过程控制课程设计基于组态软件的液位单回路

1、 过程控制课程设计 i 过程控制过程控制 课课 程程 设设 计计 设计课题设计课题 ： 基于组态软件的液位单回路 过程控制系统设计 学院名称学院名称 ： 电气工程学院 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指导教师 ： 设计地点设计地点 ： 设计时间设计时间 ： 2010-06-282010-07-02 指导教师意见： 成绩: 签名： 2010 年 月 日 过程控制课程设计 ii 工业过程控制课程设计任务书之二工业过程控制课程设计任务书之二 学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号 题题 目目基于组态软件的液位单回路过程控制系统设计 课题性质课题性质工程课题来源课

2、题来源自拟题目 指导教师指导教师 主要内容主要内容 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液 位单回路过程控制系统。 任务要求任务要求 1. 根据液位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. 根据液位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，正确设计液位单回路过程控制

3、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。 主要参主要参 考资料考资料 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 2000 3 过程控制教材 4 辅导资料 审查意见审查意见 指导教师签字： 2010 年 月 日 过程控制课程设计 iii 目目 录录 1.设计目的与要求设计目的与要求.1 1.1 设计目的.1 1.2 设计要求.1 2.系统结构设计系统结构设计.2 2.1 控制方案.2 2.2 系统结构.2 3.过程仪表选择过程仪表选择.3 3.1 控制器：计算机.3 3.2 液位传感器：.3 3.3 电磁流量传感器、电磁流量转

4、换器：.3 3.4 电动调节阀：.4 3.5 水泵：.5 3.6 开关电源：.5 3.7 牛顿 7000 系列模块：.5 4.系统组态设计系统组态设计.7 4.1 流程图和组态图.7 4.2 组态画面.7 4.3 数据词典.8 4.4 应用程序.9 4.4.1 pid 算法描述.9 4.4.2 应用程序.9 4.5 动画连接.11 5.结论结论.13 参考文献参考文献.14 致谢致谢.15 附录附录.16 过程控制课程设计 1 1.设计目的与要求设计目的与要求 1.1 设计目的设计目的 本设计在综合应用多门学科知识的基础上，运用组态王软件和过程控制实 验装置设计并调试一个液位单回路过程控制系统

5、。与验证性实验相比，它增加 了设计过程和调试过程，突破了以前只用别人设计好的实验程序验证和分析实 验结果的局限。整个设计涉及组态软件的选用、仪表的选型、系统的结构和程 序设计，设备连接与调试运行等多方面的工作。因此，通过此次设计，不但能 培养我们灵活运用所学知识解决实际问题的能力和实验技能，同时还能加深对 新技术的认知和理解，既有利于进一步增强我们对过程控制这一学科的浓厚兴 趣，也为毕业设计打下良好基础。具体目的包括： 1. 提高对过程参数系统控制原理的掌握程度和对过程仪表的实际应用能力。 2. 提高运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际水平。 3. 提高我们安装、投运和调试过程控制系统的

6、实际水平。 1.2 设计要求设计要求 1. 根据液位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. 根据液位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. 分步投运系统，正确调整系统参数，使系统达到预期性能。 6. 提交包括上述内容的课程设计报告。 过程控制课程设计 2 调节器电动调节阀下水箱 液位变送器 设定值 干扰 - h(液位) f1 f3

7、 f2 f4 ft 水泵 上水箱 下水箱 储水箱 电动调节阀 调节器 计算机hb 2.系统结构设计系统结构设计 2.1 控制方案控制方案 图 2-1 系统方框图 基于被控对象是一个时间常数较小的惯性环节，故本系统调节器的参数宜 用阶跃响应曲线法确定，控制方案选择 pi 控制。 2.2 系统结构系统结构 图 2-2 系统结构 如图所示为液位单回路控制系统的结构。系统的被控对象为下水箱，下水 箱的液位作为被控变量。基于系统的控制任务是维持被控变量恒定不变，即在 稳态时，它总等于设定值。因此需要把液位经检测变送后的信号作为系统的反 过程控制课程设计 3 馈量，并采用 pid 调节器。 3.过程仪表选

8、择过程仪表选择 3.1 控制器控制器：计算机 为满足组态王软件运行的流畅，计算机的配置一般不低于一下标准： 处理器：奔腾 4 主频：1.8ghz 内存：512 m 硬盘：40g 3.2 液位液位传感器：传感器： 图 3-1 压力变送器器 液位测量有很多种方式，本系统采用工业用的 dbyg 扩散硅压力变送器， 0.5 级精度，二线制 4-20ma 标准信号输出。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。在零压力下调整零电位器，使输出

