过程控制课程设计

过程控制课程设计

设计题目：液位控制系统综合设计与调试控制科学与工程系实验中心一、设计目的综合控制理论、过程控制、微机控制、可编程控制器、软件程序设计等课程的相关理论知识，设计一个完整的液位控制系统，全面学习和掌握典型控制系统的设计方法、控制方法、调试方法。二、设计需求：设备：液位过程控制对象以及相应的检测装置、执行装置，可编程控制器，计算机等。设计目标：用所提供的设备构建如图2所示系统，设计控制界面，实现液位的实时控制和监测。图2任务要求1、实现计算机与PLC之间的通讯。编制计算机与PLC通信程序，实现采集数据的上传，控制量下传〔见参考图1〕。2、实现计算机对PLC的实时读、写并显示读、写数据曲线。3、实现控制功能：根本功能：设置参数，实现根本PID算法，进行实时控制，实时显示动态曲线等。高级功能〔选做〕：智能控制算法实现〔模糊、仿人控制，PID参数自动整定方法等〕；开发平台上位机软件开发平台不限〔推荐使用Labwindows〕，PLC梯形图设计平台为FXGP_WIN-C。三、设计要求1、每2~3人一组，分工合作，在4周时间内完成设计与调试任务。2、到实验室熟悉和掌握仪器设备的根本工作原理、使用方法，为设计工作的开展做好准备。3、根据设计目标，查阅相关资料手册，制定设计方案，论证方案的可行性。4、选择自己熟悉的编程语言，写出控制软件，完善帮助文档，提供相关的语句注释。〔本实验不规定控制软件用什么语言来完成。演示程序的软件开发平台为：Labwindows/CVI7.0，FXGP_WIN-C〕5、调试程序，整定控制参数，获取控制曲线、响应曲线，完整的演示控制过程，通过指导教师的现场测试与辩论。6、撰写设计报告，报告内容应包含：设计题目、设计内容、方案设计与论证、控制算法、软件设计框图、设计难点、调试中所遇到的问题、实际问题的解决方法、结果比照与分析、到达的性能指标、体会建议与改进措施等，并提交程序原代码文件。四、评分标准完成任务1——总分值30完成任务2——总分值20完成任务3的根本局部——总分值40完成任务3的选做局部——总分值10分五、预备知识了解设计原理和任务设计。六、设计原理液位控制系统原理结构图〔见以以下图〕控制系统的结构组成

如图7所示，计算机与可编程控制器构成主、从结构形式，计算机为主机，计算机控制软件完成用户界面的设计，控制算法的设计，以及完成与PLC的串行通讯。可编程控制器为从机，并带有A/D、D/A转换器，计算机可通过串口读入可编程控制器中A/D转换结果，在本系统中代表液位检测值；计算机可通过串口写出控制量到可编程控制器，由可编程控制器自动完成D/A转换，转换结果为4~20mA电流，控制电动流量伺服阀的开度，从而控制水箱入水量。PID控制描述由文献[1]，模拟过程控制的PID控制算式为(2)对上式进行离散化处理，以一系列采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，那么可得离散的PID控制算式为

(3)假设令，，那么上式写成上述式子中，u(t)——t时刻的控制输出〔控制量〕，KP——比例控制系数，TI——积分时间常数，TD——微分时间常数，KI——积分控制系数，KD——微分控制系数，T——采样时间，u(k)——第k时刻的控制输出〔控制量〕。在PID控制中，比例〔P〕控制是起主导作用的，也保证了控制的快速性，积分〔I〕控制保证了系统无稳态误差，微分〔D〕控制为辅助控制，起到了增大系统阻尼是控制过程更加平滑。

