除氧器水位单回路控制系统设计控制装置及仪表课设.docx
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除氧器水位单回路控制系统设计控制装置及仪表课设
课程设计报告
（2012--2013年度第二学期）
名称：
控制装置及仪表课程设计
题目：
除氧器水位单回路控制系统设计
院系：
自动化系
班级：
1001班
学号：
201002020115
学生姓名：
李念
指导教师：
韦根原
设计周数：
一周
成绩：
日期：
2013年6月27日
《控制装置与仪表》课程设计
任务书
一、目的与要求
认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。
1．了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。
2．掌握数字调节器KMM的组态方法，熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。
3．初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。
二、主要内容
1．按选题的控制要求，进行控制策略的原理设计、仪表选型并将控制方案以SAMA图表示出来。
2．组态设计
2．1KMM组态设计
以KMM单回路调节器为实现仪表并画出KMM仪表的组态图，由组态图填写KMM的各组态数据表。
2．2组态实现
在程序写入器输入数据，将输入程序写入EPROM芯片中。
3．控制对象模拟及过程信号的采集
根据控制对象特性，以线性集成运算放大器为主构成反馈运算回路，模拟控制对象的特性。
将定值和过程变量送入工业信号转换装置中，以便进行观察和记录。
4．系统调试
设计要求进行动态调试。
动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。
由于生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。
动态调试一般包括以下内容：
ｌ）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常；
２）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；
３）对控制回路进行在线整定；
４）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，要重新组态下装。
三、进度计划
序号
设计（实验）内容
时间
备注
1
阅读理解课程设计指导书的要求，根据选题设计内容，小组讨论控制方案，进行SAMA图设计。
确定小组负责人及每人的具体分工。
D1
分组；确定小组负责人及每人的分工，列出名单；讨论控制方案。
2
根据KMM调节器组态要求，设计KMM组态图，填写KMM组态数据表。
D2
列出KMM组态数据表。
3
利用程序写入器输入组态数据，写入EPROM芯片。
D3
上实验室。
4
进行系统接线和调试
D4～D5
上实验室。
5
上机答辩考核
检验设计结果。
6
撰写课程设计报告
确定设计成绩（其中实验前准备工作占20%，实验考核内容占60%，设计报告占20%）。
设计内容分工参考：
小组每人均参与控制方案的设计，了解方案的KMM仪表实现方法、实验系统组成、系统调试和数据记录的过程。
在此基础上小组成员可作如下具体分工：
预习KMM程序写入器使用并具体进行EPROM芯片的制作（2人）；设计实验接线原理图，进行实验接线并熟悉掌握KMM面板功能及数据设定器使用（1-2人）；确定记录信号并利用工业控制信号转换设备进行记录信号的组态和实验曲线的打印工作（1人）。
四、设计（实验）成果要求
1．完成系统SAMA图和KMM组态图，附出控制系统的调试曲线和控制参数。
2．对系统设计过程进行总结，完成并打印设计报告。
五、考核方式
1．按上述步骤逐项完成软件内容的设计，进行操作演示，控制结果满足要求，并进行问答。
2．设计报告格式规范，内容详实。
六、选题参考
1除氧器水位单回路控制系统设计
2炉膛压力系统死区控制系统设计
3过热汽温串级控制系统设计
4锅炉给水三冲量控制系统设计
5风煤比值控制系统设计
6主汽压力前馈控制系统设计
学生姓名：
指导教师：
韦根原
2013年6月24日
除氧器水位单回路控制系统设计
