流量单回路控制过程设计.docx
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流量单回路控制过程设计.docx
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流量单回路控制过程设计
过程控制系统
课程设计
题目:
基于组态软件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1304
*******************************************
学号:
************
**************************************************
设计地点:
31520
设计时间:
2016.06.23-2016.07.04
设计成绩:
指导教师:
本栏由指导教师根据大纲要求审核后,填报成绩并签名。
工业过程控制课程设计任务书之八
学生姓名
冯子凯
专业班级
自动化1304班
学号
201323020405
题目
基于组态软件的流量单回路过程控制系统设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟题目
指导教师
王伟生
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]组态王软件及其说明文件
[2]邵裕森.过程控制工程
[3]过程控制教材
[4]辅导资料
审查意见
指导教师签字:
年月日
摘要
过程控制就是对工业过程的自动控制,它采用测量仪表,执行机构和计算机等自动化工具设计控制系统实现生产过程自动化。
流量单回路控制系统就是采用计算机,传感器等设备对水箱的水位进行控制使其达到预期的状态。
组态王开发监控系统软件,是新型的工业自动化控制系统,它以标准的工业计算机软件,硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
关键词:
流量单回路组态王PID控制
1设计目的与要求
1.1设计目的
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
整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。
在本次控制系统中控制器为计算机组态控制,采用算法为PID控制规律,调节器为电磁阀,测量变送为HB、FT两个组成,被控对象为流量PV。
结构组成如下图2.2所示。
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。
其整个流程图如图2.1所示。
图2.1流量单回路控制系统流程图
2.2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2.2.
图2.2流量单回路控制系统框图
3过程仪表选择
3.1液位传感器
液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测,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、低功耗精密器件,稳定性、可靠性大大提高。
可方便地与其它DDZ--ⅢX型仪表互换配置,并能直接替换进口同类仪表。
校验的方法是通电预热15分钟后,分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。
在零压力下调整零电位器,使输出电流为4mA,在满量程压力下调整量程电位器,使输出电流为20mA。
本传感器精度为0.5级,因为为二线制,故工作时需串24V直流电源。
图3.1液位传感器
3.2电磁流量传感器、电磁流量转换器
⑴流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。
根据本实验装置的特点,采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器,公称直径10mm,流量0~0.3m3/h,压力1.6Mpmax,4-20mA标准信号输出。
可与显示,纪录仪表,积算器或调节器配套。
避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点,确保实验效果能达到教学要求。
主要优点:
1.)采用整体焊接结构,密封性能好;
2.)结构简单可靠,内部无活动部件,几乎无压力损失;
3.)采用低频矩形波励磁,抗干扰性能好,零点稳定;
4.)仪表反应灵敏,输出信号与流量成线性关系,量程比宽;
⑵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,允许负载电阻为0~750Ω,基本误差:
输出信号量程的±0.5%。
图3.21电磁流量传感器图3.22电磁流量转换器
3.3电动调节阀
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,.阀门采用柔性弹簧连接,可预置阀门关断力,保证阀门的可靠关断,防止泄露。
性能稳定可靠,控制精度高,使用寿命长等优点。
图3.3调节阀图3.4变频器
3.4变频器
三菱FR-S520变频器(见上图),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,寿命长,可外加电流控制,也可通过本身旋扭控制频率。
可单相或三相供电,频率可高达200Hz。
3.5水泵
采用丹麦格兰富循环水泵。
噪音低,寿命长,不会影响教师授课减少使用麻烦。
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。
图3.5水泵
3.6电磁阀
图3.6电磁阀
3.7开关电源
DC24V的开关电源,最大电流为2A,满足实验的需要。
图3.7开关电源
3.8测量要求
测量范围:
液位:
0~450cm
流量:
0~0.3m3/h
测量精度:
液位:
<2%
流量:
<0.1%
3.9选择过程模块
1.D/A模块:
nudan7024
模块外形
模块原理
模块接线
模块性能:
电流输出4-20Ma;
2.A/D模块:
nudan7017――电压输入
3.DO模块:
nudan7043
4..通讯模块:
当需要构成计算机控制系统时,过程控制装置的数据采集和控制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,完全模拟工业现场环境,先进性与实用性并举。
