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氩气流量控制系统设计
自动控制系统课程设计
设计题目：
氩气流量控制系统设计
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摘要
氩气在金属冶炼、金属焊接、半导体工业、医疗器械、科学研究及国防工业上有着广泛应用，在这些应用中对氩气流量的控制有较高的要求。
本文设计了一套以PLC可编程控制器为控制核心，由工业计算机、氩气流量计、电动调节阀等组成的氩气流量控制系统。
系统采用PID负反馈控制，实现了对氩气流量精确、快速地控制。
关键词：
氩气流量控制；PLC；PID控制
摘要……………………………………………………………I
1概述……………………………………………………………1
2课程设计任务及要求……………………………………………2
2.1设计任务…………………………………………………2
2.2设计要求…………………………………………………2
3理论设计…………………………………………………3
3.1方案论证…………………………………………………3
3.2系统设计…………………………………………………3
3.2.1结构框图及说明………………………………3
3.2.2系统原理图及工作原理……………………………4
3.3单元电路设计………………………………………………4
3.3.1单元电路工作原理………………………………4
3.2.2元件参数选择……………………………………7
4系统设计…………………………………………………9
4.1软件设计…………………………………………………9
4.2编程过程…………………………………………………9
4.3编程结果…………………………………………………12
5安装调试…………………………………………………13
5.1安装调试过程…………………………………………………13
5.2故障分析…………………………………………………13
6结论…………………………………………………15
7使用仪器设备清单……………………………………18
8收获、体会和建议……………………………………19
9参考文献…………………………………………………20
1概述
氩气广泛应用于金属冶炼、飞机制造、原子能研究及国防研究等工业。
它的性质十分不活泼，既不能燃烧，也不助燃。
在对特殊金属（例如铝、镁、铜及其合金和不锈钢）进行焊接时，往往用氩气作为焊接保护气，防止焊接件被空气氧化或氮化。
在金属冶炼方面，氧、氩吹炼是生产优质钢的重要措施，每炼1t钢的氩气消耗量为1～3m3。
此外，对钛、锆、锗等特殊金属的冶炼，以及电子工业中也需要用氩气作保护气。
随着生产工艺的提高，传统的二次仪表已经无法满足现有的控制要求。
为了实现在这些生产工艺中对氩气流量的精确控制，本文提出了一套基于PLC可编程控制器为核心的氩气流量控制系统。
作为目前广泛应用的新一代工业控制装置，PLC采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，方便地与各种生产机械进行通信，控制各种类型的机械或生产过程。
为此，使用PLC作为控制核心，气体电动调节阀器作为执行元件，对气体流量进行精确、快速、可靠的自动控制。
2课程设计任务及要求
2.1设计任务
设计氩气流量控制系统，控制对象为管径φ5㎜的氩气流量。
氩气流量可以在一定围由人工设定，实现自动控制，以保证氩气流量的准确。
氩气工作压力为0.5MPa。
2.2设计要求
1.选择合适的传感器、执行器、控制器，设计控制方案。
2.设计合适的控制算法及算法参数，达到以下要求：
（1）流量设定围10~100N㎡/Min，最小区分度为1N㎡/Min。
（2）控制的静态误差≤0.1N㎡/Min。
（3）实现氩气流量的温度、压力补偿。
（4）操作界面的设计，包括（输入量的显示、设定参数的输入、控制参数的输入）
3理论设计
3.1方案论证
氩气流量控制系统由工业计算机、PLC可编程控制器、电动阀和氩气流量计等组成。
氩气流量设定值由计算机输入界面人工给定。
氩气流量计检测出管道流量信号，通过变送装置反馈给PLC可编程控制器，与设定值进行比较。
PLC可编程控制器作为PID控制器，控制电动阀调节器，实现氩气流量的快速、无静差控制。
在氩气流量调节过程和正常生产过程中，可通过计算机的监视画面实时监控氩气流量。
3.2系统设计
3.2.1结构框图及说明
整个控制系统由工业计算机、PLC可编程控制器、电动阀和氩气流量计等组成，结构如图3.1所示。
氩气流量计
变送器
PLC
计算机
图3.1氩气控制系统结构图
1.工业计算机部分
采用国最稳定的研华原装工业电脑
