基于组态软件的液位-流量比值控制系统设计

1、 过程控制系统课程设计院系名称：专业班级： 1002学生姓名： 秦凯新学 号： 201046820427指导教师： 王伟生 设计地点： 31520 题 目: 基于组态软件的流量比值过程控制系统设计设计时间： 2013/7/2摘要随着科学技术的飞速发展，人们对过程控制提出了更高更新的要求，在许多生产过程中，要求两种或两种以上的物料流量成一定的比例关系混合进行化学反应，对于物料比例的要求就变得甚为严格，如果比例不能满足要求，或是比例失调，则会导致产品的质量达不到要求，以致造成损失，严重时会导致事故的发生。例如在制药过程中，为增加药效，需要对其中成分药物加注入剂，生产工艺要求药物和注大剂混台后的含量

2、必须符合要求的比例，否则会使药效降低而达不到要求。研究比值控制系统很有必要，提高比值控制的精度及水平具有深远的意义。关键字：物料流量 比例 比值控制系统 深远的意义目 录引言 . 11设计目的与要求. 11.1 设计目的. 11.2 设计要求. 22系统结构设计. 22.1 控制方案. 22.2 系统结构流程. 23 过程仪表选择. 33.1 流量检测传感器. 33.2 电动调节阀. 43.3 水泵. 43.4 过程模块. 54 系统组态设计. 64.1 工艺流程图. 64.2组态画面. 64.3 数据字典. 94.4 应用程序. 114.5 动画连接. 135实验总结. 146 参考文献.

3、14引言在工业产品生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行生产，如果比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统, 称为比值控制系统.由于过程工业中大部分物料都是以气态, 液态或混合的流体状态在密闭管道, 容器中进行能量传递与物质交换, 所以保持两种或几种物料的比例实际上是保持两种或几种物料的流量比例关系, 因此比值控制系统一般是指流量比值控制系统.该设计以电动调节阀为中心对控制回路的液体的流量进行比例控制，从而实现对压力流量温度液位等参数的调节。采用工业用的LDS-10S 型电磁流量

4、传感器，对现场信号进行实时采集，通过与设定值进行比较对调节阀进行控制，并采用牛顿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通讯过程模块，对信号进行模数或数模转换，采用德国PS 公司进口的PSL202型智能电动调节阀对过程进行控制。通过组态王仿真软件进行仿真，设计出能够驱动采集模块，具有友好的人机交互界面，实现了实时监控，有及时的数据显示，图形显示，PID 参数手动及自动控制等控制功能，并建立了动画连接，生成了信息报告。实际运行结果表明，系统不仅能按比值关系进行控制，而且具有较强的抗干扰能力。该设计可以用于化工厂，制药等场所。 1设计目的与要求1.1 设计目的通过某种组态软件，结合

5、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。1.2 设计要求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。2系统结构设计2.

6、1 控制方案根据设计要求，系统采用单闭环比值控制。在控制两种物料的比值系统中，起主导作用的物料流量称为主动量，跟随主动量而变化的物料流量称为从动量。设本系统中液体A 为主动量，液体B 为从动量。将从动量用一个闭环包括进去，而主动量开环。将液体A 的流量Y1通过比值控制器K 作为闭环回路的输入量。所以从动量B 的给定是KY 1，因为Y1开环，Y2要随着Y1的变化而变化，即从动量B 是一个随动控制系统。2.2 系统结构流程 图2.1 系统原理图上图为系统结构图。当打开液体A 的阀门，流量检测传感器测出其流量值，经变送单元送至比值器，比值器的输出与液体B 流量测量变送送出的流量值相减，其偏差作为液体

7、B 流量控制器的输入值，控制器的输出用来控制调节阀，从而使液体B 的流量得到了控制。这就使液体B 的流量随液体A 的流量变化而变化。其中液体A 的电动调节阀是为了方便设置A 的流量。流程图如图2.2E-2 图2.2 系统流程图3 过程仪表选择3.1 流量检测传感器本设计采用工业用的LDS-10S 型电磁流量传感器，公称直径10mm ，流量00.3m 3/h，压力1.6Mpmax,4-20mA 标准信号输出。可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。它的优点：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

8、. 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：00.4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%。3.2 电动调节阀采用电动调节阀对控制回路的液体的流量进行调节。采用德国PS 公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电路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。由输入控制信号420mA及单相

9、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，420mA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漏。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。如下图所示： 图 3.1 电动调节阀示意图3.3 水泵采用丹麦格兰富循环水泵。具有噪音低，功耗小，寿命长等优点。220V 供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变送器一起构成恒压供水系统。如下图所示： 图3.2 水泵示意图3.4 过程模块采用牛顿7000系列远程数据

10、采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块。牛顿7000系列模块体积小，安装方便，可靠性高。D/A模块采用牛顿7024，四通道模拟输出模块，电流输出420mADC，电压输出15VDC，精度14位。使用7024模块的1通道I01作为可控硅的电压控制通道。A/D模块采用牛顿7017，八通道模拟输入模块，电压输入15VDC。使用7024模块的1通道IN1作为A 流量信号检测输入通道，7024模块的2通道IN2作为B 流量信号检测信号输入通道。通信模块采用牛顿7520。RS232转换485通讯模块。使用RS-232/RS485双向协议转换，转速为300115200bps，可长距离传输。控制回路中

