基于组态软件的流量单回路过程控制系统设计.docx
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基于组态软件的流量单回路过程控制系统设计
过程控制系统
课程设计
题目:
基于组态王的流量单回路过程控制系统设计
院系名称：
电气工程学院
专业班级：
自动化1105
学生姓名：
学号：
指导教师：
马利冯肖亮
设计地点：
31625
设计成绩：
签名：
年月日
设计时间：
2014.6.24～2014.7.5
工业过程控制课程设计任务书
学生姓名
专业班级
自动1105
学号
题目
基于组态王的流量单回路过程控制系统设计
课题性质
必修
课题来源
自拟题目
指导教师
主要内容
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流量单回路过程控制系统。
任务要求
1.根据流量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］陈夕松，华成英．过程控制系统[M]．北京：
科学出版社，2006
［2］邵裕森．过程控制工程[M]．北京：
机械工业出版社，2000
［3］姜重然．工控软件组态王简明教程[M]．哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2007
审查意见
指导教师签字：
年月日
1课程设计的目的及要求..............................................................................3
1.1设计目的.................................................................................................3
1.2设计要求................................................................................................3
2系统结构设计............................................................................................3
2.1控制方案...............................................................................................4
2.2控制结构示意图....................................................................................4
2.3系统结构...............................................................................................6
3过程仪表选择...........................................................................................6
3.1液位传感器的选择.................................................................................6
3.2电磁流量传感器.....................................................................................6
电动调节阀的选择.......................................................................................6
3.4水泵的选择..........................................................................................6
3.5变频器的选择......................................................................................7
3.6模块的选择........................................................................................7
4系统组态设计.........................................................................................7
4.1系统组态流程图设计............................................................................7
4.2组态画面设计.....................................................................................8
4.2.1组态画面.........................................................................................8
4.2.2数据词典.........................................................................................9
4.2.3实时曲线.........................................................................................9
4.2.4报警窗口与实时报表.......................................................................10
设计心得..................................................................................................11
参考文献.................................................................................................12
1课程设计的目的及要求
1.1设计目的
本课程是在学完《工业过程控制》课程后的一个应用性实践环节。
通过本课程设计的训练，学生应对过程控制工程设计的概念有完整地了解，同时培养学生综合应用基础课、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。
通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和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程序的流量单回路过程控制系统。
1.2设计要求
（1）根据流量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，正确设计流量但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。
2系统结构设计
2.1控制方案
目前工业上常用的控制规律主要有：
位式控制、比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。
简单控制系统一般是单回路控制系统，由于其结构简单并且能够满足大多数控制质量的要求，因此在生产过程控制中得到了广泛的应用，是生产过程控制中最基本的一种控制系统。
一个单回路反馈系统是由测量变送器装置、控制器、和被控对象所组成，按流量控制系统,控制系统设计时针流量进行的，当系统安装完成之后，控制效果主要取决于控制器的参数设定整定。
