基于组态软件的流量比值过程控制系统设计.docx
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基于组态软件的流量比值过程控制系统设计
工业过程控制课程设计任务书之七
学生姓名
专业班级
学号
题目
基于组态软件的流量比值过程控制系统设计
课题性质
课题来源
指导教师
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比值单回路过程控制系统。
任务要求
1.根据流量比值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.根据流量比值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,正确设计流量比值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[M].北京:
机械工业出版社,2000
[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
在现代工业生产过程中,工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一定的比例关系,一旦比例失调,就会影响生产的正常进行,影响产品质量,浪费原料,消耗动力,造成环境污染,甚至产生生产事故。
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统。
通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统,称之为流
量比值控制系统,这次课程设计的内容就是流量比值过程控制系统。
流量测量是比值控制的基础。
各种流量计都有一定的适用范围(一般正常流量选在满量程的70%左右),必须正确选择使用。
在工程上,具体实施比值控制时,通常有比值器、乘法器或除法器等单元仪表可供选择,相当方便。
若采用计算机控制来实现,只要进行乘法或除法运算即可,我们这次就主要使用计算机及组态王软件进行设计。
关键词:
组态王;流量;比值控制系统
目录
1引言·····································································4
1.1主要内容·······························································4
1.2任务要求·····························································4
2设计方案·································································5
2.1控制方案·····························································5
2.2系统结构图···························································5
3硬件部分设计·····························································6
3.1电动调节阀的选择·····················································6
3.2电磁流量传感器的选择·················································7
3.3水泵的选择···························································7
3.4过程模块的选择·······················································7
4PID控制算法······························································8
5系统组态设计·····························································9
5.1组态图·······························································9
5.2静态画面····························································10
5.3数字字典····························································12
5.4系统应用程序························································13
5.5动画连接····························································14
设计心得···································································16
参考文献································································17