一、课程设计（综合实验）的目的与要求
1．认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。
2．了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。
3．掌握数字调节器KMM的组态方法，熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。
4．初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。
二、主要内容
1.按选题的控制要求，进行控制策略的原理设计、仪表选型并将控制方案以SAMA图表示出来。
2.组态设计
2．1KMM组态设计
以KMM单回路调节器为实现仪表并画出KMM仪表的组态图，由组态图填写KMM的各组态数据表。
2．2组态实现
在程序写入器输入数据，将输入程序写入EPROM芯片中。
3.控制对象模拟及过程信号的采集
根据控制对象特性，以线性集成运算放大器为主构成反馈运算回路，模拟控制对象的特性。
将定值和过程变量送入工业信号转换装置中，以便进行观察和记录。
4.系统调试
设计要求进行动态调试。
动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。
由于生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。
动态调试一般包括以下内容：
1）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常；
2）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；
3）对控制回路进行在线整定；
三、设计（实验）正文
1.由控制要求画出控制流程图。
对如附图1所示的除氧器水位单回路控制系统，要求对除氧器进行单变量定值控制。
除氧器水位经水位变送器测量后，由KMM模入通道送至调节器中。
调节器输出AO1经A/D转换通道控制调节阀，控制除氧器内水位。
控制要求：
当调节器的给定值SP和测量值PV之偏差超过给定的监视值（15%）时，调节器自动切换至手动（M）方式。
在偏差允许的范围内（15%），允许切入自动（A）方式。
2.确定对可编程序调节器的要求。
控制系统要求一路模拟量输入（模入）通道输入压力信号，一路模拟量输出（模出）通道输出控制信号控制压力调节阀。
而KMM具有5路模入通道、3路模出通道（其中第一路模出通道AO1可另外同时输出一路4～20mA电流信号），可满足本系统控制要求。
3.设计控制原理图（SAMA图）。
根据控制对象的特性和控制要求，进行常规的控制系统设计。
SAMA图见附图2
4.绘制KMM组态图并填写KMM控制数据表
KMM组态图见附图3
5.掌握KMM程序写入器的使用方法并用程序写入器将数据写入EPROM中。
这部分由我主要负责。
具体如下：
一、KMM程序写入器的操作方法
程序写入器具有制作可编程调节器的用户PROM所需要的全部功能，还能够打印出程序的内容并具有程序写入器本身的自诊断功能。
图1KMM程序写入器（左）及面板（右）
程序写入器外观见图1（左）。
其键盘和显示单元部分如图1（右）所示。
显示部分由两排数码管显示信息，上排数码管显示控制代码及数据，其全部格式见图2所示。
图2控制数据的代码
下排数码管给出数据填写过程中的提示信息或出错代码。
控制代码及数据的内容填写由键盘控制。
各键功能如下（按由上至下，从左到右的键盘顺序）：
READ键：
把用户PROM程序读入写入器的RAM中。
A键：
选择增加运算单元的功能。
C键：
选择用户PROM校核功能，擦除检查、缺省值读出和程序写入器的自诊断功能。
UF键：
送运算单元的单元编号。
F键：
选择控制数据的写入功能。
WRIT键：
把程序写入器RAM中的程序写入用户PROM中。
D键：
选择删除运算单元的内容。
L键：
选择打印功能。
C1键：
调用各个项目码的第一部分。
（在写入运算单元时，调用运算式的编号部分。
）
C2F键：
调用各个项目码的第二部分。
（在写入运算单元时，调用输入信号部分。
）
P键和U键：
用于运算单元的置数。
DATA键：
调用数据部分。
STOP键：
停止打印。
ENT键：
确认键，填入设置的代码和数据。
6.按控制系统模拟线路原理图接线。
