流量控制系统设计

1、第一章过程控制仪表课程设计的目的意义2 1.1设计目的2。 1.2课程在教学计划中的地位和作用2。 第二章 流量控制系统（实验部分）打 2. 1控制系统工艺流程3 2.2控制系统的控制要求。4 2 . 3系统的实验调试5 第三章流量控制系统工艺流程及控制要求6 3.1控制系统工艺流程6 3. 2设计内容及要求7。 第四章总体设计方案 4. 1 设计思想8 4. 2 总体设计流程图8 第五章硬件设计9 5. 1硬件设计概要9。 5. 2 硬件选型9 5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明13 第六章软件设计14 6 . 1软件设计流程图及其说明14 6. 2 源程序及其说明16 第七章系统调试及

2、使用说明，17 第八章收获、体会20 参考文献21 第一章 微控制器应用系统综合设计的目的意义 1. 1实验目的 本次课程设计是为过程控制仪表课程而开设的综合实践教学环节，是对 现代检测技术、自动控制理论、过程控制仪表、汁算机控制技术等前 期课堂学习内容的综合应用。本设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典 型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设讣,掌握测控对象参数检 测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表 的PID控制参数整定方法，培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的 能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进

3、 学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。 本次设计的主要任务是通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺 过程）进行分析，并对其中的液位参数设计其控制系统。设讣中要求学生掌握变送 器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；掌握执行器、调节阀的功能原理，能 选择合理的器件类型型号；掌握PID调节器的功能原理，完成液位控制系统的总 体设讣，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。通过对过程控制系统的 组态和调试，使学生对过程控制仪表课程的内容有一个全面的感性认识，掌 握常用过程控制系统的基本应用，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的 巩固与提高理论教学效果。 1.2课程设计在教学计划中的地位和

4、作用 本课程设讣是为过程控制仪表课程而开设的综合实践教学环节，是对现 代检测技术、自动控制理论、过程控制仪表、汁算机控制技术等前期课 堂学习内容的综合应用，使学生加深对过去已修课程的理解,用本课程所学的基本 理论和方法，运用讣算机控制技术，解决过程控制领域的实际问题，为学生今后 从事过程控制领域的丄作打下基础。因此本课程在教学计划中具有重要的地位和 作用。 第二章 流量控制系统（实验部分） 2.1控制系统工艺流程 说明:FT为流量变送器,FC为智能调节器,VL为电动阀,SSR为固态继电器控制 输出，Q表示流量。图2.3同。 :给左量Qs 被控制MQ 一 图2.2内容器单闭环流量控制系统方块流程

5、图 图2.4双闭环比值控制方块流程图 2.2控制系统的控制要求 2. 2.1 单闭环控制 要求给定流量范围为040 0 L/h,流量从2 0 OL/h稳态向3 0 0 L / h稳态 过渡的调节时间不超过10 0 s,超调量不超过5%,稳态误差不超过5%. 2. 2.2双闭环比值控制 主回路（图2.4中FC1调节的回路）要求如单闭环控制要求，副回路（FC2调 节的回路）的比值K为2,主回路Q1随给定Qs改变：在Q1稳定在给定Q s后, 副回路调节时间不超过50 s,超调量不超过5%,稳态误差不超过土 5% 2.3系统的实验调试 2. 3. 1单闭环流量控制 在实验面板上接好线，确认无误后打开实

6、验机柜电源和水泵开关； 将智能调节器FC1设置为单路输入内给定、人工模糊自整定PID调节方式； 调节PI D参数:积分分离值为0,先使积分时间TI为一较大值，微分时间TD 为0;调节比例带P,使流量Q1能稳定到给定值附近，且过渡时间不太大、超调 量满足工艺要求；再调节积分时间TI,使流量Q1的稳态误差减小以满足工艺要 求。若此时过渡时间也能达到工艺要求，则可以不要微分作用，若不能满足则慢 慢增加微分时间TD,使调节时间减小以满足工艺要求。 说明：在调节比例带P使流量能稳定到给定值附近后，主要需解决的是减少稳态 误差（减小TI）、减少超调量（增加比例带P或积分时间TI）和减少过渡时间（增 加微分

