基于组态王6.5的过程控制实验研究-下水箱流量-液位前馈反馈控制系统

基于组态王6.5的过程控制实验研究——下水箱流量-液位前馈反馈控制系统日期:20xx年xx月xx日

摘要本次实验的题目是：基于组态王6.5的过程控制实验研究,对于这个题目，我们设计了一个下水箱流量-液位前馈反馈控制系统。前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。本实验的被控制量为下水箱的液位，主扰动量为变频器支路的流量。本实验要求下水箱液位稳定至给定值，将压力传感器检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，它与给定量比较后产生的差值为调节器的输入，其输出控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。而扰动量经过前馈补偿器后直接叠加在调节器的输出，以抵消扰动对被控对象的影响。关键词组态王6.5过程控制水箱液位前馈反馈控制流量-液位

目录一、概述 41.1控制系统描述 71.2设计要求 8二、A3000过程控制实验系统 92.1总体架构 92.2现场系统工艺流程图 102.3工艺设备结构 12三、上位机监控软件-组态王6.5 123.1组态王6.5概述 123.2组态王6.5特点 133.2设计工程的一般过程 133.2.1建立组态王新工程 143.2.2创建组态画面 163.2.3定义IO设备 183.2.4构造数据库 193.2.5建立动画连接 213.2.6运行和调试 22四、下位机组态及软件 224.1FX2N48MR-PLC简介 224.2设计工程的一般过程 234.2.1创建工程 234.2.2编辑代码 244.2.3编译项目 244.2.4下装项目 254.2.5调试工程 26五、前馈反馈控制系统设计 265.1控制算法 265.2前馈反馈控制程序 285.3操作过程和调试 295.4实验结果 30六、感想 34七、参考文献 35一、概述过程控制是生产（工艺）过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个重要组成部分。用计算机对工艺过程的温度、压力、流量、成分、电压、几何尺寸等物理量和化学量进行的控制，全称工艺过程自动控制。在现代工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。过程控制的主要作用是：保证生产过程稳定，防止发生事故；保证产品质量；节约原料、能源消耗，降低成本；提高劳动生产率，充分发挥设备潜力；减轻劳动强度，改善劳动条件。工艺过程分连续和不连续两大类：连续型过程:从输入原料到输出成品，基本上是连续的，大部分在管道和反应釜中进行，如石油化工工艺过程。不连续工艺过程又称断续工艺过程，如机械制造中的生产过程。生产技术的发展使得生产规模越来越大，生产速度和强度越来越高，从单一参数的局部测量逐渐发展到多参数或间接指标的检测和计算、巡回检测和数据处理;在控制方面由简单的顺序控制、单回路反馈控制逐渐发展到集中管理、相互关联的反馈控制、前馈控制和最优化控制等。单纯采用常规仪表已难于取得预期的效果，因而在仪表控制技术的基础上出现了应用电子计算机的过程控制。计算机过程控制的优点是：达到常规仪表控制达不到的速度和质量；计算机具有分时操作功能，一台计算机能代替多台常规过程控制仪表；计算机过程控制能够综合过程情况，在环境或工艺参数变化时能及时作出判断，选择优化的方案和对策；对于大滞后和相关联多参数复杂的工艺过程，采用计算机控制可以达到仪表控制所不能得到的结果。计算机过程控制工作原理：应用电子计算机控制工艺过程时，首先由检测仪表对工艺过程参数如温度、压力、流量等进行检测，经变送器变换为计算机所要求的电流或电压等模拟量信号。这些信号由采样器根据需要采入，并经放大器、模-数转换器放大转换为相应的数字量信号,送入电子计算机作为反映工艺过程的原始信息。计算机利用这些原始信息，按事先确定的描述工艺过程规律的数学模型进行计算。计算的结果由输出通道输出，通过调节仪表或执行机构去调节和控制工艺过程（图1-1）。图1-1计算机过程控制原理图数学模型可分为理论解析模型、经验归纳模型和混合模型三类。过程控制用的数学模型的作用是：①预测工业生产对象的，尤其是大滞后对象的未知状态；②求多变量系统的最优解；③不用直接测量方法而用推断方法求出目标函数或状态变量；④模拟复杂的系统等。一般工艺过程的工艺参数错综复杂，往往不能用单纯的数学理论和工具建立模型，必须总结操作人员的现场经验，并从工艺过程的内在机理出发，建立数学模型的基础，并通过多次试验加以修正完善。计算机过程控制常用的有5种应用方式