由运算放大器构成的反馈网络模拟控制对象特性，构成控制系统的模拟控制回路。
系统原理接线图见附图4所示。
模拟的控制对象采用由两个线性运算放大器构成的一阶滞后反馈环节串连构成，以加大对象的滞后时间。
控制回路中测量值和设定值信号分别送入工业控制信号转换器中的A/D模拟量输入通道中进行显示和记录。
运算放大器构成的是一阶滞后特性的反馈回路。
运放的反馈网络是电阻和电容的并联，等效阻抗
，输入网络的等效阻抗
，这个放大器构成的闭环特性传递函数
，设定
，则
。
因此，这是一个滞后时间
的一阶滞后环节。
设计实验中选取
，
，计算得这个滞后环节的滞后时间
。
因滞后时间较小，设计中将这样的两个环节串连而成。
7.进行控制参数调整，对控制系统各项功能进行模拟测试并记录定值扰动控制曲线。
（1）上电准备。
（2）通电。
使调节器通电，初上电，调节器先处于“联锁手动”方式。
（3）运行数据的确认。
用“数据设定器”来确认，对于运行所必需的控制数据、可变参数等是否被设定在规定值。
必要时可进行数据的设定变更
（4）按控制面板上的R（Reset，复位）按钮，解除“联锁方式”后，调节器可进行输出操作、方式切换等正常的运行操作。
（5）组态工业控制信号转换设备的显示画面，以便记录调试曲线。
（6）通过“数据设定器”进行PI参数的调整，使控制品质达到控制要求（衰减率为75%-90%）。
记录定值扰动10%时的动态过程曲线。
（7）打印过程曲线
图3 除氧器综合剖面图
1—加热器来水进口;2—至凝结器排气口;3—喷口;
4—汽源管;5—耙管
附图（设计流程图、程序、表格、数据等）
附图1
附图2
附图3
附图4
表格数据：
KMM组态通过填入以下数据表格实现。
基本数据表
（F001-01-□□-）
项目
代码设定范围
代码
数据
省缺值
PROM管理编号
指定的四位数
01
0101
0
运算操作周期（100ms）
1、2、3、4、5
02
2
调节器类型
0、1、2、3
03
0
PV报警显示PID编号
1、2
04
1
调节器编号
1～50
05
1
上位计算机控制系统
0、1、2
06
0
上位机故障时切换状态
0、1
07
0
PROM管理编号为组号，由实验顺序给定的；由于我们设计的是单回路控制系统，其他数值均为缺省值。
PROM管理编号：
作芯片记号，指定一个四位数。
调节器类型：
0－1PID（A/M）1；1－PID（C/A/M）；2－2PID（A/M）；3－2PID（C/A/M）。
上位计算机控制系统：
0－无通信；1－有通信（无上位机）；2－有通信（有上位机）。
上位机故障时切换状态：
0－MAN方式；1－AUTO方式。
输入处理数据表
（F002-□□-□□-）
项目
代码设定范围
代码
模拟输入数据
缺省值
01
02
03
04
05
输入使用
0、1
01
1
0
按工程显示小数点位置
0、1、2、3
02
2
1
工程测量单位的下限值
-9999～9999
03
0.00
0.0
工程测量单位的上限值
-9999～9999
04
99.99
100.0
折线编号
0、1、2、3
05
0
温度补偿输入编号
0、1、2、3、4、5
06
0
温度单位
0、1
07
0
设定（目标）温度
-9999～9999
08
0
压力补偿输入编号
0、1、2、3、4、5
09
0
压力单位
0、1
10
0
设定（目标）压力
-9999～9999
11
0
开平方处理
0、1
12
0
开方小信号切除
0.0～100.0（%）
13
0
数字滤波常数
0.0～999.9s
14
0.0
传感器故障诊断
0、1
15
0
1
输入使用：
0－不用；1－用。
按工程显示小数点位置：
0－无小数；1－1位小数；2－2位小数；3－三位小数。
开方小信号切除：
给AI1～AI5设定的开方信号切除值。
传感器故障诊断：
0－无诊断；1－诊断。
PID数据表
（F003-□□-□□-）
项目
代码设定范围
代码
PID数据
缺省值
01
02
PID操作类型
0、1
01
0
0
PV输入编号
1～5
02
1
1
PV跟踪
0、1
03
0
0
报警滞后
0.0～100.0（%）
04
0
1.0
比例带
0.0～799.9（%）
05
100.0
100.0
积分时间
0.0～99.9min
06
1.5
1.0
微分时间
0.0～99.9min
07
0.00
积分下限
-200.0～200.0（%）
08
0.0
积分上限