7、时间TD或减小积分时间TI） ,P、TI、TD这3个参数主要需调节的是P 和T I,观察无纸记录仪的响应曲线，多试儿组参数，使流量控制达到工艺要求。 2. 3.2双闭环比值控制 在2. 3.1中单闭环流量控制已满足工艺要求的前提下，将其做为主回路，不 需再改动其参数。 将调节器FC2设置为双路输入外给定、人工模糊自整定PI D调节方式。 将比值器设置为加法方式，比例系数A二0.5, B二0。 Q1稳定后，副回路的给定也就一定了。调节PID参数（调节方法如单闭环控 制），给调节器FC2选择合适的PID值以满足丄艺要求。 第三章流量控制系统工艺流程及控制要求 31控制系统工艺流程 HPF法脱硫是国

8、内新开发的技术，它是以氨为碱源液相催化氧化脱硫新工艺, 采用的催化剂II PF是一种复合催化剂，它对脱硫和再生过程均有催化作用。所 产废液完全可以回兑到炼焦煤中，从而大大简化了工艺流程。脱硫、脱氛效率较 高,一般可达到塔后煤气含H 2SW100mg / ml含HCN W 3 0 Omg/m3。 HPF法脱硫的工艺流程是：鼓风机后的煤气进入预冷塔与塔顶喷洒的冷却 水逆向接触，被冷却为3 OC,冷却水从塔下部用泵抽出，送外冷器被低温水冷至 28C送回塔顶循环喷洒。采取部分剩余氨水更新循环冷却水，多余循环水返回机 械化氨水澄清槽。 冷后的焦炉煤气经过两台并联的脱硫塔,从塔顶喷淋脱硫液以吸收煤气中的

9、乩S、HCN（同时吸收氨，以补充脱硫脱氛过程中消耗的氨）。脱H：S后的煤气送 入洗涤工段。 两台并联的脱硫塔都有自己独立的再生系统，吸收了 H：S、HCN的溶液从塔 溜出，经液封槽进入各自独立的反应槽，再经溶液循环泵送入再生塔。同时山空 气压缩机送来的压缩空气鼓入再生塔底部，洛液在塔内即得到再主。再生后溶液 经液位调节器返回各自对应的脱硫塔循环使用。 浮于再生塔顶的硫泡沫利用位差流入泡沫槽，硫泡沫经泡沫泵送入戈尔膜过 滤器分离,清液流入反应槽，硫膏经压缩空气压榨成硫饼装袋外销。为避免脱硫 液盐类积累影响脱硫效果，排出少量废液送往配煤。 脱硫工艺的流程如图3.1所示。图中L表示液位;P表示压力;

10、T表示温度；F 表示流量;I表示指示；C表示控制；V表示阀门；Q表示累计。 脱號废1!公AT捕 nr 出工丧的u拗* apt触丁段 | 林空也84列 IP水一HW 的醯 iifflR I nr I - 0 M 三一 1 图31 HPF脱硫工艺流程流程图 3.2设计内容及要求 1 ).循环上水的流量范围在8001000m7h,精度要求为5%。 2).抽水高度(即预冷塔高度)约20m。 第四章总体设计方案 设计的关键在于循环水的抽送、流量的检测和控制，分别可以通过选择合 适的工业水泵、流量计、无纸记录仪和流量积分演算智能调节器、电动调节阀 完成相关功能。 巧外，假设氨水与循环上水的流量比值有固定要

11、求，可增加比值器实现流量 比值控制。设循环上水的流量为主控量Q 1 ,氨水的流量给定则为Q 2 s二Q1*K,二 者的配比为氨水：循环上水二K： 1,则可用实验中的流量比值控制系统实现该控制 环节。 4.2总体设计流程图 图4双闭环比值控制方块流程图 第五章硬件设计 5. 1硬件设计概要 硬件设计主要是智能调节器的设讣，可采用单片机做实时监控芯片，结合 外围电路实现流量信号的变换、采集、PID运算与控制输出等功能。为了能实 时调整PID参数，需增加键盘扫描电路：为了显示P I D参数和流量的大小，需增 加显示模块。 52硬件选型 5. 2. 1智能调节器的自行设计 I/V转换可用OP07构成的