型号：
研华IPC-610H（2.4GHz/6006LV）
配置如下：
◆P42.4GCPU；512MDDR2存；32M显卡；80G硬盘；软驱；光驱；4个USB2.0接口；双10/100M网卡；
◆17英寸三星CRT显示器、联想天工工业键盘、鼠标套装。
2.工业计算机软件部分
◆微软WINDOWS2000或WINDOWSXP操作系统
◆亚控科技组态王6.53
◆三菱PLC编程软件GX-DEVELOPER7
3.可编程控制器PLC
采用日本三菱的Q00J系列可编程控制器，含DA和AD转换模块。
4.氩气流量计
采用安锐自动化仪表生产的AVS100系列氩气流量计（含温度传感器和压力变送器），工作压力≤1.6Mpa，输出信号为三线制电压脉冲或4~20mA标准电流，方便与自动化系统连接。
5.电动调节阀
选用FISHER公司生产的SAR10.1-ED型调节阀（含定位器），工作压力0.5MPa，工作温度0~263℃，采用电开方式。
3.2.2系统原理图及工作原理
工作原理：
系统的被控对象为管道，系统给定量由计算机设定，被控量为管道氩气流量，反馈量由氩气流量计检测并送入PLC中，并与给定量进行比较，调节器按PID控制算法计算出实时控制量，来控制电动调节阀的控制阀开度，从而调节管路的流量，构成单闭环流量控制系统，系统原理图如图3.2所示。
氩气流量
给定量
+
给定量
－
+
输出量
设定量
管道
扰动
－
+
输出量
设定量
PID调节器
电动调节阀
氩气流量计
管道
图3.2氩气控制系统原理图
比例、积分、微分控制（PID控制）结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。
PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。
它在比例的基础上引入积分，可以消除稳态误差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。
3.3单元电路设计
3.3.1单元电路工作原理
工业计算机和PLC用RS232通讯协议进行连接，通过计算机编制PID程序，然后下载到PLC中。
PLC使用三菱Q00J系列，Q62DA和Q64AD这两个模块进行信号的输入和输出。
Q62DA模块和电动阀进行连接，通过DA模块输出不同的电压值来控制电动阀的开度，进而实现氩气流量的控制。
Q64AD模块和氩气流量计进行连接，把氩气流量计反馈的电压值送入PLC中，进而判断氩气流量的大小。
硬件接线图如图3.3和图3.4所示。
图3.3硬件连线图
图3.4电机主回路连线图
下面对系统的各个部分进行详细介绍。
1.调节器——三菱Q系列PLC
Q系列PLC是三菱公司从原A系列PLC基础上发展过来的中、大型PLC系列产品，Q系列PLC采用了模块化的结构形式，系列产品的组成与规模灵活可变，最大输入输出点数达到4096点；最大程序存储器容量可达252K步，采用扩展存储器后可以达到32M；基本指令的处理速度可以达到34ns；其性能水平居世界领先地位，可以适合各种中等复杂机械、自动生产线的控制场合。
Q系列PLC的基本组成包括电源模块、CPU模块、基板、I/O模块等。
通过扩展基板与I/O模块可以增加I/O点数，通过扩展储存器卡可增加程序储存器容量，通过各种特殊功能模块可提高PLC的性能，扩大PLC的应用围。
Q系列PLC可以实现多CPU模块在同一基板上的安装，CPU模块间可以通过自动刷新来进行定期通信或通过特殊指令进行瞬时通信，以提高系统的处理速度。
特殊设计的过程控制CPU模块与高分辨率的模拟量输入/输出模块，可以适合各类过程控制的需要。
最大可以控制32轴的高速运动控制CPU模块，可以满足各种运动控制的需要。
通过GXDeveloper访问CPU，执行编程／监视功能，还可以设定参数，使PLC系统简单易用。
PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC还要完成部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段，如图3.5所示。
开始
自诊断
与编程器通信
读入现场信号
执行用户程序
输出结果
STOP
RUN
图3.5PLC执行流程图
2.检测变送装置——氩气流量计
AVS100系列氩气流量传感器是根据“卡门涡街”原理研制成的一种流体振荡型流量仪表，主要用于测量工业管道中气体、液体、蒸气等流体的体积流量和质量流量。
其特点是压力损失小，量程围大，精度高。
无可动机械部件，因此可靠性高，维护量小，仪表常数能长期稳定。
插入式仪表在管道的插入口安装，装卸简单，在脏污介质中运行时，可以方便地定期清洗和维修。