-200.0～200.0（%）
09
100.0
比率
-699.9～799.9（%）
10
100.0
偏置
-699.9～799.9（%）
11
0.0
死区
0.0～100.0（%）
12
0.0
输出偏差率限制
0.0～100.0（%）
13
100.0
偏差报警
0.0～100.0（%）
14
10.0
报警下限
-6.9～106.9（%）
15
0.0
报警上限
-6.9～106.9（%）
16
100.0
PID操作类型：
0－常规PID；1－微分先行PID。
PV跟踪：
定值跟踪功能，0－无；1－有。
可变变量表
（F005-□□-□□-）
01（百分型）02（时间型）
代码
数据
代码
数据
01
0.0
01
02
100.0
02
03
15.0
03
04
0.0
04
～
05
20
PPAR1、PPAR2为调节器输出的高低值限制；PPAR3、PPAR4为偏差限制。
输出处理数据表
规定模拟输出信号和数字输出信号从哪个模块引出。
（F006-□□-□□-）
输出
输出端
代码
连接的内部信号名称
信号名
代码
01
（模拟输出）
AO1
01
U4
U0004
AO2
02
SP1
P0001
AO3
03
02
（数字输出）
DO1
01
DO2
02
DO3
03
由KMM组态图可知模拟输出端AO1为调节器输出，是模块4（MAN模块）的输出，代码为U0004；输出端AO2为调节器内给定信号SP1，其代码为P0001。
没有使用数字输出。
运算模块数据表
用来规定模块的类型及模块相互之间的连接。
（F1□□-□□-）
运算模
块编号
运算式
H1输入信号
H2输入信号
P1输入信号
P2输入信号
名称
编号
信号名称
代码
信号名称
代码
信号名称
代码
信号名称
代码
1
PID1
20
SP1
P0001
AI2
P0402
U4
U0004
OFF
P0502
2
LLM
11
U1
U0001
PPAR1
P0101
3
HLM
13
U2
U0002
PPAR2
P0102
4
MAN
19
U3
U0003
5
DMS
16
SP1
P0001
AI2
P0402
PPAR3
P0103
PPAR4
P0104
6
NOT
30
U5
U0005
7
OR
28
MSW
P1001
U5
U0005
8
AND
27
ASW
P1002
U6
U0006
9
MOD
45
OFF
P0502
U7
U0007
U8
U0008
OFF
P0502
根据KMM调节器组态图中各个模块的输入输出，依据运算模块数据表和模块输入端的内部信号填写该表的。
KMM调节器组态图中运算模块的编号是按照模块调入顺序给出的。
设计实验报告
姓名：
李念
专业、班级：
自动化1001
EPROM编号
0101
学号：
201002020115
同组人
吴国昊崔春萌龙蛟
设计名称
除氧器水位单回路控制系统设计
1设计功能说明
除氧器水箱的汽侧和水侧都有平衡管相连，其中的水平衡管保持除氧器的水位稳定，此外除氧器设置水位调节器，通过改变给水量来调节水箱水位，保证除氧器正常工作，此次课程设计的系统目的在于在水箱水位改变时，通过KMM调节器调节给水从而维持除氧器水位在正常水平。
控制要求：
当调节器的给定值SP和测量值PV之偏差超过给定的监视值（15%）时，调节器自动切换至手动（M）方式。
在偏差允许的范围内（15%），允许切入自动（A）方式。
2.对象分析：
除氧器水位是一个非自衡的对象，我们在用运算放大器模拟的时候可以用一个一阶惯性环节串上一个一阶积分环节。
这样等效的对象就为
我们取
=100K,
=47uf得到对象传递函数为
为非自衡对象。
2.程序写入器的程序：
F001-01-01-0101F002-02-01-1
F002-02-02-2F002-02-03-0.00
F002-02-04-99.99F002-02-15-0
F003-01-01-0F003-01-04-0
F003-01-05-100.0F003-01-05-1.5
F005-01-01-0.0F005-01-02-100.0
F005-01-03-15.0F006-01-01-U0004
F006-01-02-P0001F101-20-H1-P0001
F101-20-H2-P0402F101-20-P1-U0004
F101-20-P2-P0502F102-11-H1-U0001
