工业过程控制课程设计-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题 目: 基于组态软件的流量比值过程控制系统设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 指导教师评语： 签名： 年 月 日工业过程控制课程设计任务书学生姓名专业班级自动0504学号20054280419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工程设计课题来源自拟题目指导教师李智强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北京：机械工业出版社20003. 过程控制教材4. 辅导资料审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日目 录1 绪论22 设计目的23 控制要求24 控制方案及控制规律24.1 控制方案2控制规律45 工程仪表的选择55.1 液位变送器55.2 电动调节阀65.3 变频器75.4 水泵85.5 模拟量采集模块95.6 模拟量输出模块95.7 通信转换模块95.8 开关电源96 系统组态设计96.1 组态软件介绍96.2 系统组态图106.3 历史曲线116.4 标记名字典11总 结13参考文献141 绪论在石油炼制，化工及其他工业生产过程中，要求两种或两种以上的物料按照一定的比例混合或参加反应，一旦物料的配比失调，就会严重影响产品的产量和质量，有时还会引起事故。在工业生产上实现两个或两个以上物料符合一定比例关系的控制叫做比值控制系统，通常把保持两种或几种物料流量为一定比例关系的系统称为流量比值控制系统。在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，该物料一般为贵重或者流量不可控制的，这种物料称之为主物料，表示这种物料的变量称为主动量，在流量比值控制系统中主动量也称主流量，用G1表示；另一种物料按照主流量进行配比，在控制过程中随主流量而变化，因而称为从物料，表征其特征的变量称之为从动量，用G2表示，在流量比值控制系统中也称之为副流量。一般情况下，总以生产中的主要物料为主流量，或者以不可控物料作为主流量，用改变可控物料及副流量来实现它们之间的比值关系。2 设计目的（1）加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。（2）培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力。3 控制要求（1）能根据具体对象及控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。（2）能够根据过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用模块。（3）能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）能运用组态软件，正确设计过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。4 控制方案及控制规律4.1 控制方案单闭环流量比值控制系统，图2.1为单闭环流量比值控制方案，由副流量的控制部分看，是一个随动的闭环控制回路，而主流量的控制则是开环的。图2.2所示，主流量G1经过比值运算后使输出信号与输入信号成一定比例，并作为副流量调节器的设定信号值。在稳定状态下，主流量和副流量满足工艺要求的比值，即K=G2/G1为一常数，当主流量负荷发生变化时，其流量信号经过变送器到比值器，比值器则按预先设定好的比值使输出成比例的变化，即成比例的改变了副流量调节器的设定值，则G2经过调节作用自动跟随G1变化，使得在新稳态下比值K保持不变，当副流量由于扰动作用而改变时，因为主流量不变，即FC调节器的设定值不变，这样，对于副流量的扰动，闭合回路相当于一个定值系统加以克服，使工艺要求的流量比值不变。图4.1 流量单闭环比值控制系统流程图图4.2 流量比值控制系统方框图单闭环比值控制系统的优点是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，因此得到广泛的使用，尤其适用于主流量在工艺上不允许进行控制的场合。4.2 控制规律流量比值控制系统采用的为PID控制规律，PID控制是比例积分微分的简称。在工业生产工程自动控制的发展历史中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。PID算法具有如下优点：（1)原理简单，使用方便；（2)适应性强；（3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。由于PID具有以上优点，所以本设计选用他来作为控制规律。PID程序设计：IF (iokz4=1) ioS=8;IF zdkg=1;THENa01=KP1*(1+1/TI1+TD1);a11=KP1*(1+2*KD1);a21=KP1*TD1;ek0=5*sp1-FLL;Uk=a01*ek0-a11*ek01+a21*ek02+Uk01;Uk01=Uk;ek02=ek01;ek01=ek0;IF (Uk1000) THENIF (Uk0)Uk0=0; ELSE Uk0=Uk;ENDIF; ENDIF;ENDIF;5 工程仪表的选择5.1 液位变送器液位传感器是用来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，稳定性和可靠性大大提高。可方便的与其他DDZIIIX型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。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，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。液位传感器用来上水位箱和中水位箱的水位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，精度为0.5级，二线制420mA标准信号输出。 图5.1 压力传感器 电动调节阀调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，PS系列电子式执行机构可以用于对管道的阀门和风门的调节及开与关的控制，其主要特点如下：一体化结构设计，位置变送器和伺服放大器作为两个独立部件均可直接装入执行机构内部，直接接受420mA的控制信号，输出420mA或者15VDC的阀位反馈信号，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。