12、比例放大器实现。由于AD C0 809的转换速度只 有儿十微妙,相对流量的变化时间很小，可以不要保持器。而ADC0809与DAC08 3 2都是八位的转换器件，理论上的控制精度可达到1 / 2 5 5*100%=0. 4%,足以 满足流量控制的精度要求。V/I转换可用RCV420转换器。 单片机选择STC8 9 C 5 2 是CMOS工艺的单片机功耗较低;二是价格便宜； 再者内部程序存储器有8 KB的FLASH ROM,能满足绝大部分工控过程实时监 控程序的烧写需求。 显示部分用LCD,采用长沙太阳人电子的SMC 1602a字符型液晶显示器。 键盘扫描可用8 279加4*4矩阵键盘以中断方式实

13、现。 5. 2. 2智能调节器选型 采用虹润的HR-WP-XLS8 0智能调节器代替，其参数如下 输入信号：模拟量 热电偶：B、E、J、K、S、T、WR e 3 -2 5、F2 电 阻:Pt 1 00、PtlOO. 1、C u 5 0、CulOO、BA 1、BA2 电 流：010mA、42 0mA、020mA,输入阻抗W25 0 Q 电 压： 05V、1 5V 波 形：矩形、正弦或三角波 幅 度:光电隔离，大于4V （或根据用户要求任定频 率:010KHz （或根据用户要求任定） 输出信号：DC 4 2 OmA 精度：测量显示精度0. 5%FS或土 0.2%FS 频率转换精度 1脉冲（LM S

14、 ） 一般优于0. 2 % 5. 2. 3电动调节阀选型 采用湖南力升信息设备有限公司的L SDZ-50电动调节机构，技术指标如 下 出轴力矩（N. m）： 50 动作范围：03 6 0 动作时间（S） : 2 0 控制电路选项：4 -20mA输入 位置输出：4一2 0 mA直流 动力电源:220VAC 50H z 精度：定位精度：0. 5%,位置反馈精度：0. 5% 环境温度：-25+ 5 5 C 5.2.4流量计选型 釆用北京尺度方圆传感器有限公司的L WGY-2 5 0 A05 S,技术指标 如下 精度： 0. 5%R 口径： 2 5 0mm,标准量程 12 0 1 20 0 m3/h

15、重复性：0. 0 5%0.2% 5. 2. 5比值器选型 釆用虹润的HR-WP-X QS80,技术指标如下 特性 显示方式：以双排四位LED显示笫一路测量值（PV I ）和笫二路测量值（PV2）, 以红色/绿色光柱进行两路测量值白分比的模拟显示。 显示范围:-199旷9 9 99字。 测量精度：0. 2%FS或0. 5%FS； 0. 1%FS（需特殊订制），分 辨 率：1 字。对艮警方式：1-4个报警点控制（1AL、2AL、3AL、4 AL）LE D指示。a报 警精度：1字。 运算模型 加 减 运 算： S 0= A Sl B S2 公式4.D乘法运算：S0 =ASlxBS2。 - 32公式4

16、.D除法运算：SO=AS 1 -?BS2o。公式 4.3 计算精度：0.5%FSl字或0. 2%FS1字上运算周期:0.4秒上输入信号 热 电偶：K、E、S、B、J、T、R、Wre3- 2 5 热电 阻：Pt 1 0 0、 CulO 0、Cu50、BA 2、BAI 直流电压:02 0mV、0、100mV、05V、15V、0、5V开方、15V开 方、-55 V： - 10V10V、0-10V 直流电流：010mA、4 20mA、020mA、0、10mA 开方、420mA 开方。 输出信号 输出精度：同测量精度。 电流信号：DC 420mA,负载电阻RW5 0 0Q;DC 010mA,负载电阻R