1引言
1.1主要内容
本课程设计是学完《工业过程控制》课程后的一个应用性实践环节。
通过本课程设计的训练,对过程控制工程设计的概念有完整地了解,同时培养综合应用基础课、专业课所学知识与工程实际知识的能力。
通过对过程控制系统的分析与设计,获得面向工业生产过程系统分析与设计的实践知识,初步掌握过程控制系统开发和应用的技能。
基于组态软件的流量比值过程控制系统通过某种组态软件,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,通过流量传感器将检测到的流量与设定值送入计算机,计算机运用PID算法得到相应的控制信号,并将其输出给执行器,然后执行器调节调节阀,以达到调节流量的控制目的。
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比值单回路过程控制系统。
流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛,它能使系统稳定,精确地输出,更能实现自动化控制,是过程控制系统的一个典型。
本设计针对生产中两种液体的流量的控制,对其设计了单闭环流量比值控制系统,将液体A作为主流量,液体B为副流量进行设计,设计中用到了多个硬件设备,并基于计算机实现过程的自动控制。
1.2任务要求
根据要求自己设计系统结构,分析系统的特点和系统特性,在实验室连接系统部件、构造硬件系统。
可以自己跳线、连线,并连好对象、控制器、计算机,但是打开电源之前必须经过指导教师检查。
在过程监控计算机上编制相应监控组态程序。
通过对控制器、监控计算机和实验对象的联机调试、执行、观察结果,达到预期应用功能和控制目的,比较不同方案的应用效果。
(1)根据流量比值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)根据流量比值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,正确设计流量比值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。
2设计方案
2.1控制方案
根据设计要求,系统采用单闭环比值控制。
在控制两种物料的比值系统中,起主导作用的物料流量称为主动量,跟随主动量而变化的物料流量称为从动量。
设本系统中液体A为主动量,液体B为从动量。
将从动量用一个闭环包括进去,而主动量开环。
将液体A的流量y1通过比值控制器k作为闭环回路的输入量。
所以从动量B的给定是ky1,因为y1开环,故y2要随着y1的变化而变化,即从动量B是一个随动控制系统。
单闭环比值控制系统的特点:
单闭环比值控制系统的优点是它不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化,而且可以克服副流量本身干扰对比值的影响,因此主副流量的比值较为精确。
它结构形式较简单,实施起来亦较方便,所以得到广泛的应用,尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。
单闭环比值控制系统虽然两物料比值一定,但由于主流量是不受控制的,所以总物料是不固定的,这对于负荷变化幅度大,物料又直接去化学反应器的场合是不适合的。
此外,这种方案对于严格要求动态比值的场合也是不适应的。
2.2系统结构图
图2.1系统结构图
上图为系统结构图。
当打开液体A的阀门,流量检测传感器测出其流量值,经变送单元送至比值器,比值器的输出与液体B流量测量变送送出的流量值相减,其偏差作为液体B流量控制器的输入值,控制器的输出用来控制调节阀,从而使液体B的流量得到了控制。
这就使液体B的流量随液体A的流量变化而变化。
其中液体A的电动调节阀是为了方便设置A的流量。
系统结构原理图和流程图如下图2.2,图2.3所示:
图2.3系统流程图
图2.2系统结构原理图
3硬件部分设计
3.1电动调节阀的选择
采用电动调节阀对控制回路的液体的流量进行调节。
采
用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀,如图3.1所示,无需配伺服放大器,驱动电路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。
由输入控制信号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,流量具有等百分图3.1电动调节阀
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漏。
性能稳定可靠,控制精度高,使用寿命长等优点。
3.2电磁流量传感器的选择
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,如右图3.2,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:
图3.2电磁流量传感器
(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。
3.3水泵的选择
水泵采用丹麦格兰富循环水泵,借动力设备和传动装置或利用自然能源将水由低处升至高处的水力机械,噪音低,寿命长,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,本实验就是利用水泵将B液罐的溶液送到A液罐。
