基于组态软件的液位―流量串级控制系统设计

1、 过程控制系统课程设计题 目: 基于组态软件的液位流量串级控制系统设计 院系名称：专业班级： 自动1002 学生姓名： 学 号：指导教师： 王伟生 设计地点： 31520 设计时间： 2013-6-242013-7-7 摘 要随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。在这种情况下，简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求，因此就提出了串级控制方案。串级控制具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有很多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控

2、制是一种易于实现且效果又极好的控制方法。关键词： 控制系统 单回路 串级控制目 录1 引言. 42 系统结构设计. 42.1控制方案 . 42.2 控制规律 . 53 过程控制仪表的选择. 53.1 液位传感器 . . 53.2 电磁流量传感器 电磁流量转换器 . 63.3 电动调节阀 . . 73.4 变频器 . . 73.5 水泵 . 83.6 模拟量采集模块 . . 83.7 模拟量输出模块 . . 93.8 通信转换模块 . 94 系统组态设计. 94.1 系统工艺流程图 . . 94.2 组态画面 . 104.3 数据字典 . 124.4 PID控制算法 . 13 设计心得 . 15

3、参考文献. 16附录A 系统脚本程序 . 171 引言过程控制是根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程的自动化。过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送环节等组成。在工业过程控制系统中，单回路控制系统约占一半以上，但是单回路控制系统适用于控制要求不高的场合。对于某些控制要求比较高的场合，单回路控制系统却远远不能满足控制要求，因此就提出了串级控制系统。串级控制系统是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。与单回路控

4、制系统相比，串级控制系统在结构上增加了一个副回路，对进入副回路的扰动有很强的抑制作用；同时由于副回路的存在，改善了系统的动态性能，提高了系统的工作频率，并且使系统具有一定的自适应能力。组态软件是应用软件中提供的工具、方法来完成工程中某一具体任务的软件。组态软件提供了监控层的软件平台和开发环境，通过灵活的组态方式，可以快速构建工业自动控制系统监控功能。同时，组态软件具有实时性和多任务性，可以在一台计算机上同时完成数据采集、信号数据处理，数据图像显示、人机对话、历史数据查询等多个任务。本设计利用过程仪表和计算机，结合组态王6.53软件设计人机交互界面，设计实现水箱液位流量串级控制系统。同时，在组态

5、软件中实现动画显示、实时曲线显示等功能。2 系统结构设计2.1控制方案在本系统中，被控参量有两个，上水箱液位和管道流量，这两个参量具有联系，流量的大小可以影响上水箱的液位，根据流量与液位之间的关系，采用液位流量串级控制，系统框图如图2.1所示。 图2.1 液位流量串级控制系统框图在图2.1中，副回路为流量控制回路，主回路为液位控制回路。主回路液位控制器的输出作为副回路流量控制器的设定值，副回路流量控制器的输出来控制调节阀的大小，控制管道流量的大小，进而控制上水箱液位。2.2 控制规律本设计采用工业过程控制中最常用的PID 控制规律。在工程实际中，应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制

6、，即PID 控制，其结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了大量丰富的经验。主回路与副回路的控制算法均采用PID 算法。PID 算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。主回路PID 的输出做为副回路的输入，副回路跟随主回路的输出。PID 控制的技术成熟，结构灵活，不仅可以实现常规的PID 调节，而且还可以根据系统要求，采用PI 、PD 、带死区的PID 控制等。PID 控制不需要求出系统的数学模型，控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID 完全可以代替模拟调节器，并且能够取得比较满意的效果。3 过程控制仪表的选择3.1 液位传感器液位传感器用来

7、对水箱液位进行测量检测，采用工业用的DBYG 扩散硅压力传感器。DBYG 扩散硅压力传感器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性和可靠性高，可以方便的与其他DDZ X 型仪表互换配置。DBYG 扩散硅压力传感器如图3.1所示。 图3.1 DBYG 扩散硅压力传感器使用时，要对其进行校验。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下检测输出电流。在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA ；在满量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，因为采用二线制，因此工作时需要串接24V 直流电源。3.2 电磁流量传感器 电磁流量转换器流量传感