9、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，故工作时须串入 24v 直流电源。 3.3 电磁流量传感器、电磁流量转换器：电磁流量传感器、电磁流量转换器： 过程控制课程设计 4 图 3-2 电磁流量传感器 采用工业用的 lds-10s 型电磁流量传感器与 ldz-4 型电磁流量转换器配套 使用，输入信号：00.4mv，输出信号：420ma dc，允许负载电阻为 0750，基本误差：输出信号量程的0.5%。其中 lds-10s 型电磁流量传感器， 公称直径 10mm，流量 00.3m3/h，压力 1.6mpmax，4-20ma 标

10、准信号输出。 ldz-4 型电磁流量转换器输入信号为 00.4mv，输出信号为 420ma dc，允许 负载电阻为 0750，基本误差为输出信号量程的0.5%。 3.4 电动调节阀电动调节阀： 图 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，无需配私服放大器，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 过程控制课程设计 5 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

11、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。本调节阀采用 ps 电子式直行程执行机构，4-20ma 阀位反馈信号输出 双向向单座柱塞式阀芯，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，可预置阀门关断能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。 3.5 水泵水泵： 采用丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长。功耗小，220v 供电即可。 3.6 开关电源开关电源： dc24v 的开关电源，最大电流 2a。 3.7 牛顿牛顿 7000 系列模块系列模块： 图 3-4 牛顿 7000 系列模块 用来完成过程

12、控制装置的数据采集和控制，完全模拟工业现场环境。它体 积小，安装方便，可靠性极高。 d/a 模块：nudan7024 模块，接受计算机的数字量，转换成 4 路模拟电流 （4-20ma）或电压（1-5v）信号输出均可。用于控制两只电动调节阀开度和一 只变频器频率。 过程控制课程设计 6 a/d 模块：两只 nudan7017 模块，每只 8 路模拟电压（1-5v）输入，然后 转换成数字信号。共计可接受 16 路模拟量输入。 do 模块：两只 nudan7043 模块，每只 8 路数字量输出，共计 16 路，用于 控制电磁阀的开关。 通讯模块：nudan7520 模块，用于 232/485 信号转

13、换，速度高达 300- 115khz。以便连上 232 串口的计算机，下连 485 接口的智能牛顿模块。下图为 工控现场框图。 图 3-5 工控现场框图 过程控制课程设计 7 4.系统组态设计系统组态设计 4.1 流程图和组态图流程图和组态图 a/d hb d/a 计算机 流程图 out uk0-io0 lsppv 组态图 pid1 手动 自动 下水箱 图 4-1 流程图和组态图 4.2 组态画面组态画面 图 4-2 液位单回路控制系统组态画面 过程控制课程设计 8 4.3 数据词典数据词典 表 4-1 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 上水箱水位上水箱水位i/o 实型a

14、dadai0modbus 下水箱水位下水箱水位i/o 实型adadai1modbus 储水箱储水箱水位i/o 实型adadai2modbus 流量 1管道流量i/o 实型 adadai0modbus uk0阀门开度i/o 实型 adadai1modbus uk1可控硅电压i/o 实型adadai2modbus ek0初始偏差内存实型adadai3modbus ek01第一次偏差内存实型adadai4modbus ek02第二次偏差内存实型adadai5modbus 水泵开关开关内存离散adadai6modbus 自动开关自动/手动调节内存离散dadaao0modbus 实时控制实时内存离散 d

15、adaao1modbus sp1设定值内存实型dadaao2modbus pv1输出流量值值内存实型dadaao3modbus sp设定流量值内存实型dadaai7modbus uk手动调节的阀度内存实型dododo0modbus uk01上一次的阀门度内存实型dododo3modbus uk2中间参数内存实型adadai0modbus a01pid 系数内存实型adadai1modbus a11pid 系数内存实型adadai2modbus a21pid 系数内存实型adadai3modbus i1积分常数内存实型adadai4modbus d1微分常数内存实型adadai5modbus p