本仪表采用压电应力式传感器，可靠性高，可在－40ºC至＋350ºC的工作温度围工作。
，工作压力≤1.6Mpa，输出信号为三线制电压脉冲或4~20mA标准电流，方便与自动化系统连接。
3.执行器——电动调节阀
FISHER公司生产的SAR10.1-ED型调节阀调节阀用于调节氩气的的流量。
根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到氩气流量的调节。
氩气进入阀门，并通过导向筒上端的孔迅速进入平衡室。
由于氩气均衡作用于导向筒的腔及外端，使得阀杆作用于导向筒的力趋于均衡，执行机构的载荷不随氩气压力的变化而过度变化，因此，运行过程中不平衡力小，稳定性好，不易振动，阀门件不易损坏。
随着阀杆带动导向筒向上运动，氩气进入阀笼的第一、二层节流孔，直至流出调节阀体。
导向筒的上下运动，改变着阀笼上节流孔的数量，即氩气流过节流孔的节流面积。
形成各种流量特性，并实现流量的调节。
其流量特性如图3.6所示。
图3.6电动调节阀流量特性
3.3.2元件参数选择
1.工业计算机部分:
采用国最稳定的研华原装工业电脑
型号：
研华IPC-610H（2.4GHz/6006LV）
配置如下：
◆P42.4GCPU；512MDDR2存；32M显卡；80G硬盘；软驱；光驱；4个USB2.0接口；双10/100M网卡；
◆17英寸三星CRT显示器、联想天工工业键盘、鼠标套装。
2.可编程控制器PLC:
选用三菱公司的Q00J型PLC（含Q64DA模块是62DA
AD模块是64AD和Q62DA模块），最大输入输出点数达到4096点；最大程序存储器容量可达252K步，采用扩展存储器后可以达到32M；基本指令的处理速度可以达到34ns。
3.电动调节阀：
选用FISHER公司生产的SAR10.1-ED型调节阀，含定位器，采用电开方式。
驱动方式：
电动380V，定位器信号输出：
4~20mA。
4.氩气流量计:
采用安锐自动化仪表生产的AVS100系列氩气流量计，工作压力≤1.6Mpa，输出信号为三线制电压脉冲或4~20mA标准电流，方便与自动化系统连接。
4.系统设计
4.1软件设计
利用组态王软件可以开发出友好的人机界面，实现对控制参数进行实时输入，并且能够直观地显示控制系统的实时趋势曲线。
系统的PID参数在一定的围可以任意调节，能够满足客户在不同场合下的不同要求。
同时氩气的流量也应该在监控画面上通过数字和曲线实时显示出来，以便客户方便地监控流量的变化。
经过小组讨论，设计出的计算机监控画面如图4.1所示。
图4.1氩气流量控制系统监控画面设计图
根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：
（1） 数据采集及工程量转换
（2） PID算法
（3） 流量温压补偿计算以及流量的累积计算
对于系统中的逻辑控制选用梯形图（LADDER）编程，直观、方便；对于PID回路控制流量温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表（STL）编程，结构紧凑而又灵活。
PID调节是该系统中最为重要的控制程序，因此将PID算法作重点介绍。
4.2编程过程
PID（Proportional Integral Differential）控制算法就是经典的闭环控制，它是连续系统术最成熟、应用最广泛的调节方式。
PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。
在系统输出误差绝对值较大时系统采取饱和输出工作方式，这样可以减小液位系统的时滞性。
同时为了防止系统过大的超调量，在系统误差的绝对值比较小时采用增大积分系数的办法，从而可以提高系统的稳态精度。
微分控制算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，能感觉出误差的变化趋势。
增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小，可以获得比较满意的控制效果。
因此它成为当前最为普遍采用的控制算法。
PID控制器，其控制规律为：
（4-1）
由于式（2-1）为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程，得到位置式数字PID算法
（4-2）
采用式（2-2）为系统的PID编程算法，通过三菱PLC编程软件GX-DEVELOPER7编制梯形图程序。
GX-DEVELOPER编程界面如图4.2所示，在建立工程后，就可以进行PID的程序编制工作。
图4.2GX-DEVELOPER7编程界面
PID程序流程图如图4.3所示
e（k）?