PID算法中的量程转换问题在工业现场中的变量量程千变万化，直接使用具有变量工程量量程的误差计算PID控制输出，虽然不会导致计算错误，但是由于量程的不统一，在PID参数整定时整定出的参数必然有很大的差异，在整定过程中操作人员也没有什么参考标准。为了消除各个变量的量程差异，需要对变量的量程进行转换，并且将误差进行归一化，例如，液位设定值的范围为0~100mm，将液位设定值/100以后，量程转化为0~1之间的值；液位测量值的范围为A/D转换对应范围L_MIN~L_MAX，如果将〔液位测量值-L_MIN〕/〔L_MAX-L_MIN〕，那么将测量值的量程转化为0~1之间的值。量程转换的另外一个意义就是PID控制输出和模拟量输出之间的量程转换，上面我们已经讲过，误差的量程已经转换为0～1，经过PID计算以后，控制输出的量程也为0～1，经过控制输出增量限幅和控制量限幅，可以保证最后计算出的PID控制输出量在0~1的范围内。但是PLC提供的4个D/A输出允许输出的电流值为0mA～25mA，为了适应调节阀门开度的控制范围，这里有必要将0～1范围内的控制输出，经过量程转换化为4mA～20mA间的一个数值，具体的转换代码为：PID控制输出量*〔C_MAX-C_MIN〕+C_MIN可编程控制器简介EASY-M0808R-A0404HB型可编程控制器是黄石科威公司生产的嵌入式PLC产品。有8路开关量输入和8路开关量输出，开关量输出为继电器型；有4路模拟量输入和4路模拟量输出，模拟量输入信号和模拟量输出信号的类型为4~20mA电流输入。有三种通讯接口，分别为串口0〔RS0〕，串口1〔RS1〕，CAN总线口。RUN、COM0：运行控制端子，短接RUN和COM0，可编程控制器处STOP状态；RUN和COM0断开，可编程控制器处RUN状态。X00—X07、COM0：开关量输入端子，COM0为公共端。Y00—Y03、COM1：开关量输出端子，COM1为公共端。Y04—Y07、COM2：开关量输出端子，COM2为公共端。CANH、CANL：CAN网络接口端子。AI0+、AI0-：0#通道模拟量输入端子。AI1+、AI1-：1#通道模拟量输入端子。AI2+、AI2-：2#通道模拟量输入端子。AI3+、AI3-：3#通道模拟量输入端子。DAC0+、DAC0-：0#通道模拟量输出端子。DAC1+、DAC1-：1#通道模拟量输出端子。DAC2+、DAC2-：2#通道模拟量输出端子。DAC3+、DAC3-：3#通道模拟量输出端子。N、L：工作电源接入端子，电压范围：180—260VAC，50Hz。RS0：编程口，配专用通讯电缆PRG_02，下载程序、与人机界面连接。RS1：RS232网络串口，配专用通讯电缆PRG_02，固化CAN网络配置、组建RS485网络。模拟量输入特性：输入范围为4~20mA电流输入，12位逐次逼近法测量，数据字格式为0—4095。模拟量输出特性：输出范围为4~20mA电流输出，输出分辨率为12位，转换速度为4个通道5ms。D5000—D5031：各模拟量输入通道对应的AD输入值。D5064—D5095：各模拟量输出通道对应的DA输出值。通过完成附1的PLC熟悉实验掌握PLC的使用方法。前端控制平台开发简介完本钱设计任务的上位机软件开发平台不限，可采用Labwindows/CVI，VC++，VB，Matlab，Delphi等，可自由选择。这里以Labwindows/CVI软件为例做些介绍。Labwindows/CVI为专业虚拟仪器开发软件，提供多种仪表、绘图控件，且其开发语言为标准C，很适合该设计的前端控制平台开发。通过完成Labwindows/CVI根本教程掌握Labwindows/CVI的编程方法。七、任务设计设备连接