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1）计算机数字程序控制：特点是控制规律较简单，速度要求不高，专用性较强。这种方式广泛应用于各工业领域，如数字程序控制线切割机、数学程序绣花机等。

2）计算机数据采集和数据处理。

3）计算机直接数字控制(DDC):实现这种控制方式的是一种多回路的数字调节装置。它能通过数字运算完成对工业参数若干回路的比例、积分、微分调节控制，使工业过程的各项控制参数保持在预定值。

4）过程最佳控制：控制计算机的功能是测量工艺过程的参数，进行工艺状况的分析、综合、判断、数据处理，并按照预先给定的最佳化数学模型进行运算，根据运算的结果调整调节器的给定值，改变工艺状况的参数，实现过程的最优控制，使生产过程达到某项指标最佳,或综合性指标最佳。图1-2分组控制系统举例5）计算机分级控制系统：许多大型工业企业已经采用计算机分布式控制，即用一台或数台中央控制室的计算机指挥若干台现场设备的控制计算机。图2为一钢铁厂的分级控制系统。它的分级控制系统由4级组成。最高级中央计算机接受顾客的定货单，并根据市场分析、商品目录和工厂的反馈信息决定钢铁的生产计划。第二级计算机接受总的计划并把它分解为局部的命令。在第三级，对于具体的生产过程（如炼铁、炼钢、锭板控制、冷却还原控制等）有各自的过程控制计算机。在最低一级有温度、压力、电气传动等的直接数字控制计算机，或顺序控制器，大都应用微型机。本次的创新性实验的题目是：基于组态王6.5的过程控制实验研究。对于这个题目，我们设计了一个下水箱流量-液位前馈反馈控制系统,采用的是计算机分布式控制系统。在下水箱流量-液位前馈反馈控制系统中，我们实验选用的软硬件设备有A3000过程控制实验系统、基于FX2N48MR-PLC控制系统、基于组态王6.5的监控系统。1.1控制系统描述前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。流量-液位前馈反馈控制流程图如图1-3示。图1-3流量-液位前馈反馈控制流程图流量-液位前馈反馈控制测点清单如表1-4示。表1-4量-液位前馈反馈控制测点清单水介质二路（II路）由泵P102（工频）从水箱V104中加压获得压头，经电动阀FV-101、水箱V-103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，另一路（I路）经泵P101(变频器驱动)、涡轮流量计FT-101、水箱V103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV-116来调节；其中，水箱V103的液位由液位变送器LT-103测得，给水流量由流量计FT-101测得。本例为前馈调节系统，调节阀FV-101为操纵变量，在LT-103为被控变量的定值液位控制系统中，接收由I路流量的前馈信号参数到定值系统中，整体构成前馈－反馈控制系统。如果I路流量出现扰动，经过流量计FT-101测量之后，测量得到干扰的大小，然后在II路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。1.2设计要求1、流程图界面设计1）组态流程图界面2）动态点、交互控制点清单如表1-5示。3）其他要求：设备、管路从图库中选，V103液位变化具有动画效果；流程图界面中可包含实时曲线窗口，操作界面。2、实时曲线窗口设计引入FT-101及调节器PV、MV、SP四个变量；曲线颜色便于区分，对应变量标示清楚；时间轴跨度两分钟，采样周期不大于两秒；振荡的幅值便于分析变化趋势。表1-5动态点、交互控制点清单二、A3000过程控制实验系统2.1总体架构A3000测试平台总体物理系统如图2-1所示。图2-1A3000测试平台物理系统逻辑结构如图2-2所示。图2-2总体逻辑结构2.2现场系统工艺流程图现场系统工艺流程图如图2-3所示图2-3系统工艺示意流程图(不含控制系统)总体的测点清单如表2-4所示。

表2-4整体流程测点清单注：所列信号类型为原始信号，在控制柜中Pt100经过变送器转换成了4～20mA。一般两线制信号在IO面板上已经连接了24V和GND，可以按照四线制方式使用。执行机构一般为2～10V控制，控制信号经过500欧姆采样电阻，被转换成4-20毫安控制。2.3工艺设备结构本节通过大量的示意图介绍各个工艺设备结构和操作，其中包括各个水箱、锅炉、换热系统，以及管路。如图2-5所示。图2-5现场系统示意图三、上位机监控软件-组态王6.5本套控制系统的上位机监控软件采用的亚控科技公司的工控软件：组态王6.5。以下是该软件及其设计过程的简介。3.1组态王6.5概述组态王6.5是在组态王6.0x系列版本成功应用后，广泛征询数千家用户的需求和使用经验，采取先进软件开发模式和流程，由十多位资深软件开发工程师历时一年多的开发，及四十多位试用户一年多的实际现场考验。使用更方便，功能更强大，性能更优异，软件更稳定，质量更可靠。