工业过程控制-课程设计

PAGE1PAGE1工业过程控制课程设计题目:基于组态软件的液位—-流量串级控制系统计院系名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：中2-211设计时间：2011/06/25设计成绩：设计成绩：指导教师：本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成家并签名。摘要《工业过程控制技术课程设计》是完成《自动控制原理》、《自动控制系统》、《过程控制技术》、《电器与PLC》、《自动化仪表》、《计算机控制》等理论与实验教学之后，为自动化专业本科生开设的一门综合性的专业课程，是较为重要的实践性教学环节。学生通过借助组态王6.53系统实验平台”对一个实用工业过程控制系统的设计、调试完成系统设计与开发，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升。关键词：串级控制系组态王6.53控制系统的设计开发目录1系统描述及控制要求11.1控制要求22系统结构设计及描述22.1控制方案22.2系统结构2 3过程仪表的选择33.1.液位传感器、压力传感器33.2电磁流量传感器、电磁流量转换器33.3电动调节阀43.4变频器43.5水泵43.6开关电源53.7牛顿7000系列模块53.8模拟量采集模块53.9模拟量输出模块53.8通信转换模块53.10测量要求54系统组态设计64.1流程图与组态图64.2组态画面74.3数据字典84.4应用程序84.5动画连接114.6PID控制算法11参考资料12设计心得131引言本课程是在学完《工业过程控制》课程后的一个应用性实践环节。通过本课程设计的训练，学生应对过程控制工程设计的概念有完整地了解，同时培养学生综合应用基础课、专业课所学知识与工程实际知识的能力。通过对过程控制系统的分析与设计，获得面向工业生产过程系统分析与设计的实践知识，初步掌握过程控制系统开发和应用的技能。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，采用双闭环控制结构和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液位—流量串级过程控制系统。对于过程控制系统，以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。随着现代工业生产过程向着大型，连续和强化方向发展，对过程控制品质提出了日益高的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。串级控制系统是过程控制系统中的一种多回路控制系统，是为了提高单回路控制系统以一定结构形式串联在一起，它不仅具有单回路控制系统全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的特点。串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；本文论述了一个基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计方法和步骤，参数整定放法。在此过程中，介绍了液位和流量进行检测和转换的常用元件，应用阶跃响应曲线推导了广义对象的传递函数，简单的论述了串级控制系统的优点，讨论了它对控制效果的改善作用，并使用仿真与软件对该系统进行了仿真，最后用组态软件编制程序来实现控制。1.1控制要求1.1.1根据液位-流量串级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。1.1.2根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。1.1.3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。1.1.4运用组态软件，正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。1.1.5提交包括上述内容的课程设计报告。2系统结构设计及描述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，这两个参量具有相关联系，流量的大小可以影响上水箱液位，根据流量与液位的关系，故系统采用串级控制，内环为流量控制，外环为液位控制。内环与外环的控制算法均采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。外环液位控制器的输出作为内环流量控制器的设定值，流量控制器的输出来控制调节阀的大小，来控制管道流量的大小，进而控制上水箱液位。2.2系统结构系统框图如下图计算机调节阀x1(t)x2(t)e(t)u(t)计算机调节阀计算机液位流量g(t)q(t)y(t)计算机液位流量z2(t)流量变送器流量变送器z1(t)液位变送器液位变送器计算机控制上水箱液位和流量串级系统控制框图3过程仪表的选择3.1.液位传感器、压力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--ⅢX型仪表互换配置，并能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。液位传感器用来对上位水箱和中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，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。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0~0.3m3/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：0~0.4mV输出信号：4~20mADC，允许负载电阻为0~750Ω，基本误差：输出信号量程的±0.5%。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。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。3.6开关电源DC24V的开关电源，最大电流为2A，满足实验的需要。3.7牛顿7000系列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（4～20mA）电压（1～5V）信号均可，A/D7017模块8路模拟电压（1～5V）输入，485/232转换7520模块，转换速度极高（300～115KHz），232口可长距离传输。3.8模拟量采集模块模拟量采集模块选用的是A/D牛顿7017模块8路模拟电压（1—5V）3.9模拟量输出模块模拟量输出模块选用的是D/A牛顿7024模块4路模拟输出，电流（4—20mA）电压（1—5V）信号均可。3.8通信转换模块通讯模块选用485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300—115KHz），232口可长距离传输。3.10测量要求测量范围：温度：0~100℃液位：0~450cm压力：0~0.1Mpa流量：0~0.3m3/h测量精度：温度：<1%液位：<2%压力：<2%流量：<0.1%4系统组态设计4.1流程图与组态图系统流程图如图4.1所示。LTA/DLTA/D计算机1D/AFTA/D计算机2D/AFTA/D计算机2积水箱积水箱 泵4.1系统流程图系统组态图如图4.2所示4.2组态画面4.3数据字典4.4应用程序启动OP1=0;OP2=0;运行if(StudentPower==0){closepicture("文");}if(StudentPower==1){PV11=(PV1-1)*125;PV22=(PV2-1)*5;SV=SV1/200;PV=PV11/200;if(MAN==1){EI=SV-PV;if(I1==0){Q1=0;}Q0=P1*(EI-EI1);if(I1!=0){Q1=P1*EI*0.2/I1;}Q2=P1*D1*(EI-2*EI1+EI2)/0.2;MX=Q0+Q1+Q2;OP1=OP1+MX;if(OP1<0){OP1=0;}if(OP1>100){OP1=100;}OP1=(OP1+25)/6.25;EI2=EI1;EI1=EI;MAN_OP1=OP1;}else{OP1=MAN_OP1+MX;MX=0;if(OP1<0){OP1=0;}if(OP1>100){OP1=100;}OP1=(OP1+25)/6.25;}{if(MAN2==1){EI3=OP1/PV22/20;if(I2==0){Q4=0;}Q3=P2*(EI3-EI4);if(I2!=0){Q4=P2*EI3*0.2/I2;}Q5=P2*D2*(EI3-2*EI4+EI5)/0.2;MX1=Q3+Q4+Q5;OP2=OP2+MX1;if(OP2<0){OP2=0;}if(OP2>100){OP2=100;}OP2=(OP2+25)/6.25;EI5=EI4;EI4=EI3;MAN_OP2=OP2;}else{OP2=\MAN_OP2+OP3;OP3=0;if(OP2<0){OP2=0;}if(OP2>100){OP2=100;}OP2=(OP2+25)/6.25;}}P1=P1;I1=I1;D1=D1;P2=P2;I2=I2;D2=D2;}停止I1=0;I2=0;D1=0;D2=0;4.5动画连接4.6PID控制算法根据液位—流量串级控制系统的原理，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位置控制算式，其控制算式如下：上述算式中，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控制算法流程图如图4.3所示。取sp,pv形成偏差e(k)取sp,pv形成偏差e(k)取a0,e(k)做乘法取a1,e(k-1)做乘法取a2,e(k-2)做乘法做a2e(k-2)减a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+a0e(k)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+a0e(k)+u(k-1)输出u(k)数据传送：u(k)→u(k-1)数据传送：e(k)→e(k-1