PLC的模拟输入输出为标准4～20mA电流信号，此外，标准模块伺服阀、DDM和传感器也都为标准4～20mA电流信号接口。转接面板提供普通导线到标准七芯电缆之间的接口。PLC梯形图程序设计PLC在该系统中作为从机，执行的是将液位传感器的模拟信号转换为数字信号，将PC输出的控制量的数字信号转化为标准4～20mA电流信号以及与PC之间的数据通信等任务。PLC与PC的通信是基于RS485网络连接端口的主从式方式，计算机默认为主站，而对于PLC一方那么需要定义其为从站，规定站号和通信参数以及其他的一些必要步骤，即在通信前将如下例梯形图程序下载到PLC中：注：通信格式为十六进制参数6081H，代表波特率为9600，校验方式为0，数据位长度为8，停止位长度为1。D5000为输入存放器，D5064为输出存放器，D7000与D7100为通信存放器梯形图程序通过PLC的串口0下载。下载梯形图完毕后，必须先断开RUN和COM0，等可编程控制器运行后，才能断电，否那么，程序得不到固化。前端控制平台开发1〕串行通讯程序设计该设计中，PC机和PLC为主从机结构，PC机为主站，PLC为从站，主、从双方需要数据通讯。PLC的物理层的通讯格式为：数据长度8位,停止位1位,无奇偶校验位,传输速率9600bps.PC机上的物理层通讯格式〔串口格式〕也应如上设置。PC机上还需要根据PLC的主从站协议在发送和接收时分别进行报文封装和报文解析。主从站协议格式如下：协议相关说明:横线上方表示主站发送的数据,横线下方表示从站发送的数据.数据发送顺序从左到右.站号:2字符十六进制数,范围1-3F,对应十进制1-63.表示可带63个从站.PC号:固定为FF.头元件:只能是数据存放器D,用5个字符表示,如D1000.元件数:用2位十六进制的字符表示,如0A,表示十个字元件.指定元件数据:一个元件数据用4个十六进制的字符表示,如AB96.错误码:暂没使用.除控制字符外,其它字符均用ASCII码传输.校验和字符是对所作用范围的ASCII码作十六进制累加后取最后两位.校验和字符的传输也是用ASCII码传输.①.主站读从站数据主站发信息：ENQ+[站号+PC号+命令+等待时间+头元件+元件数]+校验和代码。[解释]ENQ：询问，05H。属控制型字符。站号：从节点站号，01H-3FH，属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。命令：WR，以一个字为单位进行读操作，1个字=16位。属数据型字符。等待时间：1个字符〔0-F〕，用于本产品固定为0H，表示无等待需求。属数据型字符。头元件：用5个字符表示，取值范围：D7000-D7899。属数据型字符。元件数：取值范围00-40H，最多64字。属数据型字符。校验和代码：控制型字符原码传输，数据型字符用ASCII码传输，校验和属数据型字符。校验和即是将[和校验区]的ASCII码字符的十六进制数相加后，取后两位字符〔00-FF〕，用ASCII码型式传输。和校验：[XXXXX]中内容为和校验区。[例子] 读10〔0AH〕号站数据：从D7223开始，共5个单元。那么嵌入式PLC发送报文内容：05H〔ENQ〕+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕+57H52H〔WR〕+30H〔0〕+44H37H32H32H33H〔D7223〕+30H35H〔05〕+34H44H〔4C〕校验和XX：XX=30H+41H+46H+46H+57H+52H+30H+44H+37H+32H+32H+33H+30H+35H=34CH取最后2个字符4C，用ASCII码表示是34H44H。从站回信息：STX+[站号+PC号+指定元件的数据+ETX]+校验和代码[解释]STX：文本起点，02H。属控制型字符。站号：从节点站号，01H-3FH，从节点自身站号。属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。指定元件的数据：一个元件需四位0-F的字符表示；按要求指定个数。属数据型字符。ETX：文本终点，03H。属控制型字符。校验和代码：控制型字符原码传输，数据型字符用ASCII码传输，校验和属数据型字符。校验和即是将[和校验区]的ASCII码字符的十六进制数相加后，取后两位字符〔00-FF〕，用ASCII码型式传输。和校验:[XXXXX]中内容为和校验区。[例子] 接上例，从节点回：02H〔STX〕+[30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕+30H31H30H31H〔0101〕+30H39H30H39H〔0909〕+46H46H46H46H〔FFFF〕+36H35H36H35H〔6565〕+36H44H36H44H〔6D6D〕+03H〔ETX〕]+37H36H〔XX〕校验和XX：XX=30H+41H〔0A〕+46H+46H〔FF〕+30H+31H+30H+31H〔0101〕+30H+39H+30H+39H〔0909〕+46H+46H+46H+46H〔FFFF〕+36H+35H+36H+35H〔6565〕+36H+44H+36H+44H〔6D6D〕+03H〔ETX〕=576H取最后2个字符76，用ASCII码表示是37H36H。主站收到数据后再回信息：ACK+站号+PC号或NAK+站号+PC号[解释]ACK：确认，06H。属控制型字符。NAK：不确认，15H。属控制型字符。站号：从节点站号，00H-FFH。属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。[例子]接上例，从节点回：确认：06H+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕不确认：15H+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕②.主站向从站写数据主站发信息：ENQ+[站号+PC号+命令+等待时间+头元件+元件数+指定元件数据]+校验和代码。[解释]ENQ：询问，05H。属控制型字符。站号：从节点站号，01H-3FH，属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。命令：WW，以一个字为单位进行写操作，1个字=16位。属数据型字符。等待时间：1个字符〔0-F〕，用于本产品固定为0H，表示无等待需求。属数据型字符。头元件：用5个字符表示，取值范围：D7000-D7899。属数据型字符。元件数：取值范围00-40H，最多64字。属数据型字符。指定元件数据：一个元件需四位十六进制数表示，即四个字符，字符范围0-F，从头元件起，顺次指定。属数据型字符。校验和代码：控制型字符原码传输，数据型字符用ASCII码传输，校验和属数据型字符。校验和即是将[和校验区]ASCII码字符的十六进制数相加后，取后两位字符〔00-FF〕，用ASCII码型式传输。和校验:[XXXXX]中内容为和校验区。[例子] 向10〔0AH〕号站写数据，从D7223开始，写0101H，0909H，FFFFH，6565H，6D6DH共5个单元。那么主站发送报文内容：05H+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕+57H57H〔WW〕+30H〔0〕+44H37H32H32H33H〔D7223〕+30H35H〔05〕+30H31H30H31H〔0101〕+30H39H30H39H〔0909〕+46H46H46H46H〔FFFF〕+36H35H36H35H〔6565〕+36H44H36H44H〔6D6D〕+43H38H〔XX〕校验和XX：XX=30H+41H+46H+46H+57H+57H+30H+44H+37H+32H+32H+33H+30H+35H+30H+31H+30H+31H+30H+39H+30H+39H+46H+46H+46H+46H+36H+35H+36H+35H+36H+44H+36H+44H=7C8H取最后2个字符C8，用ASCII码表示是43H38H。从节点回信息：ACK+站号+PC号或NAK+站号+PC号+错误代码[解释]ACK：确认，06H。属控制型字符。NAK：不确认，15H。属控制型字符。站号：从节点站号，00H-FFH，理论上可接256个从节点。属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。[例子]接上例，从节点回：确认：06H〔ACK〕+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕不确认：15H〔NAK〕+30H41H〔0A〕+46H46H〔FF〕+〔？？〕(??):暂未规定代码内容根据该协议，PC机接收字数据和发送字数据的流程可参照如下框图设计：PLC熟悉实验目的：熟悉工具软件FX_GP-WIN的使用，用工具软件FX_GP-WIN编写PLC的梯形图控制程序