3.2组态王6.5特点Internet时代的杰作随着Internet科技日益渗透到生产、生活的各个领域，自动化软件的e趋势已发展成为整合IT与工厂自动化的关键。亚控科技一直是这个领域的开拓者，组态王6.5的Internet版本立足于门户概念，采用最新的JAVA2核心技术，功能更丰富，操作更简单。整个企业的自动化监控将以一个门户网站的形式呈现给使用者，并且不同工作职责的使用者使用各自的授权口令完成各自的操作，这包括现场的操作者可以完成设备的起停、中控室的工程师可以完成工艺参数的整定、办公室的决策者可以实时掌握生产成本、设备利用率及产量等数据。组态王6.5的Internet功能逼真再现场画面，使您在任何时间任何地点均可实时掌控企业每一个生产细节得以实现，现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表(支持报表打印和数据下载)、操作记录和报警等均轻松浏览。当然您必须要有授权口令才能完成这些。用户还可以自己编辑发布的网站首页信息和图标，成为真正企业信息化的Internet门户。3.2设计工程的一般过程建立新组态王工程的一般过程是：1.设计图形界面（定义画面）2.定义设备3.构造数据库（定义变量）4.建立动画连接5.运行和调试需要说明的是，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这四个部分常常是交错进行的。在用组态王画面开发系统编制工程时，要依照此过程考虑三个方面：图形用户希望怎样的图形画面？也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。数据怎样用数据来描述工控对象的各种属性？也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。连接数据和图形画面中的图素的连接关系是什么？也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。3.2.1建立组态王新工程创建工程路径启动“组态王”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮，弹出如图3-1所示。图3-1新建工程向导一单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”，如图3-2所示。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览…”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”，如图3-3所示。图3-2新建工程向导二图3-3新建工程向导三在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。工程名称长度应小于32个字节，工程描述长度应小于40个字节。单击“完成”完成工程的新建。系统会弹出对话框，询问用户是否将新建工程设为当前工程，如图3.4所示。图3.4是否设为当前工程对话框单击“否”按钮，则新建工程不是工程管理器的当前工程，如果要将该工程设为新建工程，还要执行“文件\设为当前工程”命令；单击“是”按钮，则将新建的工程设为组态王的当前工程。定义的工程信息会出现在工程管理器的信息表格中。双击该信息条或单击“开发”按钮或选择菜单“工具\切换到开发系统”，进入组态王的开发系统。建立的工程路径为：C:\WINDOWS\Desktop\demo（组态王画面开发系统为此工程建立目录C:\WINDOWS\Desktop\demo并生成必要的初始数据文件。这些文件对不同的工程是不相同的。因此，不同的工程应该分置不同的目录。）。3.2.2创建组态画面进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭圆（圆）、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。“组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。创建简单的图形画面第一步：定义新画面进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件\画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出对话框如图3-5所示。图3-5新建画面在“画面名称”处输入新的画面名称，如Test，其它属性目前不用更改，（关于其它属性的设置请参见“第四章组态王开发环境——工程浏览器”）。点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。如图3-6所示。