16、1比例常数内存实型adadai6modbus 过程控制课程设计 9 4.4 应用程序应用程序 4.4.1 pid 算法描述算法描述 增量式 pid 算法表达式为: u(k)=u(k)-u(k-1)=p(1+i+d）*e(k)-p(1+2d)*e(k-1)+p*d*e(k-2) =a01*e(k)-a11*e(k-1)+a21*e(k-2) a01= p(1+i+d);a11= p(1+2d);a21=p*d 4.4.2 应用程序应用程序 启动： uk0=0; uk1=0; uk=0; ek0=0; ek01=0; ek02=0; 运行期间： if(本地站点实时控制=1) sp1=sp; pv1

17、=本站点下水箱液位； if(本站点自动开关=1) /增量式 pid 算法进行 pid 运算 /*a=kp+ki+kd=kp(1+t/ti+td/t) b=kp+2kd=kp(1+2td/t) c=kd=kptd/t */ 本站点a01=本站点p1*(1+1/本站点i1+本站点d1); 过程控制课程设计 10 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-本站点pv1; /用具体标记名替换 本站点uk2=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uk0

18、1=本站点uk2; 本站点ek02=本站点ek01; 本站点ek01=本站点ek0; if(本站点uk2100) if(本站点uk20) 本站点uk0=0; else 本站点uk0=本站点uk2; else本站点uk0=100; uk=uk0; else本站点uk0=uk; else uk0=0; uk1=0; uk=0; 关闭时： uk0=0; uk1=0; uk=0; 过程控制课程设计 11 4.5 动画连接动画连接 液位变送器的显示输出动画连接如下图设置： 图 4-3 液位变送器显示动画连接 下水箱液位实时趋势曲线动画连接如下图设置： 图 4-4 实时曲线动画连接 过程控制课程设计 12

19、 自动控制时的动画连接设置如下图： 图 4-5 自动控制时动画连接 手动控制时为：自动开关=0. 其他动画连接按照上述方法设置即可。其中：p(050)、i(050)、d(050)、 sp(0100) 过程控制课程设计 13 图 4-6 历史曲线动画连接 5.结论结论 本次课程设计的内容是基于组态软件的液位单回路过程控制系统，通过对 下水箱水位进行实时监测，在测量的信号与设定值比较后，把差值输送给调节 器从而控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。在整个课程设 计过程中，一开始对组态软件很是陌生，从图书馆借来的书中，也都是讲一些 基础知识，真正有实例的却很少，而且组态版本也不相同，有天

20、工的，也有力 控的，不方便操作。因此，我开始在网上寻找组态王视频教程，最后终于找到 了一个比较好的视频教学网址：。那里面讲的很详细，在这 次课程设计的组态画面中，从画管道到实现流体在管道中流动，以及水箱水位 的动态变化，都是通过不断观看视频，不断练习的结果，后来把这个网址告诉 身边的同学，使大家一起学习讨论。 本系统的被控参数为下水箱液位，即控制液位等于给定值所要求的大小。 根据控制框图，这是一个闭环反馈型单回路液位控制，采用 pid 控制。当调 节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就 绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数， 可以带

21、来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量 变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控 制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和 参数整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例 （p ）调节器的系统是一个有差系统，比例度 的大小 不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分 （pi ）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数 ，ti 调 节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分 （pid ）调节器是 在 pi 调节器的基础上再引入微分 d 的作用，从而使系统既无余差存在，又

22、能改善系统的动态性能 （快速性、稳定性等） 。 经过近一周的课程设计，加深了我对组态软件的认识与应用，同时也更熟 练了对画图软件 visio 的操作，也为以后做毕业设计打下了基础。用它画组成 框图和一些流程图真的很方便，可以直接在 word 文档中修改，节省了很多时 过程控制课程设计 14 间。 参考文献参考文献 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,2000 3 陈夕松.过程控制系统.北京：科学出版社,2005 4 过程控制实验指导书 5 袁秀英.组态控制技术.北京：电子工业出版社，2003.8 6 吴勤勤.控制仪表及装置（第三版）.北京：化学工业出版社，2007.1 7 姜秀英等.过程控制系统实训.北京：化学工业出版社，2007.7 8侯志林，过程控制与自动化仪表m，北京：机械工业出版社，1999 9梁军，符雪桐，吕勇哉，自适应 pid 控制-基本原理与算法j，浙江大学学 报，1994 10刘伯春,智能 pid 调节器的设计与应用j，电气自动化，1995 11谢新民,具有专家系统的 pid 调节器j，自动化与仪器仪表，1992