管道流量单回路控制系统设计及调试.docx
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管道流量单回路控制系统设计及调试
管道流量单回路控制系统设计与调试
管道流量单回路控制系统设计与调试
一、控制目的
总体控制方案在保证安全、可靠运行的情况下，采用现代控制理论和方法，实现计算机自动监控。
并能够完成数据存储、动态显示、数据分析、报表打印等功能。
其稳定度、控制精度、响应速度达到设计要求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，并通过调试使得管道流量维持恒定或保持在一定误差范围内。
二、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，流量基本恒定，由控制电动调节阀实现。
3．有扰时：
改变变频器频率，管道流量允许波动。
4．预期性能：
响应曲线为衰减振荡；允许存在一定误差；调整时间尽可能短。
三、方案设计及控制规律的选择
依据现有实验设备和装置,装置柜采用浙江大学求是公司PCT-III过程控制系统实验装置,含被控对象―水箱、管道（直径4公分）、仪表、供水设备、开关电磁阀和电动调节阀等。
.控制台采用浙江大学求是公司PCT-III过程控制系统实验装置,含接线端子、485总线模块、控制电源。
1．方案控制设计
本设计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流量单回路控制系统方框图
2．PID控制规律
PID（ProportionalIntegralDerivative）控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。
它不仅适用于数学模型已知的控制系统中，而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。
PID控制参数整定方便，结构改变灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。
随着计算机技术的迅速发展，将PID控制数字化，在计算机控制系统中实施数字PID控制，已成为一个新的发展趋势。
因此，PID控制是一种很重要、很实用的控制规律。
比例控制、积分控制和微分控制的组合称为比例加积分加微分控制。
这种组合控制器综合了3种单独控制器各自的优点，其控制作用由下式定义
比例加积分加微分控制器的传递函数为
PID控制在低频段主要起积分控制作用，改善系统的稳态性能；在中频段主要起微分控制作用，提高系统的动态性能。
四、仪表与模块的选择
4．1仪表选择
1.液位传感器：
采用工业用ＤＢＹＧ扩散压力变送器，精度０.５级，二线制接法输出４～２０ｍＡ标准信号。
2.电磁流量传感器：
对回路流量检测。
依据本实验的特点，采用工业用LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0~0.3m^3/h,压力1.6Mpmax，4-20mA输出。
3．流量转换器：
采用LDZ-4型电磁流量转换器，与LDS-10S型电磁流量传感器配套使用，输入信号：
0-0.4mV输出信号：
4-20mADC，应许负载电阻0-750，基本误差：
输出量程的0.5%上下。
4．电动调节阀：
对控制回路流量进行调节，采用德国ＰＳ公司的PSL202型智能电动调节阀，无需伺服放大器，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。
输入控制信号４－２０ｍＡ及单相电源可控，连线简单，泄露量少。
采用ＰＳ电子式直行程结构，４－２０ｍＡ阀位反馈信号。
5．变频器：
三菱ＦＲ－Ｓ５２０变频器，４－２０ｍＡ控制信号，可对流量压力进行控制，优点体积小，功率小，功能强。
可单相或三相供电，频率高达２００Ｈｚ
6．水泵：
采用丹麦格兰富循环水泵。
噪声低，寿命长，功耗小，２２０Ｖ供电。
4．2模块选择
1．牛顿７０００系列模块：
由远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业环境，先进性与实用性并举，体积小，可靠性高，Ｄ／Ａ７０２４模块４路模拟输出，电流（４－２０ｍＡ）电压（１－５Ｖ）均可，Ａ／Ｄ７０１７模块８路模拟输入电压（１－５Ｖ），４８５／２３２转换模块７０５２，转换速度极高（３００－１１５ＫＨｚ）。
2．ＤＯ模块：
ｎｕｄａｎ７０４３
3．电磁阀：
工作电压ＤＣ２４Ｖ
4．开关电源：
ＤＣ２４Ｖ，最大电流２Ａ。
五、工艺流程图与系统组态图设计
5．1工艺流程图，如图5-1所示
图5-1工艺流程图
5．2组态图，如图5-2所示
手动自动
Ｕ（Ｋ）-ＩＯ0
图5-2组态图
六、组态画面设计
6．1管道流量手动控制图，如图6-1所示：
图6-1管道流量手动控制图
6．2管道流量自动控制图，如图6-2所示：
图6-2管道流量自动控制图
6．3管道流量PID参数设定图，如图6-3所示：
图6-3管道流量PID参数设定图
6．4管道流量实时曲线图，如图6-4所示：
图6-4管道流量实时曲线图
6．5管道流量历史曲线图，如图6-5所示：
图6-5管道流量历史曲线图
七、组态程序设计
由于PCT-III过程控制系统原由KINGVIEW组态软件控制且该设备的通信模块不支持MODBUS协议,所以在用InTouch作为监控软件时需要用OPCLINK应用程序作为桥梁使InTouch和KINGVIEW连接起来
InTouch并非与实验装置直接联系，而是通过KINGVIEW与实物连接，所以在InTouch标记名字典中项目名即为组态王中所对应项目的数据字典。
7.1标记名词典设计
标记名词典如表7-1所示：
图7-1标记名词典
标记名称
注释
类型
访问名
主题名
项目名
应用程序名
Flow
流量
I/O实型
AD
AD
AI2
MODBUS
Valve1
阀位
I/O实型
AD
AD
AI5
MODBUS
Pressure
压力
I/O实型
AD
AD
AI6
MODBUS
Uk
开度
I/O实型
DA
DA
AO0
MODBUS
VV1
电磁阀1
I/O离散
DO