有效地拉近了实验室与工业现场的距离。
它体积小,安装方便,可靠性极高,D/A7024模块4路模拟输出,电流(4~20mA)电压(1~5V)信号均可,A/D7017模块8路模拟电压(1~5V)输入,485/232转换7520模块,转换速度极高(300~115KHz),232口可长距离传输。
图3.9牛顿模块示意图
4系统组态设计
本文是基于组态王的流量单回路的控制系统的设计,经了解得到组态王属于上位机软件,可以由组态王根据所检测得到的数据,通过的脚本程序,控制相应的执行元件,减少了人工操作的麻烦,使操作起来更加方便、安全。
4.1工艺流程图与系统组态图设计
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(默认进入手动状态)。
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,手动控制直接达到工艺要求;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,直到上水箱水位液位恒定。
工艺控制流程图如图4.1.1所示,系统组态图如图4.1.2所示,控制流程图如图4.13所示。
图4.1.1工艺流程图图4.1.2系统组态图
图4.1.3控制流程图
4.2组态画面
图4.2组态画面
4.3数据字典
图4.3数据词典
标记名称
注释
类型
访问名
主题名
项目名
应用程序名
Liquid-up
上水箱液位
I/O实型
AD
AD
AI0
MODBUS
Liquid-down
下水箱液位
I/O实型
AD
AD
AI1
MODBUS
Flow-main
主流量
I/O实型
AD
AD
AI2
MODBUS
Flow-second
副流量
I/O实型
AD
AD
AI3
MODBUS
Tempre
温度
I/O实型
AD
AD
AI4
MODBUS
Valve1
主阀位
I/O实型
AD
AD
AI5
MODBUS
Pressure
压力
I/O实型
AD
AD
AI6
MODBUS
Uk0
主阀开度
I/O实型
DA
DA
AO0
MODBUS
Uk1
可控硅电压
I/O实型
DA
DA
AO1
MODBUS
Uk2
变频器频率
I/O实型
DA
DA
AO2
MODBUS
Uk3
副阀开度
I/O实型
DA
DA
AO3
MODBUS
Valve2
副阀位
I/O实型
DA
DA
AI7
MODBUS
VV1
电磁阀1
I/O离散
DO
DO
DO0
MODBUS
VV4
电磁阀4
I/O离散
DO
DO
DO3
MODBUS
4.4实时曲线
图4.4实时曲线
4.5实时报表与命令语言
图4..5.1实时报表
图4.5.2命令语言
4.6应用程序if(\\io\kz==1)
{
\\io\S=9;
}
if(\\本站点\K2==1)
{
\\本站点\a01=\\本站点\P1*(1+1/\\本站点\I1+\\本站点\D1);
\\本站点\a11=\\本站点\P1*(1+2*\\本站点\D1);
\\本站点\a21=\\本站点\P1*\\本站点\D1;
\\本站点\ek0=\\本站点\sp1-\\io\流量1;
\\本站点\uk=\\本站点\a01*\\本站点\ek0-\\本站点\a11*\\本站点\ek01+\\本站点\a21*\\本站点\ek02+\\本站点\uk01;
\\本站点\uk01=\\本站点\uk;
\\本站点\ek02=\\本站点\ek01;
\\本站点\ek01=\\本站点\ek0;
if(\\本站点\uk<1000)
{
if(\\本站点\uk<0)
{\\本站点\uk0=0;
}
else{\\本站点\uk0=\\本站点\uk;
}
}
else{\\本站点\uk0=1000;}
}
\\io\d=\\本站点\uk0;
5单回路控制系统PID控制算法
根据流量单回路控制系统的原理,运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写语言实现PID控制算法。
本系统采用PID位置控制算法,其控制算式如下
u(k)=u(k-1)+
(1+
)e(k)-
(1+
)e(k-1)+
e(k-2)
=u(k-1)+
e(k)-
e(k-1)+
e(k-2)
=
(1+
)
=
(1+
)
=
上述算式中,Kp为比例系数,TI为积分时间,TD为微分时间,以u(k)作为计算机的当前输出值,以sp作为给定值,pv作为反馈值即AD设备的转换值,e(k)作为偏差。
PID控制算法流程图如下图5.1所示
图5.1PID控制算法流程图
设计心得
通过此次设计,我掌握了流量单回路控制系统的构成。
知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变送组成。
刚开始大概了解课题的原理,就是用计算机和流量监测计来控制水箱的液位,接下来就是日复一日的绘图、编程和写设计报告。
在这次课程设计当中我体会到了技术工作人员的辛苦,而且也更加深了对自动化专业的认识,坚强了实际动手操作的能力,有机得把理论和实践结合在一起,能设计一些基本的控制程序。
然后,在不断地深入的学习中遇到很多棘手的问题,但是,通过大量的查阅资料和请教老师和同学,最终解决了遇到的问题,在解决问题的过程中自己有了很大的收获。
并且学会了如何去设计一个过程控制系统,掌握了基本的设计步骤。
了解到,一般情况下,它都要经过一下几个步骤:
认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等,直到最后的动画链接成功,并达到控制要求。
经过以上步骤,我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会,也学会了很多与设计相关的知识。
对组态王软件也有了很大的了解,学会了初步的应用。
认识到了组态王的一些应用情况,组态王软件的组成与功能,其应用程序项目如何建立,数据词典如何建立,动画如何进行链接,命令语言程序如何编写,趋势曲线如何建立,还有I/O设备的配置和组态网络的建立等等一系列与组态王软件应用相关的知识。
在这次的课程设计中,自己不但学到了知识而且还将知识和实践结合起来锻炼了自己各方面的能力,是我从中受益匪浅,对以后的工作和学习有很大的帮助,希望在以后的学习中有更多这样的机会。
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- 流量 回路 控制 过程 设计