11、电磁阀的开关量输出模块采用牛顿7043，16通道非隔离集电极开路输出模块。最大集电极开路电压30V ，每通道输出电流100mA ，可直接驱动电磁阀设备。模块如下图所示： 图 3.3 牛顿模块4 系统组态设计4.1 工艺流程图 手动调节阀手动调节阀电动调节阀1电动调节阀2图4.1系统组态图4.2组态画面下图为系统的组态画面： 图4.2 控制系统开机画面 图4.3控制系统主界面画面 图4.4 控制系统主界面运行画面本设计共有三个画面：控制系统开机画面、控制系统主界面画面、控制系统主界面运行画面。开始运行时如图4.2，点击进入系统按钮，才能进入系统。运行时画面如图4.3，比例系数为26，积分系数为3

12、6，微分系数为89，有曲线产生。在运行画面中的两个电动调节阀和两个电磁流量计，两个电动调节阀分别是控制A 、B 液体的流量，两个电磁流量计分别是测量A 、B 液体的流量值。当我们启动系统后进入运行我们首先在手动状态下设置A 液体的电动调节阀的开度，使A 液体得流量稳定，并且打开电动调节阀，然后设置Kp ，Ti ，Td ，Kc ，设置这五个参数后，调节阀变为绿色。此时按下自动按钮后进入自动环节，系统按设定好的PID 算法得到输出，使A 液体的流量与B 液体的流量成设定的比例并稳定于此。期间画面也能显示出电动调节阀的开度、流量值，并且管道也能模拟液体的流动。并且在主界面中也能直接观察实时曲线，查看

13、系统的稳定情况。单击回主界面直接退出系统。4.3 数据字典根据控制系统的需要建立数据词典，以便确定内存变量与I/O数据，运算数据的关系。只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。本系统中所涉及到的变量的类型主要有与AD ，DA 设备进行数据交换的I/O实型变量，控制电磁阀开关的I/O离散变量，用于定以开关动画连接的内存离散变量，参于PID 运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内存整型变量等。具体的数据词典如下表4.5所示。 表4.5 数据字典4.4 应用程序 图4.5 PID算法的流程图本系统的主要的实现是PID 算法的实现，根据流量比值单回路控制系统的原理，运用

14、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。取采样周期Ts=1s。本系统采用PID 位置控制算式，其控制算式如下：u (k =u (k -1 +K P (1+2T T T T D+ e (k -K P (1+D e (k -1 +K P D e (k -2 T I T T T=u (k -1 +a 0e (k -a 1e (k -1 +a 2e (k -2 a 0=K P (1+a 1=K P (1+a 2=K PT DTT T D+ T I T 2T DT算式中，Kp 为比例系数，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Kc*PV作为给定值，

15、PV2作为反馈值即AD 设备的转换值，e(k作为偏差。具体程序如下启动时: 本站点T=1;本站点TI=本站点积分系数/本站点T; 本站点D=本站点微分系数/本站点T; 本站点Uk=0; 本站点ek0=0; 本站点ek1=0; 本站点ek2=0; 本站点设定值=0; 运行时： if(自动开关 = 1 T=1;本站点Gmax=100;本站点P=本站点比例系数; 本站点TI=本站点积分系数/T; 本站点D=本站点微分系数/T; 本站点q01=P*(1+1/TI+D;本站点q02=P*(1+2*D; 本站点q03=P*D; 本站点ek0=本站点比值器系数*本站点PV1-本站点PV2; 本站点Uk=q0

16、1*本站点ek0+q02*本站点ek1+q03*本站点ek2+本 站点Uk0; 本站点Uk0=本站点Uk; ek2=ek1; ek1=ek0; /Sp=本站点设定值*0.4+4; 本站点A 流量测量值=(本站点FV1-1 /4*Gmax; 本站点B 流量测量值=(本站点FV2-1 /4*Gmax; 本站点B 阀门开度=(本站点Uk-1/4*Gmax; 停止时 本站点Uk=0; 本站点ek0=0; 本站点ek1=0; 本站点ek2=0; 本站点设定值=0; 4.5 动画连接 当系统启动后，进入主界面，设定好参数后，进入自动状态。画面中的管道 模拟液体的流动，它是与电动调节阀相关联的，只要电动调节

17、阀是有开度的，管 道就能模拟液体的流动。方块中的值为系统的相应实时值，它们分别与流量测量 值、阀门开度相关联。矩形条中填充的红色反应电动调节阀的开度，它与方块中 的值是相对应的，能比较直观的反应阀门的开度。 5 实验总结 根据此次实验总结一下几点: 1:这次课程设计从不会组态王到学会组态王,总共花了两天时间,在这两天的 时间里,我从最基础画一个按钮,到整个比值系统的设计画面.一点一点跟着视频 教程学起来.真是很不容易. 2:学会用数据词典,实现用变量关联,从而实现动画效果,另外,通过应用程序 的编写,可实现 PID 参数的设定,以及比值器的设定,也是本次课设学会的. 3:课设是理论与实践的结合,以后就不会对 PID 算法陌生了。 6 参考文献 1 组态