3.4过程模块的选择
过程模块采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块。
牛顿模块(NUDAMMODULES)具有组态简单、采集的信号稳定、抗干扰能力强、编程容易等众多优点,它被广泛地应用于工场、矿山、学校、车间等需要数据采集的场合。
每一单一的牛顿模块都是地址可编程的,它使用01-FF两位地址代码。
正是由于模块的多样性使得构筑系统时更加容易。
在一般情况下用户无需进行硬件开发,只是选择合适的模块和变送器就行了,软件可以通过组态实现,而对于特殊的需要则必须进行专项的软件开发。
牛顿7000系列模块还具有体积小,安装方便,可靠性高的优点。
D/A模块采用牛顿7024,四通道模拟输出模块,电流输出4~20mADC,电压输出1~5VDC,精度14位。
使用7024模块的1通道I01作为可控硅的电压控制通道。
A/D模块采用牛顿7017,八通道模拟输入模块,电压输入1~5VDC。
使用7024模块的1通道IN1作为A流量信号检测输入通道,7024模块的2通道IN2作为B流量信号检测信号输入通道。
通信模块采用牛顿7530。
RS232转换485通讯模块。
使用RS-232/RS485双向协议转换,转速为300~115200bps,可长距离传输。
控制回路中电磁阀的开关量输出模块采用牛顿7043,16通道非隔离集电极开路输出模块。
最大集电极开路电压30V,每通道输出电流100mA,可直接驱动电磁阀设备。
4PID控制算法
本系统的主要的实现是PID算法的实现,根据流量比值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。
取采样周期Ts=1s。
本系统采用PID位置控制算式,其控制算式如下:
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Kc*PV作为给定值,PV2作为反馈值即AD设备的转换值,e(k)作为偏差。
其流程图如下图4.1所示:
图4.1PID算法流程图
5系统组态设计
5.1组态图
设计系统组态图,如图5.1所示,主动量液体A的测出的流量值PV经过比值器,与PV2进行偏差运算,再进行PID运算。
系统一般在手动的情况下是不输出值的,因为在此时在进行参数设置,若此时输出值,得到的结果不是预期要的,所以系统在手动的情况下PID控制无输出值输出,我们设计的这个系统在系统运行时默认是手动,只有在切换到自动的情况下,PID才有输出值输出。
图5.1系统组态图
5.2静态画面
图5.2开机界面
图5.3控制界面
图5.4历史曲线界面
本课程设计共设计有三个画面:
开机界面、控制界面、历史曲线界面。
开机界面如图5.2所示,当启动系统后,我们进入开机界面,其中上面有系统的名字“基于组态软件的流量比值过程控制系统”,另外还有两个按钮,是“进入”按钮和“退出”按钮,进入按钮是通过ShowPicture("控制界面")命令语言与控制界面相连接,其功能是进入控制界面,退出按钮的功能是退出系统。
控制界面如图5.3所示,在控制界面中有两个液罐,它们在本设计中只是作为容器,装A、B溶液,本设计主要考虑的是流量比值控制。
在主界面中还有一个电动调节阀,若干手动调节阀,两个电磁流量计,一个水泵和若干管道组成,电动调节阀是控制A的流量,两个电磁流量是测量液体的流量值。
当我们启动系统后进入主界面我们设置设定值,比例系数P,积分系数Ti,为分析书Td,比值器大小Kc,设置这五个参数,此事系统是手动状态,将系统切换到自动状态,系统按设定好的PID算法得到输出,使A1流量与A2的流量成设定的比例并稳定于此。
期间画面也能显示出测量值,输出值,并且管道也能模拟液体的流动。
并且在主界面中也能直接观察实时曲线,实时曲线包括给定值的曲线,测量值1的曲线,测量值2的曲线,通过它可以查看系统的稳定情况。
当我们要观察历史的曲线时,我们可以单击历史曲线按钮,进入历史曲线界面,历史曲线界面如图5.4所示。
历史曲线中也主要包括定值的曲线,测量值1的曲线,测量值2的曲线,历史曲线中还有两个按钮,返回按钮和退出按钮,返回按钮也是通过ShowPicture("控制界面")命令语言与控制界面相连接,可以返回控制界面,退出按钮具有退出系统的功能。
5.3数字字典
根据控制系统的需要建立数据词典,以便确定内存变量与I/O数据,运算数据的关系。
只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。
本系统中所涉及到的变量的类型主要有与AD,DA设备进行数据交换的I/O实型变量,控制电磁阀开关的I/O离散变量,用于定以开关动画连接的内存离散变量,参于PID运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内存整型变量等。
具体的数据词典如下表所示。
表5.1数字字典
变量名
变量描述
变量类型
ID
连接设备
寄存器
$年
内存实型
1
$月
内存实型
2
$日
内存实型
3
$时
内存实型
4
$分
内存实型
5
$秒
内存实型
6
$日期
内存字符串
7
$时间
内存字符串
8
$用户名
内存字符串
9
$访问权限
内存字符串
10
$启动历史记录
内存实型
11
$启动报警记录
内存离散
12
$启动后台命令语言
内存离散
13
$新报警
内存离散
14
$双机热备份
