管道流量单回路控制系统设计与调试报告.docx

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管道流量单回路控制系统设计与调试报告

管道流量单回路控制系统设计与调试报告

管道流量单回路控制系统设计与调试报告

一、控制目的和性能要求

1.1控制目的

根据设定的管道对象和其他配置，运用计算机和InTouch组态软件，设计一套监控系统，并能够过调试使得管道内流量维持恒定或保持在一定的误差范围之内。

1.2性能要求

（1）.要求管道流量恒定，流量设定值SP自行给定。

（2）.无扰时，水流基本恒定，由电动阀控制水泵实现。

（3）.有扰时：

改变电动阀开度，管道水流允许波动。

（4）.预期性能：

响应曲线为衰减振荡；允许存在一定误差10%SP；调整时间尽可能短。

二、方案设计、控制规律选择

2.1方案控制设计

管道流量控制系统只须控制流量，控制简单，反馈控制可消除被包围在闭环内的一切扰动对被控对象的影响。

所以单回路反馈控制就可满足管道流量控制系统的要求。

管道流量有两种原因：

电动阀的开度大小、变频器的频率高低，而电动阀开度为主要原因。

因此本方案采用以电动阀开度为控制参数，变频器的频率为干扰因素。

管道流量为被控参数，电动阀为执行器。

采用单回路反馈控制。

通过比较反馈量和给定值的偏差，利用反馈控制规律控制电动阀的打开和闭合，如图2.1所示：

图2.1管道流量单回路控制系统方框图

2.2控制规律选择

为了取得较好的控制效果，上述单回路系统在系统设计时，当系统为自动控制时，系统控制规律为PID控制规律。

调试时根据调整情况可采用PI或PID控制规律。

Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。

比例作用：

能迅速反应误差，但不能消除稳态误差。

积分作用：

消除静态误差，但容易引起超调，甚至出现振荡。

微分作用：

减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统动态特性。

但一般不常用。

三、仪表与模块选择

3.1选择过程仪表

包括检测仪表和执行器。

主要有流量传感器、电磁流量转换器、电动调节阀和计算机控制器。

电磁流量传感器采用LDG-10S型电磁流量传感器。

流量转换器采用LDZ-4型电磁流量转换器。

电动调节阀采用德国PS公司进口PSL201型智能电动调节阀。

计算机控制器：

变频器采用三菱FR-S520变频器；水泵采用丹麦格兰富循环水泵；电磁阀。

其他的过程仪表还有液位传感器、压力传感器。

3.2选择过程模块

主要有A/D模块、D/A模块和开关I/O模块。

过程模块采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成。

A/D模块采用nudan7017；D/A模块采用nudan7024；通讯模块采用nudan7520。

四、工艺流程图与系统组态图设计

4.1工艺流程图

单回路在一般情况下就能满足控制要求了。

流量传感器把检测到的值送到流量转换器，由实测值转化为电流信号，再有模数转换模块转化成数字送到计算机，把送到计算机的数值与给定值比较得误差，再通过数模转换转化成电流信号来控制电动阀的打开和关闭，以此来控制流量。