选择合适的比例度、积分时间、微分时间是保证和提高系统控制质量的主要途径。
单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输出变量为流量。
单回路PID控制的被控制量是流量PV，控制量是出水阀、电磁阀开度。
通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的控制效果。
PID调节器构成的闭环控制回路一般原理如图所示
图2.1流量单回路控制系统原理图
控制规律选择：
目前工业上常用的控制规律主要有：
比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。
本方案采用比例积分微分控制。
比例控制——克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。
是最基本的控制规律。
但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。
使用于滞后较小、负荷变化不大、允许被控变量存在余差的场合。
比例积分控制——在比例作用下引用积分作用，虽然会使系统的稳定性降低，但没有余差。
适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、不允许被控变量存在余差的场合。
比例微分控制——引入了微分作用，具有超前控制作用，在被控对象具有较大滞后时，会有效的改善控制质量。
但对于滞后小干扰作用频繁，含有高频噪声的系统，将可能使系统产生振荡，甚至失控。
比例积分微分控制——综合了比例、积分、微分控制规律的优点。
适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。
该方案的控制目标是使流量的大小能较好的满足工艺的需求，通过控制电动调节阀改变阀门开度，来控制流量的大小。
选择阀门开度为控制量，流量为被控量。
控制规律选择PID控制规律。
2.2控制结构示意图
流量变送器把得到的信号经A/D模块，把模拟信号转化成数字信号，送入计算机。
此信号与给定值相比较得出偏差，通过D/A模块，把数字信号转化成模拟信号送给系统。
系统根据反馈值调节阀门的开度。
系统示意图如图2.2所示：
图2.2结构组成图
工作原理：
当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。
若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。
其整个原理图如图2.2所示。
图2.2系统原理图
2.3系统结构
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2.3
图2.3液位单回路控制系统框图
3过程仪表选择
3.1液位传感器的选择
液位传感器用来对上水箱和下水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影响，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。
3.2电磁流量传感器
电磁流量传感器是对通过流量计水流流量实时监控，能够很准确地测定水流的流量。
采用德国西门子KXV616型电磁流量传感器，测量准确、可靠性高、操作作简便等。
3.3电动调节阀的选择
电动调节阀对控制回路流量进行调节。
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，驱动电机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、控制单元与电动执行机构一体化，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。
有输入控制信号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，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等特点。
3.4水泵的选择
丹麦格兰富循环水泵。
噪音低，寿命长，功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。
3.5变频器的选择
三菱FR-S520变频器，4－20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。
可单相或三相供电，频率可高达200Hz。
3.6模块的选择
本控制过程主要有A/D转化模块、D/A转化模块和开关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。
系统安装接线设计
I/O接线:
实验中DA模块中
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IN1为水箱液位的检测，
IN5是阀位反馈信号检测，
IN6是水泵出中水位信号检测组态设计
4系统组态设计
4.1系统组态流程图设计
根据测试要求，首先打开系统启动按钮，选择进入手动或自动状态（默认进入手动状如果进入手动状态，则打开阀门，可以设定给定值SP和阀门开度控制Uk0来控制水箱水位，手动控制直到达到工艺要求；如果选择自动状态，打开所有阀门，设定给定SP,调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数进而控制阀门开度，直到上水箱液位恒定。
控制流程图如图4.1所示。
图4.1控制流程图
4.2组态画面设计
4.2.1组态画面
图4.2组态总体画面
4.2.2数据词典
图4.3数据词典
4.2.3实时曲线
4.4实时曲线
4.2.4报警窗口与实时报表
4.5报警窗口
实时报表与命令语言
设计心得
本设计是基于组态软件的流量单回路控制系统的设计，也就是利用组态软件进行对控制系统的开发和设计。
首先，应当了解什么是组态软件，组态软件的功能和特性，因为自己毕竟是第一次接触这种设计软件。
还要了解组态软件的各方面构成，自学组态软件的设计方法。
其次，自己需要确定液位单回路控制系统的控制方案，与同组成员认真商量讨论后，确定比较好的控制方案。
再次，认真绘制出控制系统的示意图。
然后，根据控制系统的示意图在软件开发系统的页面上绘制出控制系统的仿真系统图。
最后，调整系统图的各方面构成，使之能够整洁、合理、美观实用。
输入合理的设定值、积分系数、比例系数、微分系数等。
分别进行手动控制和自动控制，得出比较合理的实时曲线。
在设计系统的的时候，还是有很多不明白的东西，我就和我的同组成员认真的讨论，然后得出了比较好的控制方案和设计方法。
同时掌握了组态王软件的使用方法，知道了最基本的实验步骤和如何设计一个完好的过程控制系统。
明白了许多控制系统中的控制规律和利用PID控制算法时的参数的设定方法等，还明白了如何选择合适的实验设备和实验仪器，什么样的流程图和组态图是合适的、标准的。
从这次设计中，我们不仅获得了一些知识，学会了提出问题、发现问题、解决问题的方法，而且懂得了团结协作的重要性。
总而言之，这次的工业过程控制我收获很大。
参考文献
［1］陈夕松，华成英．过程控制系统[M]．北京：
科学出版社，2006
［2］邵裕森．过程控制工程[M]．北京：
机械工业出版社，2000
［3］姜重然．工控软件组态王简明教程[M]．哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2007
附录
附录
PID脚本程序
启动时：
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\\本站点\I=\\本站点\Ti/\\本站点\Ts;
\\本站点\D=\\本站点\Td/\\本站点\Ts;
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运行期间：
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关闭时：
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