DO
DO0
MODBUS
VV2
电磁阀4
I/O离散
DO
DO
DO3
MODBUS
DiscTag1
内存离散
DiscTag2
内存离散
SP
内存实型
KP
内存实型
TI
内存实型
TD
内存实型
PV
内存实型
EK0
内存实型
EK1
内存实型
EK2
内存实型
UKZL
内存实型
UKSet
内存实型
7.2建OPCLINK主题名：
1.启动OPCLINK；
2.配置TOPICDEFINITION；
3.设置“topic”名称为JJP；
4.设置“OPCSERVER”为“kingview.view”，其他为默认即可，点击OK；如图7-2所示；
图7-2
7.3在INTOUCH中建立访问名；
1.点击“配置”——“访问名”；
2.访问名与OPCLINK中访问名一致；
3.建立InTouch标记名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JJP.如图7-3所示，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。
如表7-4所示
图7-3
表7-4
标记名称
注释
类型
访问名
主题名
项目名
应用程序名
Flow
流量
I/O实型
JJP
JJP
rliuliang1.value
OPCLINK
Valve1
阀位
I/O实型
JJP
JJP
rfawei.value
OPCLINK
Pressure
压力
I/O实型
JJP
JJP
ryali.value
OPCLINK
Uk
开度
I/O实型
JJP
JJP
ruk0.value
OPCLINK
VV1
电磁阀1
I/O离散
JJP
JJP
dDO2.value
OPCLINK
VV2
电磁阀4
I/O离散
JJP
JJP
dDO14.value
OPCLINK
7.4脚本程序:
（见附录）
7.5程序流程图，如图7-5所示
图7-5程序流程图
八、安装接线
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。
1.上水箱液位的检测输出——A/D模块中，IN0通道输入。
2.流量的输出检测——A/D模块中，IN2通道输入。
3.阀位反馈信号检测输出——A/D模块中，IN5通道输入。
4.水泵压力信号检测输出——A/D模块中，IN6通道输入。
5.调节阀开度的控制输入——D/A模块中，IO0通道输出。
6.模块之间用RS485总线相连，（2根信号线DATA+、DATA-，2根电源线+vs、GND）
7.模块与计算机通讯：
RS232通讯总线。
8.电磁阀VV1控制输入——DO模块中，DO2通道输入。
9.电磁阀VV2控制输入——DO模块中，DO14通道输入。
九、系统调试过程
1.InTouch是WonderwareFactorySuite的一个组成部分，实际要完成一些大的工业项目，还需要结合其他的软件，如和设备通信的IOServer/OPCLINK.在组态王与InTouch组态软件连接时，一定要是它们之间所设置的访问名一致，并要注意观察InTouch监控界面其工作状态显示情况。
2.手动控制时,点击手动控制按钮,电磁阀VV1、VV2打开，手动输入电动阀开度，直接控制流量。
3.自动控制时，采用上述PID控制算法。
十、结果分析
1．计算机只输出控制增量，误动作影响小。
2．在进行手动-自动切换时，控制量冲击小，能够平滑过度。
3．计算机的数值运算和输入输出需要一定的时间，控制作用在时间上有延滞。
4．计算机有限字长和A/D，D/A转换器的转换精度使控制有误差。
十一、心得体会
通过本次ASEA培训使我对过程控制设计的一般步骤有了更进一步的认识，这其中包括硬件的选择和设计及软件的最优化设计等。
一个工程项目的设计涉及到我们各方面各学科的知识，它是一次对我们每个人的专业知识结构的全方位的考察。
对ASEA培训我个人觉得主要是控制系统的设计。
控制系统设计的步骤一般包括：
系统总体控制方案的设计；微型计算机的选择；控制算法的设计；系统总体设计；硬件设计；软件设计；系统联调等。
这次培训本人收获颇多，是一次难得的锻炼本人专业技能的机会。
也对工业自动化有了一定的认识和了解，通过这次培训让我对本专业有了更深刻的了解，通过培训使我所学的理论知识应用到现实的生产过程中来，也加深了我对理论和实践相结合这句的理解，在学习好基础知识的同时，要积极的参与到实践中来，这样才能做到学有所用。
同时，也注意到学习不能为了学习而学习，要积极思考，把所学习的知识和实际情况联系起来。
经过这次培训，使我增长了不少经验，也进一步提高了我的技能水平，也增加了我的信心。
在培训过程中受到各位老师的多方指导，学习了不少知识。
在此，对各位指导老师表示忠心的感谢，感谢河南工业大学培训中心的所有工作人员，是他们给了我这样一次难得的学习机会，也要感谢自动化学会，以及所有关心和支持此次培训的人。
附录
脚本程序:
显示时:
Uk=0;
UkSet=0;
KP=20;
TI=15;
TD=0;
VV1=0;
VV2=0;
EK0=0;
EK1=0;
EK2=0;
SP=0;
显示期间:
TS=500MS
IF（DiscTag1ANDDiscTag2）==1THEN
VV1=1;
VV2=1;
UkZL=（KP+（KP/（2*TI）））*EK0-（（4*KP*TD）+KP）*EK1+2*KP*TD*EK2;
Uk=Uk+UkZL;
EK2=EK1;
EK1=EK0SP-Flow;
EK0=SP-Flow；
PV=Flow;
UkSet=Uk;
ELSE
IF（（DiscTag1==1）AND（DiscTag2==0））==1THEN
PV=Flow;
Uk=UkSet;
KP=20;
TI=15;
TD=0;
ELSE
IFDiscTag1==0THEN
PV=Flow;
UkSet=0;
Uk=UkSet;
KP=20;
TI=15;
TD=0;
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
隐藏时:
Uk=0;
VV1=0;
VV2=0;
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