图3-6组态王开发系统第二步：在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择“矩形”和“文本”图标，绘制一个矩形对象和一个文本对象，如图3-7所示。图3-7创建图形画面在工具箱中选中“圆角矩形”,拖动鼠标在画面上画一矩形，如上图所示。用鼠标在工具箱中点击“显示画刷类型”和“显示调色板”。在弹出的“过渡色类型”窗口点击第二行第四个过渡色类型；在“调色板”窗口点击第一行第二个“填充色”按钮，从下面的色块中选取红色作为填充色，然后点击第一行第三个“背景色”按钮，从下面的色块中选取黑色作为背景色。此时就构造好了一个使用过渡色填充的矩形图形对象。在工具箱中选中“文本”,此时鼠标变成“I”形状，在画面上单击鼠标左键，输入“####”文字。选择“文件\全部存”命令保存现有画面。3.2.3定义IO设备组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位机（PLC、仪表、模块、板卡、变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连接。图3-8设备配置向导3.2.4构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchVew运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。图3-9创建内存变量图3-10创建IO变量3.2.5建立动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来；或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值（参见“第七章动画连接”）。“组态王”提供了21种动画连接方式：属性变化线属性变化、填充属性变化、文本色变化位置与大小变化填充、缩放、旋转、水平移动、垂直移动值输出模拟值输出、离散值输出、字符串输出值输入模拟值输入、离散值输入、字符串输入特殊闪烁、隐含滑动杆输入水平、垂直命令语言按下时、弹起时、按住时一个图形对象可以同时定义多个连接，组合成复杂的效果，以便满足实际中任意的动画显示需要。图3-11动画连接3.2.6运行和调试组态王工程已经初步建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件\切换到View”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面\打开”命令，从“打开画面”窗口选择“Test”画面。显示出组态王运行系统画面，即可看到矩形框和文本在动态变化。图3-12运行系统画面四、下位机组态及软件本套控制系统下位机采用三菱公司的FX2N48MR-PLC。其控制软件为GXDeveloper-FX中文版7.0。4.1FX2N48MR-PLC简介三菱的FX2N系列PLC具有小型，高速，高性能的优点，是FX系列中最先进的超级微型PLC。除了具有16-256点的数字量输入输出，还有模拟控制，定位控制等特殊控制。1．集成型和高性能三菱的FX2N系列PLC的CPU，电源，数字量输入输出三位一体。有6种基本，可以以最小8点为单位连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。2．高速运算基本指令运算时间：0.08us/指令应用指令运算时间：1.52～数100us/指令3．容量的存储器内置8000步RAM存储器，通过安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。4．丰富的软元件范围辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数器:235点,数据寄存器：8000点。4.2设计工程的一般过程4.2.1创建工程在第一个阶段，将创建一个新的空工程。在这个阶段须必须定义工程的名称和路径、编程语言、以及所使用的PLC类型。（1）启动GXDeveloper，在工程选项中选择工程>创建新工程。（2）选择PLC系列为FXCPU系列，PLC类型为FX2N(C),程序类型为梯形图逻辑，（3）选中设置工程名，设置你所要存放的路径，设置工程名字。如图4-1所示。图4-1设置工程属性4.2.2编辑代码GXDeveloper软件支持顺序功能图(SFC)和梯形图编程。4.2.3编译项目本阶段将编译工程文件，选中变换栏，变换，进行变换。变换结束后，项目就可以下装到PLC内。如图4-2所示图4-2 程序下装4.2.4下装项目选中在线栏，选中清除PLC内存。如图4-3所示，建议尽量使用硬件复位。图4-3 软件内存清除内存清除完毕后，选中“在线”菜单，“PLC写入”子菜单。选择“下载所有”。