17、W750Qa电压信号:DC 05V;DC 15 V,负载电阻RM25 0 KQ,否 则不保证连接外部仪表后的输出准确度。心 5.2. 6无纸记录仪选型 采用虹润的HR-SSR单色无纸记录仪，技术指标如下 显示器:采用160*128点阵、高亮度黄底黑字液晶屏，LED背光、画面清晰； 基本误差：0. 2%F. S 输入规格： 全隔离万能输入18通道信号输入，通道间全隔离，隔离电压大于400 输入阻抗：电流：250 Q,电压1MQ; 热电阻：要求三线电阻平衡，引线电阻10 电 压：（05）V、（r5）V. mV信号； 电 流：（01 0 ） mA、（420）mA; 热电阻：PT10 0、Cu 5 0

18、、BAK BA2： 热电偶：S、B、K、T、E、J、R、N; 传感器配电24VDC； 输出规格： 模拟输出4-2 0 mA输出； I 2路可组态继电器触点输出：触点容量为3A、2 5 0 VAC （阻性负载）； 报警输出上上限、上限、下限、下下限； 补偿运算： 蒸汽根据IFC67公式计算蒸汽密度补偿饱和蒸汽与 过热蒸汽的质量流量或热流量。 一般气体温度、压力补偿测量标准体积流量。 天然气温度、压力补偿测量标准体积流量。 液体温度补偿测量标准体积流量或质量流量。 补偿范围：蒸汽 压力0.14. 5 MPa 温度10 0500C 密度 0 . 1 1 00Kg/n? 比焙 250旷3224KJ/K

19、g 一般气体 压力 060MPa 温度-100500C 液体 温度 一100500 累积范围：09 9 9999 9 9 记录时间:记录间隔：1、2、5、10、1 5、30、60、120、240秒可选。 记录长度：八笔记录,72小时/笔（记录间隔1秒）2 0天/笔 （记录间隔4分）。记录间隔可根据对象的不同而不同：对于变 化缓慢的信号如温度，其记录间隔可取得大些，如30秒；而对 于变化比较快的信号如流量，其记录间隔可取15秒;其他如 液位信号，其记录间隔可取I 1 0秒。 数据备份和转存:12 8 M. 2 56M、5 1 2M、1G U 盘可选 热电偶冷端补偿误差：lc 断电保护时间：内置F

20、LA S II存储器保护参数和历史数据，断电后可永久 保存。集成硬件时钟，掉电后也能准确运行。 时钟误差：土 1分/月 供电电源：开关电源8 5VAC2 65VAC, 5 0Hz 5% 环境温度：050C 环境湿度：085%RH 5. 2. 7水泵选型 釆用威乐山姆逊（北京）水泵系统有限公司的立式单级管道泵IL,技术 指标如下 流量范围：90 0 m 3 /h 压力范围：最大扬程：85m 功率范围：0. 2 5kw至200 k w 说明：需用两台泵并联抽水。 5. 3硬件电路设计系统原理图及其说明 图5.1智能调肖器（自行设计）硬件原理图 第六章软件设计 6.1软件设计流程图及其说明 6. 1

21、1主函数 8279初始化 1 LCD初始化 1 定时/计数器TO初始化 中断方式初始化 1 显示PV、SV值 等待中断 图5.1智能调节器（主函数流程图设计） 说明:827 9工作于二键锁定、编码方式;TO工作于定时方式1； PID参数的设置 III键盘中断完成;PID运算过程和输出控制山TO中断完成；PV值为当前流量,S V为给定量。 6. 1.2键盘中断函数 图5.2读键值修改PID参数中断函数 6.1. 3定时器TO中断函数 图5.3龙时器TO采样中断流程图 6.1 . 4 LCD显示函数 图5.4 LCD显示函数流程图 6. 1. 5 参数（P、T i、Tdv A、T s ）设置函数

