流量单回路过程控制系统课程设计.docx
《流量单回路过程控制系统课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流量单回路过程控制系统课程设计.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
流量单回路过程控制系统课程设计
:
业过程控制
课程设计
题目:
基于组态软件的流量单回路过程控制系统
院系名称:
电气工程学院
专业班级:
学生姓名:
学号:
31-517
指导教师:
设计地点:
指导教师:
设计成绩:
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
基于组态软件的流量单回路过程控制系统设计
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
主要内容
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。
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.
任务要求
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。
[1]
组态王软件及其说明文件
主要参
考资料
[2]
邵裕森.过程控制工程.北京：
机械工业出版社2000
审查意见
[3]
[4]
过程控制教材
辅导资料
指导教师签字:
摘要
对水流量的控制在社会生产中有着广泛的应用，本文给出了一种基于PID控制算法的
流量单回路控制系统。
根据对水箱内液位的要求与下水管道的流量，从而得到流量的给定值。
通过计算机处理，输出给执行机构，再由执行机构也就是调节阀控制抽水管道的流量。
电动调节阀采用丹麦兰富循环水泵。
噪音低，寿命长，功耗小，220V供电即可，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。
采用工业用的LDS-10S
型电磁流量传感器，公称直径10mm流量0~.03m3/h,压力1.6Mpmax,4-20mA标准信号输
出。
这些环节组成的控制系统，可以很好的满足需求。
关键词流量单回路控制系统
1引言
2设计目的与要求
2.1设计目的
2.2设计要求.
3系统结构设计
3.1系统总体结构
3.2系统控制方案
4过程仪表选择
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
电磁流量传感器电动调节阀.
液位传感器.
抽水泵.
变频器
模块选择
3
4
5
5
5
5
5系统组态设计
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
系统组态图与工艺流程图设计.组态画面.
数据词典.
应用程序.
动画连接.
7
8
9
10
11
设计心得
11
参考文献
12
附录A
12
附录B
13
1引言
流量单回路系统是近十年来伴随着自动控制、系统控制设备以及数据库等相关
流量
技术的飞速发展而应运而生的。
随着这些技术的发展和电脑的普及，流量单回路系统高效、可靠、操作方便的优点为越来越多的使用者接受，应用也日益广泛。
单回路系统自产生以来，给生产行业带来了新鲜的活力。
在科学技术迅猛发展的今天，流量也越来越被人们所重视，流量单回路系统就是人们常见到的一种生产设施。
实现流量单回路系统的控制方法很多，可以用PID控制算法，最少拍有纹波或者最少拍无纹波算法等方案来实现。
但是这些控制方法的功能修改及调试都需要一定硬件设备的支持，设计的仿真效果也不是很令人满意。
本实验在实验室做了模拟仿真，运用流量单回路控制系统模拟器，对设计进行了模拟。
随着社会的发展，流量单回路控制系统也必将成为工业生产过程的不可或缺的
控制系统。
它将慢慢走入人们的生活，给我们的生活带来意想不到的效果。
改变我们的生活，证明科技改变生活。
2设计目的与要求
2.1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。
2.2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专换与通讯模块。
（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。
3系统结构设计
3.1系统总体结构
过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、执行器、被控对象、测量变送
3-1
图3-1系统总体框图
单元。
本次设计为流量单回路控制，即为闭环控制系统，如下图
3.2系统控制方案
整个流量单回路过程控制系统由控制器、调节器、检测变送单元、被控对象组
成。
在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律（见附录A和附
录B）,调节器为电磁调节阀阀，测量变送FT组成，被控对象为流量PM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存水箱，通过对流量的控制，保持存水箱内水位恒定（水位值是人为设定好的值），而被控量也就是抽水管的流量设定值，由水位及下水管的流量共同决定（人为设定的值）。
由HB返回信号,是否还需要加大抽水量到存水箱。
若还需要（即水位达不到要求），则通过电磁调节阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。
其整个流程图如图3-2所示。
V
液位’
存水箱1
液位'
存水箱2
传感器
传感器
储水箱
＞计算机
Z、
*M\
水泵-
图3-2流量单回路控制系统流程图
4过程仪表选择
4.1电磁流量传感器
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。
根据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm流
量0~.03m3/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。
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，密封性好;
2）结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失;
3）
4）
5）
出信号：