其工艺流程图如图4.1所示：

图4.1管道流量单回路工艺流程图

4.2系统组态图

自动控制时：

把实际流量值（PV）和给定值（SP）通过PID控制规律计算后得出结果输出来控制；手动时直接控制。

组态图如图4.2所示：

图4.2系统组态图

五、组态画面设计

组态画面设计了静态画面（如图5.1）和动态画面（如图5.2）。

其中包括：

（1）.各测试设备（水箱、水泵、电磁阀、电动阀、管道等）及液位游标指示、压力数字显示和指针显示、阀门开度百分比指示、管道水流动态显示、水箱储水变色显示。

（2）.设计数据词典，

（3）.设计组态控制程序：

含开关阀门控制、电动调节阀控制和PID控制算法等，同时应具备手动控制、自动控制和闭环控制功能。

（4）.设计历史曲线图和实时曲线图。

设计参数显示与调整框。

（5）.完成动画链接。

图5.1静态画面

图5.2动态画面

六、组态程序设计

实时控制的触动按钮设为DiscTag1，手动自动转换触动按钮为DiscTag2。

当时实控制时DiscTag1=1，程序开始运行，否则结束；自动控制状态时DiscTag2=0，手动控制状态时DiscTag2=0，程序结束。

则程序流程图如图6.1所示：

图6.1程序流程图

七、安装结线

实验中DA模块中的IO0为控制调节阀开度的控制通道，IO1为可控硅的电压控制通道，IO2为变频器的控制通道。

AD模块中，IN0为上水箱液位的检测，IN1为下水箱液位的检测，IN5是阀位反馈信号检测，IN6是水泵出中压力信号检测。

在DA模块中，由于模块本身不能提供电源，在控制时应串入24V直流电源，输出电流信号控制执行器，AGND为DA模块公共地。

由于变送器输出的都是电流信号，而AD模块采集的是电压信号，所以在AD通道折正负端并联一个250欧姆的电阻，将电流信号转变为电压信号。

I/O接线对应如下：

液位变送器输出Ⅰ：

1（+）-----------------------电源正极

（上水箱液位检测）　2（-）-----------------------In7+

In7------------------------电源负极

液位变送器输出Ⅱ：

3（+）-----------------------电源正极

（下水箱液位检测）　4（+）-----------------------In0+

In0------------------------电源负极

压力变送器输出：

7（+）-----------------------电源正极

（压力检测）　8（-）-----------------------In6+

In6------------------------电源负极

流量计输出：

17（+）-----------------------In2+

（主管道流量检测）　18（-）-----------------------In2-

电动调节阀输入：

9（+）-----------------------电源正极

（主管道电动阀控制）　10（-）-----------------------Io0+

AGND----------------------电源负极

变送器输入：

41（+）-----------------------电源正极

（变送器控制）　42（-）-----------------------Io2+

AGND----------------------电源负极

电动调节阀阀位输出：

11（+）-----------------------In5+

（主管道阀位控制）　12（-）-----------------------In5-

八、系统调试过程

启动TOCPLINK；配置TOPICDEFINITION；设置“topic”名称自定义为LLKZ；再设置“OPCSERVER”为下拉选项“kingview.vive”，其他为默认值，OK；进入InTouch，点击“配置”—“访问名”，设置访问名为“topic”名称，应用程序名为OPCLINK，主题名同访问名，选择DDE协议，OK；打开标记名词典，建立InTouch标记甸与组态王变量名通讯联系：

逐个选择InTouch里的I/O型标记名，定义访问名为“topic”名称LLKZ，项目名为组态王里的对应变量名，离散型前面加d，整型加i，实型加r，消息型加m，全部变量加.value。

注意每设置一个变量，保存一次。

然后OK。

运行InTouch程序。

然后调整程序、有关参数可得出运行良好的控制状态：

如图8.1所示。

图8.1系统运行稳定运行时状态图

系统运行时有自动控制和手动控制两种状态，自动控制状态时可通过调节PID参数来调整系统以达到稳定的运行。

手动时可直接通过调节Uk来调整使系统达到稳定，系统运行流程图如图8.1所示：

图8.2系统运行流程图

九、结果分析

9.1自动控制状态

自动控制是由PID控制规律来控制的。

由于刚开始调试，P、I、D的值不合适，系统出现了不稳定的状态，如出现等幅振荡和有误差不能达到预期效果。

这样可以通过调节PID参数进行整定，以达到快速稳定的运行。

PID参数整定方法：

可用凑试法来对其进行整定。

整定方法为：

（1）.只整定比例部分，系数由小变大，得到反应快，超调小的响应曲线。

如果系统已无静差，则直接使用比例即可。

（2）.取积分时间为较大值，减比例部分得到的比例参数，逐步减小积分时间，直到系统无静差。

（3）.加入微分环节，改善系统的动态性能。

先取微分时间为零，逐步增大微分时间，同时改变比例参数和积分时间，直到系统得到好的动态性能和效果。

图9.1系统不稳定——等幅振荡

如图9.1所示，系统不稳定出现的等幅振荡。

可通过调整PID的值来调节。

图9.2系统不能达预期效果——有静态偏差

如图9.2所示，系统控制中存在静态误差，不能够达到系统所要求的目的。

也须要通过PID的调节来控制，可减小Kp（Kp值可从60减小到55）、增大Ti（Ti值可从10增加到50）来调节，以达到最佳状态。

使系统快速平稳的达到控制要求。

如图9.3所示：

图9.3系统运行稳定运行图

图9.4自动控制运行其间的历史曲线

9.2手动调节状态

手动调节只须调节uk值使系统达到准确、稳定的运行状态即可。

如图9.5所示：

图9.5手动控制系统稳定运行图

心得体会

通过一个多月的ASEA培训，使我掌握了很多理论课上学不到的东西，增强了我的学习兴趣，提高了我的技术水平。

在这一个多月中，我熟练掌握了InTouch组态软件的应用和控制。

能应用InTouch组态软件编程，对工程控制系统进行硬件连接，并能应用InTouch组态软件和组态王连接来进行对工程控制系统安装与调试。

了解了由PLC硬件构成的控制系统的设计思想；掌握了西门子PLC的工作原理；了解到西门子PLC各模块的功能及相关性能；西门子PLC的软硬件的的使用方法；拥有了PLC控制系统的编程能力；熟悉并掌握了工程项目的设计方法和步骤；

在测试的过程中，我遇到了许多突发性的不太好解决的问题，也曾有过对自己没有信心的时候，但经过仔细冷静地思考之后，我还是以最快的时间调整自我回归测试状态，继续进行测试。

通过这次测试，我提高了自己的动手能力和解决问题的能力。

充分挖掘了自己的潜能，使自己的能力的到了发挥。

因测试时间有限，我制作的控制系统难免有不尽如人意的地方，但我一定会再今后的学习中加倍的努力，尽力使自己做到更好。