内存整型
15
$毫秒
内存实型
16
$网络状态
内存整型
17
液罐A液位
A液位
内存实型
18
液罐B液位
B液位
内存实型
19
A1测量值
显示A1流量
内存实型
20
A2测量值
显示A2流量
内存实型
21
阀门开度
电动调节阀的开度大小
内存实型
24
自动开关
自动
内存离散
25
PV
A液体流量测量值
I/O实型
22
AD
AI1
PV2
B液体流量测量值
I/O实型
23
AD
AI2
Uk
控制电动调节阀输出
I/O实型
26
DA
AO0
Sp
设定值
I/O实型
27
DA
AO1
Kp
比例系数
内存实型
28
Ti
积分系数
内存实型
29
Td
微分系数
内存实型
30
Kc
比值器大小
内存实型
31
T
采样周期
内存实型
32
P
P=Kp1
内存实型
33
TI
TI=Ti/T
内存实型
34
D
D=Td/T
内存实型
35
Uk0
前一次控制调节阀输出
内存实型
36
ek0
现在的偏差
内存实型
37
ek1
前一次偏差
内存实型
38
ek2
前两次偏差
内存实型
39
q01
增量型算法系数1
内存实型
40
q02
增量型算法系数2
内存实型
41
q03
增量型算法系数3
内存实型
42
Gmax
流量计的最大测量值
内存实型
43
5.4系统应用程序
启动时:
T=1;
TI=Ti/T;
D=Td/T;
Uk=0;
ek0=0;
ek1=0;
ek2=0;
Sp=0;
ShowPicture("开机界面");
运行时:
if(自动==1)
{
T=1;
Gmax=100;
P=Kp;
TI=Ti/T;
D=Td/T;
q01=P*(1+1/TI+D);
q02=P*(1+2*D);
q03=P*D;
ek0=Kc*PV-PV2;
k=q01*ek0-q02*ek1+q03*ek2+Uk0;
Uk0=Uk;
ek2=ek1;
ek1=ek0;
Sp=PV*0.4+4;
测量值1=(PV-1)/4*Gmax;
测量值2=(PV2-1)/4*Gmax;
阀门开度=(Uk-1)/4*Gmax;
}
停止时:
Uk=0;
Sp=0;
ek0=0;
ek1=0;
ek2=0;
5.5动画连接
图5.5动画连接界面
当系统启动后,通过开机界面,进入主界面,设定好参数设定值,比例系数,积分系数,微分系数,比值器大小后,按下自动按钮进入自动状态。
系统输出测量值1,测量值2的数值,画面中的管道模拟液体的流动,它是与电动调节阀相关联的,只要电动调节阀是有开度的,管道就能模拟液体的流动,流量计示数,调节阀开度等也在图中显示,如图中所示。
实时曲线中设定值,测量值1,测量值2,随着示数的变化而变化,按下历史曲线按钮可以进入历史曲线界面,按下退出按钮可以退出系统,本次设计基本实现了流量比值的控制。
设计心得
本次工业过程控制课程设计,我们小组做的是基于组态的流量比值控制系统,以PID调节规律作为控制算法,经过几天的努力,我们基本完成了系统的控制要求,监控界面清晰美观,功能较为完善,这是我们参考资料自己独立设计的结果。
经过本次课程设计,我对工业过程控制系统的开发控制流程有了较全面的了解,在查阅相关资料的同时,增长了不少知识,学到了一些书本以外的应用性的东西。
设计过程中,了解了一些从前没有多少接触的硬件设备,如电动调节阀、电磁流量计。
初步了解了PID控制规律在实际控制工程中的应用,进一步加深了对PID控制算法理解,除此之外,还对在实际工程中应用极为广泛的组态王软件有了较好的掌握。
这次的做课程设计的过程,我学到了很多,我们三个人一组,我们团结协作,从软件编写、调试到软硬件联机调试,我们投入了大量的时间和精力。
不仅让我们增长了见识,开阔了视野,更让我们懂得了过程的重要,团结的重要。
也让我们认识到了不足,在硬件上的水平比较差,知识面太窄,学习知识不牢固,而且我们学的都是课本知识,理论知识,实践要和理论结合,而这次我们正好通过这次实践把学过的知识进行巩固。
最后我要感谢我的指导老师马利老师,是她在我们迷茫的时候给我们指导。
在以后的学习中,我会努力完善自己,牢固掌握知识,积极动手,将理论与实践结合,使自己的知识水平有进一步提高。
参考文献
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机械工业出版社,2001
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中国电力出版社,2004
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化学工业出版社,1998
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机械工业出版社,2000
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化学工业出版社,2002
[8]王树清.工业过程控制[M].北京:
化学工业出版社,2003
[9]王再英,刘淮霞,陈毅静.过程控制系统与仪表[M].北京:
机械工业出版社,2006
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武汉理工大学出版社,2001
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- 基于 组态 软件 流量 比值 过程 控制系统 设计