基于组态软件的流量单回路过程控制系统设计--课程设计

1、.过程控制系统课程设计题 目:基于组态软件的流量单回路过程控制系统设计 设计成绩： 指导教师： 本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。:工业过程控制课程设计任务书之八学生姓名专业班级学号题 目基于组态软件的流量单回路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单回路过程控制系统。任务要求1. 根据流量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. 根据流量单

2、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. 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 目录摘要11 设计目的与要求11.1 设计目的11.2 设计要求12 系统结构设计12.1 控制方案12.2 系统结构23 过程仪表选择23.1 液位传感器23.2 电磁流量传感器、电磁流量转换器33.3电

3、动调节阀43.4变频器43.5水泵43.6电磁阀53.7开关电源53.8测量要求63.9选择过程模块64 系统组态设计74.1工艺流程图与系统组态图设计74.2 组态画面84.3 数据字典94.4实时曲线11 4.5实时报表与命令语言114.6应用程序if(iokz=1)125单回路控制系统PID控制算法 13设计心得15摘要 过程控制就是对工业过程的自动控制，它采用测量仪表，执行机构和计算机等自动化工具设计控制系统实现生产过程自动化。流量单回路控制系统就是采用计算机，传感器等设备对水箱的水位进行控制使其达到预期的状态。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动化控制系统，它以标准的工

4、业计算机软件，硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。关键词： 流量单回路 组态王 PID控制 1 设计目的与要求1.1 设计目的 通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统。1.2 设计要求(1) 根据流量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

5、。(4) 运用组态软件，正确设计流量但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 系统结构设计2.1 控制方案 整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机组态控制，采用算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图2.2所示。当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好

6、合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其整个流程图如图2.1所示。图2.1 流量单回路控制系统流程图2.2 系统结构 过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图2.2.计算机 控制器 变频器水泵管道 流量检测 传感器 _ SP P V PV1 图2.2 流量单回路控制系统框图3 过程仪表选择3.1 液位传感器 液位传感器用来对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、可靠性大大提高。可方便地与其它DDZ-X型仪表互换配置，并能

7、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值。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，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。图3.1液位传感器3.2 电磁流量传感器、电磁流量转换器 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，公称直径10mm，流量00.3m3/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

8、大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。主要优点： 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； 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，输入信号：00.4mV输出信号：4 20mA DC，允许负载电阻为0750，基本误差：输出信号量程的±0.5%。图3.21电磁流量传感器 图3.22电磁流量转换器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

9、智能电动调节阀，无需配伺服放大器，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。控制单元与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，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。 图3.3调节

10、阀 图3.4变频器3.4变频器 三菱FR-S520变频器（见上图），4-20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，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，也可通过本身旋扭控制频率。可单相或三相供电，频率可高达200Hz。3.5水泵 采用丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长，不会影响教师授课减少使用麻烦。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。图3.5水泵3.6电磁阀图3.6电磁阀3.7开关电源DC24V的开关电源，最大电流为2A，满足实验的需要。图3.7开关电源3.8测量要求测量范围：液位：045

11、0 cm流量：00.3 m3 /h测量精度：液位：<2%流量：<0.1%3.9选择过程模块1. D/A模块：nudan7024模块外形模块原理模块接线模块性能：电流输出420Ma；2.A/D模块：nudan7017电压输入3.DO模块：nudan70434.通讯模块： 当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举。有效地拉近了实验室与工业现场的距离。它体积小，安装方便，可靠性极高，D/A7024模块4路模拟输出，电流（420mA）电压（15V）信号均可，A/D7017模

12、块8路模拟电压（15V）输入，485/232 转换7520模块，转换速度极高（300115KHz），232口可长距离传输。图3.9牛顿模块示意图4 系统组态设计 本文是基于组态王的流量单回路的控制系统的设计，经了解得到组态王属于上位机软件，可以由组态王根据所检测得到的数据，通过的脚本程序，控制相应的执行元件，减少了人工操作的麻烦，使操作起来更加方便、安全。4.1工艺流程图与系统组态图设计 根据测试要求，首先打开系统启动按钮，选择进入手动或自动状态（默认进入手动状态）。如果进入手动状态，则打开阀门，可以设定给定值SP和阀门开度控制Uk0来控制水箱水位，手动控制直接达到工艺要求；如果选择自动状态，

13、打开所有阀门，设定给定SP，调节PID控制器的比例增益，积分时间，微分时间三个参数进而控制阀门开度，直到上水箱水位液位恒定。工艺控制流程图如图4.1.1所示，系统组态图如图4.1.2所示，控制流程图如图4.13所示。FT A/DD 计算机 D/A PID1 自动 OUT 手动 LSP U(k) IO0PV(IN2) 图4.1.1 工艺流程图 图4.1.2 系统组态图图4.1.3控制流程图4.2 组态画面图4.2组态画面4.3 数据字典图4.3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Liquid-up上水箱液位I/O实型ADADAI0MODBUSLiquid-down下水箱液位I/O

14、实型ADADAI1MODBUSFlow-main主流量I/O实型ADADAI2MODBUSFlow-second副流量I/O实型ADADAI3MODBUSTempre温度I/O实型ADADAI4MODBUSValve1主阀位I/O实型ADADAI5MODBUSPressure压力I/O实型ADADAI6MODBUSUk0主阀开度I/O实型DADAAO0MODBUSUk1可控硅电压I/O实型DADAAO1MODBUSUk2变频器频率I/O实型DADAAO2MODBUSUk3副阀开度I/O实型DADAAO3MODBUSValve2副阀位I/O实型DADAAI7MODBUSVV1电磁阀1I/O离散D

15、ODODO0MODBUSVV4电磁阀4I/O离散DODODO3MODBUS4.4实时曲线图4.4实时曲线4.5实时报表与命令语言图4.5.1实时报表图4.5.2命令语言4.6应用程序if(iokz=1)ioS=9;if(本站点K2=1) 本站点a01=本站点P1*(1+1/本站点I1+本站点D1); 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-io流量1; 本站点uk=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uk01=本站点uk; 本站点ek02=

16、本站点ek01; 本站点ek01=本站点ek0;if(本站点uk<1000) if(本站点uk<0) 本站点uk0=0; else本站点uk0=本站点uk; else本站点uk0=1000;iod=本站点uk0;5单回路控制系统PID控制算法  根据流量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。  本系统采用PID位置控制算法，其控制算式如下u(k)=u(k-1)+(1+)e(k)-(1+)e(k-1)+e(k-2)=u(k-1)+e(k)-e(k-1)+e(k-2)=(1+)=(1+)= 上述算式中，Kp为比例系数，

17、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sp作为给定值，pv作为反馈值即AD设备的转换值，e(k)作为偏差。PID控制算法流程图如下图5.1所示图5.1PID控制算法流程图设计心得 通过此次设计，我掌握了流量单回路控制系统的构成。知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变送组成。 刚开始大概了解课题的原理，就是用计算机和流量监测计来控制水箱的液位，接下来就是日复一日的绘图、编程和写设计报告。在这次课程设计当中我体会到了技术工作人员的辛苦，而且也更加深了对自动化专业的认识，坚强了实际动手操作的能力，有机得把理论和实践结合在一起，能设计一些基本的控制程序。然后，在不断地深入的学习中遇到很多棘手的问题，但是，通过大量的查阅资料和请教老师和同学，最终解决了遇到的问题，在解决问题的过程中自己有了很大的收获。并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤。了解到，一般情况下，它都要经过一下几个步骤：认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等，直到最后的动画链接成功，并达