功能模块式结构设计，通过不同可选择功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同的应用要求。结构简单，体积小巧，重量轻，便于安装和维护，机械零件全部采用CNC加工部件，工艺精湛。传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高，噪声低，寿命长和稳定可靠，无需再加油等特点。具有多种运行速度，可以满足各种控制系统的要求，以保证系统的快速响应及稳定性。PSL系列同阀门的连接采用柔软盘黄连接，可避免阀杆与输出轴不同轴给阀门带来的影响，可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断，防止泄露。PSQ系列有转矩开关保护，可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步电机，运行平稳，具有体积小、转矩大、抗堵转、控制精度高等特点。可设置分段调节，即由一台调节器输出的双时间比例信号控制两台执行机构（412mA对应PSL1的全开全闭，1220mA对应PSL2的全开全闭）阀位反馈元件全密封高精度多圈电位器，具有体积小、精度高、死区小、使用寿命长等特点。行程可调，便于与阀门连接。全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠，使用时间长。图5.2 电动调节阀5.3 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器，它首先是将交流电变为直流电。然后用电子元件对直流电进行开关，变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置。使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数。使转数在一定的范围内可调。变频器广泛用于交流电机的调速中。变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。三菱FR-S520变频器，4-20控制输入信号，可对流量或者压力进行控制，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，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或者三相供电，频率可高达200HZ。图5.3 变频器5.4 水泵水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力 , 即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。这里采用丹麦格兰富循环水泵。不会影响教师授课减少麻烦。功耗低，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5.4 水泵5.5 模拟量采集模块模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。测量精度：0.2级。16位A/D循环采样，采样速率：3000次/S；1.2倍量程可正确测量，过载2倍量程输入1S不损坏；隔离电压1000VDC。模拟量输出模块输出标准电流信号，可用于驱动继电器、开关等。这用A/D牛顿7017模块8路模拟电压（1-5V）。5.6 模拟量输出模块D/A牛顿7024模块4路模拟输出，电流(420mA) 电压（15V）信号均可。5.7 通信转换模块485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300115KHz），232口可长距离传输。 图5.5 牛顿模块示意图5.8 开关电源DC24的开关电源，最大电流为2A，可以满足实验要求。6 系统组态设计6.1 组态软件介绍随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有（1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 最早开发的通用组态软件是DOS环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面（MMI）、图库、绘图工具箱等基本功能。随着Windows的广泛应用，Windows环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。国外许多优秀通用组态软件是在英文状态下开发的，它具有应用时间长、用户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、组态软件本身费用和组态软件培训费用高昂等因素，这些也正是国内通用组态软件在国内不能广泛应用的原因。随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，通用组态软件的市场需求日益增大。近年来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。 系统组态图图6.1 系统组态图 历史曲线图6.2 历史曲线画面 标记名字典总 结通过这次设计，我受益匪浅，主要表现在以下几个方面：（1）通过这次实践，我基本掌握了组态软件组态王界面设计，对RS485通信协议也有了一定的了解。组态王软件实现动画的编程语言和以前我们学过的C语言很类似，而在以前学习C语言时，我们很多同学都认为这门语言都已经过时了，我们应该去学习时下流行的.NET和JAVA，但是通过这次设计我发现，编程思想以及程序的算法往往比编程语言更重要。（2）上完这门课后，我对单片机的总体感觉是：单片机比较适合做产品研发或系统设计，而我们以前学的PLC则比较适合于工程控制，它比用单片机控制要简单一些。相比PLC,用单片机做系统设计要难很多，而且网上的相关资料显示，PLC比较适合于环境比较恶劣的工业现场。因此，学会用PLC做控制也是很重要的。但我发现，PLC与单片机也有某些类似的地方，而且，学完单片机后，我发现PLC变得容易了。由此我发现，其实任何学科都是相通的。而且，通过这个课程设计，我发现用PLC做过程控制的控制器应该是一个正确的选择。参考文献1 袁本恕.计算机控制系统M.合肥.中国科技技术大学出版社，19983 马正午,n5 常晓玲，6 谭浩强.