控制装置与仪表课程程设计.docx
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控制装置与仪表课程程设计
课程设计报告
(2011--2012年度第二学期)
名称:
控制装置与仪表课程设计
题目:
除氧器水位单回路控制系统设计
院系:
自动化系
班级:
测控
学号:
20090
学生姓名:
指导教师:
设计周数:
一周
成绩:
日期:
2012年6月22日
《控制装置与仪表》课程设计
任务书
1.目的与要求
认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。
1.1了解过程控制方案的原理图表示方法(SAMA图)。
1.2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。
1.3初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。
2.主要内容
2.1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。
2.2组态设计
2.2.1KMM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。
2.2.2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。
2.3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。
2.4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。
3.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)。
4.设计(实验)成果要求
4.1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。
4.2对系统设计过程进行总结,完成并打印设计报告。
5.考核方式
5.1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。
5.2设计报告格式规范,内容详实。
6.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:
刘帅
指导教师:
韦根原
KMM调节器组态、实现及控制系统模拟调试
1.设计目的
1.1了解过程控制方案的原理图表示方法(SAMA图)。
1.2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。
1.3初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。
2.设计实验设备
KMM数字调节器、KMM程序写入器、PROM擦除器、控制系统模拟试验台
3.设计正文:
3.1设计分析过程:
对如图1所示的除氧器水位控制系统,要求对除氧器内水位进行单变量定值控制。
除氧器水位经变送器测量后,由KMM模入通道2送至调节器中。
调节器输出AO1经模/数转换器控制调节阀调节给水量,从而控制除氧器内的水位。
测量值pv的扰动:
当测量值的取值在给定值sp附近,并且变化范围在给定值正负15%时,通过投自动测量值会越来越趋近于给定值,不管测量值变化多少(只要不超出上下限,否则不能投自动),测量值都会越来越趋近于给定值。
3.2设计步骤:
3.2.1由控制要求画出控制流程图。
如附录图1。
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。
显示要求:
给定值(SP)与测量值(PV)指示表(双针动圈指示表)
输出值指示
各种指示灯
操作要求:
给定值和输出值的增减操作。
3.2.2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)通道输入水位信号,一路模拟量输出(模出)通道输出控制信号控制水位调节阀。
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。
3.2.3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。
并用SAMA图表达出控制方案。
见图2所示。
3.2.4绘制KMM组态图并填写KMM控制数据表
用所采用的控制仪表制造厂商提供的控制图例和组态方法,在控制装置中实现控制策略。
KMM的组态方式是填表式组态方法,要根据控制要求画出KMM组态图并由组态图按KMM数据表格式填写控制数据表,为制作用户EPROM作准备。
(1)绘制KMM组态图。
如附录图3所示,并且是根据SAMA图绘制的KMM系统组态图。
(2)根据KMM组态图填写控制数据表。
KMM组态通过填入如附录图4所示的几个数据表格实现。
3.2.5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。
根据数据表中所填写的代码和数据用KMM程序写入器进行编程。
程序写入器的具体使用方法参见附录中说明。
按表格次序逐项输入数据。
程序输入并检查修改完毕后,按“WRIT”、“ENT”键,将程序写入EPROM中。
写入程序后的EPROM移插到KMM调节器的用户EPROM中,即可进行整机和系统调试工作。
写入的数据程序如下:
F001-01-01-0866F001-01-02-2F001-01-03-0F001-01-04-1
F001-01-05-25F001-01-06-0F001-01-07-0
F002-02-01-1F002-02-02-2F002-02-03-0.00F002-02-04-99.99
F002-02-15-0
F003-01-01-0F003-01-02-1F003-01-03-0F003-01-04-0.0
F003-01-05-100.0F003-01-06-1.5F003-01-14-15
F005-01-01-0.0F005-01-02-100.0F005-01-03-15.0F005-01-04-0.0
F006-01-01-U0004F006-01-02-P0001
F101-20-H1-P0001F101-20-H2-P0402F101-20-P1-U0004F101-20-P2-P0502F102-11-H1-U0001F102-11-H2-P0101
F103-13-H1-U0002F103-13-H2-P0102
F104-19-H1-U0003