22、图5.5PID参数设置函数流程图 第七章 系统调试中遇到的问题及解决方法 7. 1调试单闭环流量控制系统时遇到的问题 7. 1 . 1阀门开度100%,流量最大值才150L/h 我首先想到的是量程范圉是否设置错误了，于是检查了一次智能调节器的二级参 数，结果没找出错误。于是很冒昧地请了吴老师帮忙，结果是分流开关被我开的 过大导致主回路的流量过小，把分流开关关小就可以提高主回路的流量值了。我 完全忘了那是分流开关，只好乖乖接受吴老师的批评教育了。 7. 1 .2无纸记录仪显示反馈流量振荡 解决方法一一增大比例带P,由2 00调到了 800,反馈流量最终能稳定在给定值 2 0 0 L / h附近，

23、此时调节时间（山振荡至I稳定在给定值土5）为150 s,未达至I 控制要求。 7. 1 . 3调节时间过大 解决方法：减小积分时间Ti,由30 s减小到2 2.5s,调节时间减少到1 0 0s 左右。然后增加微分时间T d , 111 0增加到0.5s,可使调节时间小于90s,达到 控制要求。同时，从无纸记录仪上观察到流量过渡曲线（在给定值200与给定值 300之间）超调小于5%,稳态误差也小于5%,各项指标达到控制要求。 之后乂多试了儿组参数，最终得到较为理想的一组参数如下 比例带P =620,积分时间Ti=22. 5 s ,微分时间T d =0. 5 s ,运算周期To=2s对应流量控制指

24、标为：从200L/h到30 0 L/h,调节时间为8 0 s,无超调，稳态误 差 2%。 7.2调试流量比值控制系统时遇到的问题 7. 2. 1不了解比值器的连线方式 实验时第一次接触比值器，虽然知道X、Y是输入，Z是输出，但不知道面板上 标的X、Y、Z该怎么连线，问搭档和周围的同学没人知道，看实验指导书也没 有介绍怎么接线，因为怕接错了把仪表烧坏,所以求吴老师指导。在吴老师的细 心指导下我了解了比值器中的信号为直流电流信号，所以无论输入或者输出都要 串联连接。而且由公式4.1、公式4 .2、公式4.3可知比值器应工作在运算方 式2（即加法运算，公式4. 1）,比例因子A即为流量比值K,比例因

25、子B置0。 7. 2. 2副回路流量为0,与给定200L/h有明显偏差，但调节器无输出 “有偏差就肯定有控制输岀”，本着这个想法，我怀疑是不是接线有问题，于是检 查了一次接线，可是没发现错误。接着我想到了输出是有的，可能极性反了，即调 节器的正反作用设置有误。结果一查二级参数，调节器工作在正作用方式下，将其 改为反作用方式后电动调节阀立刻产生动作，流量迅速提升。 7.2.3调节器2的比例带已经调到999. 9最大值，副回路流量仍然振荡 图6.3副回路Td=l的响应曲线图6.3副回路Td=O的响应曲线 这完全可以肯定振荡与比例带无关，可以考虑调节积分时间和微分时间。先去掉 FC2的微分作用，使T

26、d二0,观察无纸记录仪发现副回路流量不再振荡。 7. 2. 4主回路已稳定改变比例K时副回路的过渡时间（2分钟）太长 图6.5副回路Ti=15s的响应曲线 图6.6副回路Ti=7.5s的响应曲线 要使副回路响应加快首先可以调节FC2的比例带P,可是调小了容易振荡，调大 了对减少调节时间的作用不明显。于是将FC2的比例带固定在680,减小积分时 间T i ,使Ti = 7. 5s,结果可使调节时间减少到70s。 最后多试了儿组参数，最佳的参数如下 主回路保持单闭环实验的参数不变，副回路调节器FC2的比例带P二680,积分时 间T i二7. 5 s,微分时间T d = 0 ,运算周期To = 2s,积分分离值AT二1 00。 当比值K = 2时，主回路Q1随给定Qs改变：主回路Q1的过渡时间为75s,无 超调,稳态误差小于5%。副回路调节时间约90s （即主被控量Q1稳定后Q2经15 秒左右稳定），无超调，稳态误差约2%。 第八章 收获、体会 在整个课程设计过程中，