=0
程序结束
输入u（k）
周期采样
按式4-2计算u（k）
程序启动
N
Y
图4.3PID程序流程图
4.3编程结果
编制的PID算法程序如图4.4所示。
图4.4PID程序梯形图
5.安装调试
5.1安装调试过程
由于条件有限，我们不能够对真正的氩气流量控制设备进行调试，只能在三菱实验室进行氩气流量系统的模拟实验，通过对电机转速的控制来模拟氩气的流量控制。
在实验过程中，我们用电机的转速模拟氩气流量，用测速发电机模拟流量监测装置，用三菱变频器模拟执行器电动调节阀，用直流发电机模拟扰动，在实验室计算机和三菱PLC的控制下，完成了系统的模拟和调试。
首先，我们查阅了三菱PLC和三菱变频器的使用手册，了解了它们的工作原理和工作方式。
然后，根据系统结构图，进行硬件接线。
具体步骤如下：
（1）按设计好的线路图接线，确定无误后方可合上电源。
（2）观察示波器波形变化和计算机上的PLC动态监视，一直监视调节过程的数据变化。
（3）先设定调节器的控制规律、PID参数和给定量设为100Nm3/Min，打开电动调节阀，进气阀打开50%，启动电动机并进行系统监控。
在数字示波器上观察控制系统的输出特性。
如果特性不满足要求，用工程的方法反复调整PID参数，直到系统动态、静态特性满足要求为止，并记录PID参数。
（4）待系统稳定后，通过负载电机，加入扰动，突加给定阶跃扰动（给定量增加10%），观察系统克服扰动的能力及输出特性。
（5）在示波器上保存控制阀流量控制系统输出特性。
5.2故障分析
经过了长时间的调试，我们发现了我们做的期间的一些不足，研究了它产生的原因：
（1）开机时PLC的D/A输出模块迅速达到限幅值，电机转速迅速上升到最大值，系统不能自动调节。
通过对原理图和电路图的分析，初步认定原因可能是反馈的信号的极性接反，形成正反馈使偏差信号不断增大，导致系统失去调节作用。
将反馈信号的极性对调之后，系统恢复自动调节功能。
这加深了我们对于反馈的认识，就是反馈要起到调节作用，当调节不起作用了，那么很可能就是反馈了出了问题，这问题是在程序监控的时候发现的，这样的问题以后要在做其他的实验和工程的时候倍加注意。
（2）对于负载大小的认识，实验的时候我在加入负载以后，经常出现报警情况，后来经过老师的指点，发现是负载选大了，于是加入了更大的电阻，问题就一下解决了。
所以这个问题让我们知道了在以后的实验和工程中要对负载这一项具体了解好，那样才不会出现问题。
（3）程序故障的排除。
由于对于最初的程序不是非常的满意，所以我们对程序进行了改进。
但是在改进的时候我们定义了新的变量，于是有一些变量没有对号，于是出现了问题。
经过了很长时间的查找才发现了这个问题，所以这个故障让我们小组的每个人都了解到今后在编写程序时要对每个变量进行认真的设定，而且非常有必要注释。
（4）在观察示波器上电机转速变化时发现示波器图象不够稳定且比较粗糙，谐波干扰比较严重。
在反馈环节加上滤波装置以后，示波器的图象变得稳定且光滑。
6.结论
经过参数整定，发现在Kp=1，Ti=0.625时，系统取得了良好的动态特性和静态特性。
电机启动过程中转速变化图象如图6.1所示。
图6.1电机启动过程转速变化图
记录数据如下：
电压峰值=20.4V电压稳态值=19.2V
计算得：
系统超调=6.25%。
在电机转速稳定后，通过调节直流电动机的电枢回路电阻，使电机转速受到扰动。
在电机转速重新达到稳定后，去掉负载。
系统受扰动后，数字示波器显示电机转速变化情况如图6.2所示。
图6.2突加扰动后电机转速变化图
从观测到的图像上可以看出，系统在受到扰动后，电机转速先有微小下降，然后又迅速调节到受到扰动前的稳定值。