8、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。根据本系统装置的特点，选用工业用的LDS 10S 型电磁流量传感器，其公称直径为10mm ，流量00.33m /h，压力为1.6Mpamax ，420mA 标准信号输出。该传感器采用整体焊接结构，密封性能良好，结构简单可靠，内部无活动部件，抗干扰性能好，零点稳定。另外，可与显示、记录仪表、计算器或者调节器配套，避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点。流量转换器采用LDZ 4型电磁流量转换器，与LDS 10S 型电磁流量传感器配套使用。其输入信号为00.4mV ，输出信号为420mADC ，允许负载电阻为0750，基本误差为输出信号量程的

9、0.5%。3.3 电动调节阀电动调节阀用于对控制回路的流量进行调节，本设计选用PSL202型的智能电动调节阀，无需配置伺服放大器。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，外形如图3.2所示。 图3.2 PSL202型的智能电动调节阀控制电路与电动执行机构一体化，可靠性好，操作方便，并可以与计算机配套使用，组成最佳调节回路。由输入控制信号420mA 及单相电源即可控制运转，实现对流量的调节，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，420mA 阀位反馈信号输出，流量具有等百分比特性、直线特性和快开特性，阀门采

10、用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。3.4 变频器本系统选用三菱FR S520变频器，输入控制信号为420mA ，可以对流量或者压力进行控制。该变频器具有体积小，功率小，功能强大，运行稳定安全可靠等优点。同时，可以外加电流控制，也可以通过自身旋钮控制频率，可以单相或者三相供电，频率高达200Hz ，如图3.3所示。 图3.3 变频器3.5 水泵采用丹麦格兰富循环水泵，如图3.4所示。该水泵噪音低，寿命长，功率小。同时，支持220V 电压供电，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3.4 丹麦格兰富循环水泵3.6 模拟量采集模块本系统采用牛顿

11、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、输出和通讯过程模块。牛顿7000系列模块体积小，安装方便，可靠性高等优点，其外形如图3.5所示。 图3.5 牛顿7000系列模块 模拟量采集模块采用牛顿7017，该模块为八通道模拟输入模块，电压输入为15VDC。在连接过程中，使用7024模块的1通道IN1作为上水箱液位信号检测输入通道。3.7 模拟量输出模块模拟量输出模块采用牛顿7024，该模块为四通道模拟输出模块，电流输出为420mADC，电压输出为15VDC。同时，使用7024模块的1通道I01作为管道流量的电压控制通道。3.8 通信转换模块通信模块采用牛顿7520，RS232转换

12、485通讯模块。使用RS-232/RS485双向协议转换，转换速度为300115200bps，可以进行长距离传输。4 系统组态设计4.1 系统工艺流程图水箱液位流量串级控制系统的工艺流程图如图4.1所示。副回路为流量检测，主回路为液位检测。主回路控制器的输出做为副回路控制器的设定值，副回路控制器的输出去控制调节阀，改变管道内水的流量，进而控制上水箱的液位。水泵 储水箱上水箱图4.1 水箱液位流量串级控制系统的工艺流程图4.2 组态画面系统组态画面如图4.2所示。 图4.2 系统组态画面4.3 数据字典系统动画制作过程中的数据字典如表4.1所示。 4.4 PID控制算法根据液位流量串级控制系统的

13、原理，在“命令语言”中选择“应用程序命令语言”，运用组态王所提供的类似于C 语言的程序编写环境实现PID 控制算法。本设计采用PID 位置式算法，其控制算式为：2( 1( ( 1(2( 1( 21( ( 1( 1( (210-+-+-=-+-+-+-=k e q k e q k e q k u k e T T K k e T T K k e T T T T K k u k u D P D P DI P 其中， 1(0TT T TK q D I P +=21(1TT K q DP +=TT K q DP =2在上述算式中，P K 为比例系数，I T 为积分时间，D T 为微分时间。在流程中，以u

