婉成主编. 控制仪表与装置.北京：
机械工业出版社，1999
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