去掉负载后，电机转速稍微上升后有重新恢复到设定值。
这说明所设计的系统能够实现自动调节功能。
在做完模拟试验后，我们又用Matlab做了系统的仿真。
仿真电路图如图6.3所示。
图6.3系统仿真电路图
仿真结果分别如图6.4和图6.5所示。
Kp=1，Ti=0.625时，
图6.4仿真结果
此时出现超调，超调量大约在6.5%左右。
Kp=1，Ti=0.9时，
图6.5仿真结果
此时，系统没有出现超调。
7.使用仪器设备清单
设计控制系统所需元件清单：
1.工业计算机部分：
研华IPC-610H（2.4GHz/6006LV）
2.可编程控制器PLC：
Q00J型PLC（含Q64AD和Q62DA模块）
3.电动调节阀:
FISHER公司生产的SAR10.1-ED型调节阀（含定位器）
4.氩气流量计:
安锐自动化仪表生产的AVS100系列氩气流量计
实验室模拟系统所用设备清单：
1.绕线式异步电动机
2.直流并磁电动机
3.直流电压、电流表
4.三菱Q00J型PLC、三菱FR-F740型变频器
5.TDS2002数字存储示波器
6.可调电阻箱、导线
8.收获、体会和建议
短短的几次课程设计过去了，它带给我的收获和感悟确却不会随之消散。
这门课程是让我感觉到最能接触我们所学的课程之一，通过对这们课程的学习，我对一些专业知识和闭环控制系统都有了更深的了解，同时也尝试着应用自己所掌握的知识，但是同时也发现了自己很多不足之处，所学的知识还有很多漏洞，并且自身的动手能力很差，理论联系实际的能力急需提高。
这次课程我们是按照小组的形式进行的，也因为这样才让我看到了集体力量的强大，各司其职但又互相帮助，这真是理想的团队，在面对实验过程中出现的问题的时候，每个人都贡献出了自己的智慧，我们不断尝试，然后失败，再尝试，再失败，直到成功。
有人设计电路图，有人安装连线，有人查资料，有人监控数据，每个人都有事可做，不管在不在实验室。
我们设计并实践着自己的设想，大家提出自己的想法，大多数人认为可行，我们就尝试，在经历了无数次失败后，我们取得了较为满意的实验结果，虽然这篇报告显的容很少，但都是我们亲自动手取得的成果。
课程设计不仅给我们提供了一个可以展示自己所学知识的平台，还起到了检测和勉励的作用，让自己可以清晰的看到自己所擅长的和所欠缺的，进而让自己有学习和努力的目标。
我发现很多理论知识我们都是学过的，但是应用这些知识的时候我产生了置疑，不知道是不是应该用或者该用到哪里，在我产生疑问的时候，是团队让我感到了集体智慧的强大，老师的解惑也让我感到豁然开朗，但是我们不能过于依靠老师，这毕竟是我们自己的设计，不管成功或失败，自己努力过就是好的。
为了完成这次课程设计我们大家包括老师都很辛苦，在面对失败找不到原因时，我们懊恼过；在面对成功的显示实验结果时，我们欢呼过；在面对问题分析错误时，我们争执过。
我们确实很辛苦，但是苦中有乐，我们说笑，我们聊天，我们争吵，我们欢呼，一切的一切都是那么快乐，一切的一切都是那么让人难以忘怀。
9.参考文献
1关守平．计算机控制系统．：
东北大学，2008年6月第一版
2邵裕森．过程控制系统及仪表．：
机械工业，1999年5月第一版
3洪志育．例说PLC．：
人民邮电，2006年6月第一版
4薛定宇．控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用．：
清华大学，2006年3月第2版
5顾树生，王建辉．自动控制原理．：
冶金工业（第3版），2001年9月第3版
5中国工控网．.gongkong./
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