如图4-4所示。图4-4PLC写入4.2.5调试工程运行PLC，选中“在线”菜单的“远程操作”子菜单，可以对PLC进行运行和停止的操作。也可以通过PLC前面板上的“运行启停”开关进行该操作。GXDeveloper7.0软件提供了强大的诊断工具，在软件的工具栏，有在线和7诊断两种诊断工具。五、前馈反馈控制系统设计5.1控制算法流量-液位前馈反馈控制流程图如图5-1所示。下水箱是用两个水泵注水，设法保持下水箱液位。被调量为调节阀，控制量是支路2流量，控制目标是下水箱液位。首先实现前馈控制，通过测量支路1、2流量，控制调节阀，使得支路2流量变化跟踪支路1流量变化。然后实现反馈控制，通过测量水箱液位，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。图5-1前馈－反馈控制系统原理图如果支路一出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在第二个支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。如果没有反馈，就是开环控制，那么这个控制就会有余差。增加反馈通道，使用PI进行控制。我们进行了部分简化。前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据物料平衡关系，简单的前馈控制方程为：Qu=dF。也就是两个流量的和保持稳定。但是有两个条件，一是准确知道第一个支路的流量，二是准确知道调节阀控制输入与流量对应关系K1，如图5-2所示：图5-2调节阀控制输入与流量比例关系5.2前馈反馈控制程序本套控制系统的下位机采用的是三菱公司的FX2N48MR-PLC，其控制软件为GXDeveloper-FX中文版7.0。前馈反馈控制程序关键部分如图5-3所示。首先把AI1通道采集的数据放进D9寄存器中，乘以一个前馈系数D11，前馈量存到寄存器D13，把PID控制器的控制量与D13做减法运算，把结果送到A01输出。图5-3前馈反馈控制程序5.3操作过程和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。2、在现场系统上，打开手阀QV102、QV105，QV115，QV106，电磁阀XV101直接打开（面板上DOCOM接24V，XV101接GND）。3、在控制系统上，将支路1流量变送器（FT-101）输出连接到控制器AI0，将下水箱液位变送器（LT-103）输出连接到控制器AI1，变频器控制端连接到AO0，调节阀FV-101控制端连接到AO1。变频器通过AO1手操控制。注意：具体那个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。4、打开设备电源。包括调节阀电源，变频器电源。变频器设为外部信号操作模式。5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。6、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。7、启动水泵P102。8、设定K=0，然后设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。这里不限制使用的方法。9、设定K值，建议：运行过程中PID的SP值会有一定的波动，所以控制的稳定性稍差，有一些难度。干扰可以是K值的改变，也可以是变频器控制量的改变（从而改变了FT-101）。5.4实验结果1、实验的参数及结果如图5-4，5-5所示图5-4k=0时的实验结果图5-5k=1时的实验结果2、分析及结论通过上位机改变不同的参数可得几个下水箱液位前馈反馈控制的实时曲线图。在前馈系数不变的情况下我们可以看出改变P,I,D三个参数可以让我们获得不同的曲线。其中参数不变的有设定值和变频器频率的数值分别设为100mm和30%。输出上限和输出下限分别为100.00和0.00。死区时间不设定。下面从PI和PID分别控制来说明控制的效果。PI的下水箱液位前馈-反馈控制：首先关闭微分作用也就是PID当中的D这个参数让它对系统无影响。按照对一般的系统测试我们先设定比例值（P）通常为0.3-10.0，积分值（I）越大越好,通过不断的调整比例值和积分值就可以达到很好的响应曲线，是系统更快更稳的达到设定值。通过调试，我们可以看出比例值（P）越大，系统达到稳定的时间就越短，反之则时间越长，但是比例值（P）太大也会引起系统的严重超调进而导致系统不能达到预期效果。积分值（I）的作用是使系统无偏差即消除系统的残差是系统达到预期效果。积分时间要根据不同的系统来决定，对于液位控制当然是越大越好，这样效果很好，但是时间会很长，综上所述我们可以选择一个适当的比例值（P）和积分值（I）是系统完全满足我们的需要。P