F105-16-H1-P0001F105-16-H2-P0402F105-16-P1-P0103F105-16-P2-P0104
F106-30-H1-U0005
F107-28-H1-P1001F107-28-H2-U0005
F108-27-H1-P1002F108-27-H2-U0006
F109-45-H1-P0502F109-45-H2-U0007F109-45-P1-U0008F109-45-P2-P0502
3.2.6按控制系统模拟线路原理图接线。
如附录图5。
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。
图中实线连线表示已接连线,有三条,分别是KMM(CZ6)端子33-37(禁止外部联锁信号输入)、端子3-4(模拟通道1的电流输出构成闭合回路,以避免产生开路报警信号)和端子1-11(供电电源)。
实验时需检查确认。
弯虚线表示实验时需接连线,按图4逐条正确连接。
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。
工业控制信号转换器是一个数据采集系统。
本设计中输入系统的定值信号和测量值,可完成信号的数据存储、显示、打印等功能。
3.2.7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。
检查并确认接线正确;□
对内藏有“后备手操单元”的KMM,要预先将此单元的“后备/正常方式切换开关”(Standby/NormalmadeSwitch)扳到“正常”(Normal)侧。
对使用“预置(Preset)型后备手操单元”的场合,要预先设定好“预置(Preset)输出值”。
□
(2)通电。
使调节器通电,初上电,调节器先处于“联锁手动”(InterlockManmalmode)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。
记录定值扰动10%时的动态过程曲线。
设计实验报告
姓名:
刘帅
专业、班级:
测控0902
EPROM编号
0924
学号:
200902030216
同组人
梁毅、史彬、牛岳鹏、毛晨丽
设计名称
KMM组态及控制系统调试
1设计功能说明:
要求对除氧器内水位进行单变量定值控制。
除氧器水位经变送器测量后,由KMM模入通道2送至调节器中。
调节器输出AO1经模/数转换器控制调节阀调节给水量,从而控制除氧器内的水位。
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.PI参数:
比例带δ=15%和积分时间TI=0.1
3.记录曲线:
如附图所示。
4.曲线分析:
第一个峰值取值为3.933,第二个峰值取值为3.902。
给定值为3.842.
衰减率65.9%,稳态误差:
0.03
超调量2.37%
指导教师
韦根源
设计日期
2012-6-24
4、课设试验总结:
进行了为期一周的课设,觉得通过课前的预习和准备工作,对实验原理及操作过程有了更清晰的了解,试验进行的还是蛮顺利的,本次课程设计对除氧器水位单回路压力系统,进行单变量控制,通过SAMA的绘制了解了过程控制方案的原理。
我的任务是是用CAE2000对A/D转换器送入的参数进行记录、存储、显示。
本来的组态比较简单,由于以前应用过CAE2000,所以比较顺手的将组态图实现,进行了精准的组态。
在运行和显示的过程中有一些出入:
主要是设定值不稳定,一直有小范围波动。
在询问老师后,将波动忽略(按韦老师的意思是仪器有误差,不能很好的一直保持恒定)。
最后我们的曲线总是只有一个波峰能超过SP值,经过和周围同学的交流、探讨后,一致认为是我们的PID参数不理想,所以曲线比较缓和,总的时间比较长,在经过PID参数的重新设定后我们的曲线显得比较完美,也很高兴我们的努力没有白白浪费,最后我们在打印的过程发现:
点击打印之后,我们的打印机并没有工作,对面的一台打印机竟然开始工作,仔细检查发现原来是信号口一直在别人的试验台的打印机上插着。
在实验过程中,一定要小组分工明细,并且细心、耐心的做,遵照相应步骤来完成。
非常感谢老师的悉心指导!
!
!
5、参考文献:
吴勤勤主编《控制仪表及装置》.化学工业出版社第三版
《控制仪表与装置实验及课程设计指导书》韦根原王秀霞主编华北电力大学
附录图1
除氧器水位控制系统流程图
附录图2
控制系统SAMA图
附录图3:
KMM组态图
附录图4:
输入的数据表如下:
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
0866
0
运算操作周期
1、2、3、4、5
02
2
2
调节器类型
0、1、2、3
03
0
0
PV报警显示PID编号
1、2
04
1
1
调节器编号
1~50
05
25
1
上位计算机控制系统
0、1、2
06
0
0
上位机故障时切换状态
0、1
07
0
0
PROM管理编号:
作芯片记号,指定一个四位数。
运算操作周期:
1-100ms;2-200ms;3-300ms;4-400ms;5-500ms。
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。
开平方处理:
0-直线;0-开平方处理。
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
0.0
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
15
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
可使用百分型可变变量20个,时间型可变变量5个。
(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
百分型数据:
缺省值为0.0;给定范围为:
-699.0~799.9%。
时间型数据:
缺省值为0.00min;给定范围为:
0.00~99.99min。
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
连接的内部信号缺省值为U0000。
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
10
11
12
~
30
运算模块编号:
由设计人员按模块调入顺序给出的序号。
运算模块数据表参见教材:
表4-1。
模块输入端能用的内部信号参见教材:
表4-2。
附录图5:
模拟控制回路接线图
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- 控制 装置 仪表 课程 设计