F102-11-H2-P0101F103-13-H1-U0002
F103-13-H2-P0102F104-19-H1-U0003
F105-16-H1-P0001F105-16-H2-P0402
F105-16-P1-P0103F105-16-P2-P0104
F106-30-H1-U0005F107-28-H1-P1001
F107-28-H2-U0005F108-27-H1-P1002
F108-27-H2-U0006F109-45-H1-P0502
F109-45-H2-U0007F109-45-P1-U0008
F109-45-P2-P0502
3PI参数
δ=25%
TI=0.8min
4记录曲线
5.曲线分析
衰减率:
75.5%
超调量：
6.1%
稳态误差:
0.02满足控制品质要求
指导教师
韦根原
设计日期
2013-6-27
四、课程设计（综合实验）总结或结论
本周的控制装置及仪表的课程设计给我留下的印象非常深刻，虽然课表上安排的时间是一周，但因为我们班是第一组，周三的时候就要把控制方案拿出来，时间如此紧迫让我找到了备战考试的感觉，正因为如此所以学习效率较高，做好了事先的准备工作，比较顺利的完成了实验。
在这个过程中我巩固了之前学习的理论知识，接触到了新的实验方法，锻炼了动手能力，让我受益匪浅。
在本次课程设计中，我主要主要负责数据表的建立，和数据写入EPROM工作，并帮助吴国昊对KMM组态图绘制理解。
因为KMM数据写入器的使用是新的内容，因此相对比较难一些，在实验操作前，通过预习，对KMM数据写入器有了比较深的了解。
同时根据吴国昊绘制的组态图进行程序的编写。
做实验的当天，两个同学负责联线和检查，我和另一个同学负责KMM程序写入。
所有数据表我们已经提前填写好了，在和旧的芯片核对之后确认没有问题。
输入程序和写芯片的过程在老师的指导下也进行的比较顺利。
实验中遇到的问题：
因为我们班是第一个接触这个实验，摆在我们面前的需要解决的问题很多：
1：
因为我的的连线图需要外接-3V的电源，但是操作界面上没有直接的电压输出，后来经过我们学习，把15V信号源的两端连上，调整了与它相接的电阻，通过分压原理得出了-3V的信号！
2.在实验的过程中我们曾经尝试过了加入微分的算法，但是得出来的曲线总是不能满足要求，就在我们很困惑的时候，老师一句话点醒了我们，微分运算的算子是Tds
而我们设计的对象中传递函数为
这会消除部分的对象的积分环节，对最后的整定造成影响。
3.我们一开始的时候，投入的积分作用很小，5~10分钟，这样相当于系统的积分作用微弱，后来经过我们的反复调试，把积分作用的时间定在0.8min，这样，积分起到了作用，稳态误差趋于0.
4.在第一遍做的时候，保证都正确的情况下，我们还是没有能得出曲线，我们就开始用万用表挨个查导线，查运算放大器，后来发现积分环节的运算放大器坏了，我们更换一个以后，问题迎刃而解！
5.在数据输入的过程中错了几个，但是都及时通过校对改正！
通过本次实验，我们了解了控制系统的设计和控制仪表的应用过程，对《控制仪表与装置》这门课程中所学到的理论知识有了进一步的认识；在设计控制系统时，使用SAMA图表示其控制方式和过程，对加深了对过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）的理解；通过SAMA图，我们根据KMM调节器的控制方式，与我们所选的题目相结合，设计出了除氧器水位单回路控制系统的KMM组态图，这个过程中基本掌握数字调节器KMM的组态方法；按照组态图填写了控制数据表，并通过程序写入器将控制方案写入芯片，然后使用数据设定器改变调节器参数，直到输出曲线满足实验要求，基本掌握了KMM调节器控制数据表的填写，熟悉了KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法；根据输出曲线整定调节器参数，使之符号要求的过程中，我们学会了控制系统参数整定、系统调试的过程。
并且重温了CAE2000的使用。
本次设计中，不仅用到了《控制仪表与装置》课程中所学的知识，还用到了很多其他学科的知识，让我们把学到的知识融会贯通，加深了各个学科之间的联系。
这次课程设计中遇到各种问题，老师总是不厌其烦的指导，最后谢谢老师的指导！
最后，感谢韦老师的耐心指导和帮助！
五、参考文献
[1]王秀霞
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