14、(k做为计算机当前的输出值，SV 做为设定值，PV 做为反馈值，e(k做为偏差，位置式PID 控制算法的流程图如图4.3所示。 图4.3 位置式PID 控制算法的流程图设计心得时间过得很快，半个月的课程设计，我感觉时间不够用。同时，我学到了很多东西，很充实刚开始的时候，我去图书馆查阅了很多资料，在对设计内容有一个详细的规划后，我首先投入的是组态设计这一块。因为之前没有接触过组态王，对其一无所知，所以就从零开始，查阅资料，学习视频教程。刚起步的时候，很多问题都摆在眼前，比如如何建立新的工程，如何设计变量，如何添加动画连接等等，这些我都不会。因此就按着视频教程，一步一步的慢慢看下去，先把视频教程上

15、面的例子熟练掌握，然后再对本系统的整体画面进行设计。对我来说，画面动画设计是最困难、最耗费时间的一部分。特别是在考虑画面布局的时候，这个模块放在哪里比较合适，用什么样的颜色显得美观等等，必须进行不断的修改，才能布局出比较好的画面。往往是一两个小时过去了，自己却不知不觉。每一个模块布局之后，都要对其进行相应的动画连接。这个时候，连接的对象又是一个难题。有时候，连接对象错误，运行时的画面显示效果就与设计的不同，所以必须正确连接对象就这样，我用组态王6.53，自己设计布局画面，自己调试运行，经过将近一周的努力，最后终于设计出自己比较满意的画面。设计报告的程序流程图，我都是用Visio 软件绘制的。绘

16、制图形时，考虑最多的是整体的布局。每绘制一个图形，我往往都是一边绘制，一边调整布局。因为一个框图，如果绘制的不合理，系统的整体原理就显得很乱；而一个流程图如果布局不合理，程序的算法就无法在流程图中完美的展现出来。最后，感谢老师和同学们的帮助！在设计的过程中，老师给了我很多的指导，让我少走了很多弯路；在组态画面动画制作的过程中，同学也帮助我解决了很多问题，同时也提出了很好的布局方案。参考文献【1】 陈夕松 汪木兰. 过程控制系统（第二版）. 北京：科学出版社，2011.1【2】 周力尤 罗隆 谢雪芳组态软件技术与应用北京：电子工业出版社，2012.5【3】 康华光电子技术基础 模拟部分（第五版）

17、北京：高等教育出版社，2006【4】 阎石数字电路技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006【5】 邱关源电路（第五版）北京：高等教育出版社，2006【6】 谭浩强C 程序设计（第四版）北京：清华大学出版社，2010【7】 郭天祥. 新概念51单片机C 语言教程M.北京:电子工业出版社【8】张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）M北京：国防工业出版社，2004【9】 冯博琴 吴宁微型计算机原理与接口技术（第3版）北京：清华大学出版社，2011.6【10】 朱玉玺 崔如春 邝小磊计算机控制技术北京：电子工业出版社，2010附录A 系统脚本程序PID 控制算法的脚本程序启动时：本

18、站点I1=本站点T/本站点Ti1;本站点D1=本站点Td1/本站点T;本站点uk1=0;本站点uk11=0;本站点ek1=0;本站点ek11=0;本站点ek12=0;本站点I2=本站点T/本站点Ti2;本站点D2=本站点Td2/本站点T;本站点uk2=0;本站点uk21=0;本站点ek2=0;本站点ek21=0;本站点ek22=0;运行期间：if(本站点自动开关=1 本站点T=15;本站点I1=本站点T/本站点Ti1;本站点D1=本站点Td1/本站点T;本站点q10=本站点P1*(1+本站点I1+本站点D1;本站点q11=本站点P1*(1+2*本站点D1;本站点q12=本站点P1*本站点D1;本站点ek1=本站点SV-本站点上水箱液位;本站点u