采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；仪表反映灵敏，输出信号与流量呈线性关系,量程比宽；流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：
0~0.4mV输
4~20mADC,许负载电阻为0~750欧姆，基本误差：
输出信号量程的0.5%。
4.2电动调节阀
（1）调节阀工作区间的选择。
在过程控制过程中，确定控制阀的口径尺寸是选择控制阀的重要内容之一，在正常工况下要求调节阀的开度在15%~85%之间。
如果调
节阀口径选得过小，当系统受到较大的扰动时，调节阀工作在全开或全关的饱和状
态，使系统暂时处于失控工况，这对扰动偏差的消除不利；同样，调节阀口径选得
过大，阀门长时间处于小开度工作状态，阀门的不平衡力较大，阀门调节灵敏度低，
工作特性差，甚至会产生振荡或调节失灵的情况。
因此，调节阀口径选择一定要合
适。
（2）调节阀的流量特性选择。
调节阀的流量特性选择一般分两步进行。
首先要根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，确定工作流量特性，然后根据工作流量特性相对于理想流量特性的畸变关系，求出对应的理想流量特性，确定阀门
的选型。
（3）调节阀的气开、气关作用方式选择。
调节阀开、关作用方式的选择主要以不
同生产工艺条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依据。
电动调节阀对控制回路流量进行调节。
采用德国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与转实现对压力流量温度压力等参数的调节，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。
4.3液位传感器
液位传感器用来对上谁为水箱的压力进行检测，采用工业的DBYGT散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。
可方便的与其他DD—3X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。
在零压力下调整量程电位器，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。
压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYa散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标志信号输出。
4.4抽水泵
采用丹麦兰富循环水泵。
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，与变送器一起可构成恒压供水系统。
4.5变频器
三菱FR-S520变频器，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，也可通过本身旋钮控制频率。
可单相或三相供电，频率可高达200Hz。
4.6模块选择
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。
有效的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。
1）D/A模块：
采用牛顿7024模块。
4路模拟输出，电流（4-20mA电压（1~5V
信号均可。
2）A/D模块：
采用牛顿7017模块。
8路模拟电压（1~5V输入。
3）DO模块：
采用牛顿7043模块。
4）通讯模块：
采用牛顿7520转换模块。
485/232转换模块，转换速度极高
300~115KHz），232口可长距离。
5系统组态设计
组态王是运行在Windows98/NT/2000上的一种组态软件。
使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“数据采集和监控系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息处理和判断决策的控制信号传向现场实施有效的生产控制。
组态王的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。
管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。
组态网易于学习和使用，拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，既可以节省您的大量时间，又能提高系统性能。
组态王可用于电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等多种工程领域。
无论您的应用场合如何，您都可以使用组态王构造有效的监控和数据采集系统。
5.1系统组态图与工艺流程图设计
LSP
PN（IN2
图5-1系统组态图设计
计算机
图5-2工艺流程图
5.2组态画面
■:
■W■■：
■：
■■
---
—设定宿
:
:
=TT-
■'[O'
--fibril■■■■
-阕「昭
图5-3组态动画
I^b5
◎凹
卧3
c4*5^=5&uE
5.3数据词典
变星名
1变呈描述
1变量発型
IID
0$年
内存实型
1
0$月
內存实型
2
^$a
內存实型
3
0$时
内存实型
4
血$分
內存实型
5
◎$秒
内存实型
6
疝$日期
内存字符串
7
矗$时间
内存宇苻串
8
0$用户名
內存字符串
9
0$访问权限
内存实型
10
0$启动历史记录
內存离散
11
0$启动报警记录
内存离散
12
0$启动后台命令语言
內存离锻
13
徐新报誓
内存离散
14
0$双机殳屯备状虑
內存整型
15
0熄秒
內存实型
16
疹炯踣伏态
內存整型
1?
內存整型
21
3
内存整型
22
0>3
內存整型
23
内存整型
24
內存整型
25
0a6
内存实型
£6
0&T
內存整型
27
3
内存整型
£0
0曲
內存整型
内存整型
30
内存整型
31
内存整型
32
内存整型
33
内存整型
34
内存整型
35
肉存整型
36
內存整型
37
內存整型
38
內存整型
39
内存整型
40
内存整型
41
内存整型
42
内存整型
43
内存整型
44
肉存整型
45
图5-4数据词典
5.4应用程序
if（\\io\a2==1）
\\io\a4=9;
if（c7==1）
b9=b5*（1+1/b6+b7）;
a3=b5*（1+2*b7）;
c1=b5*b7;
流量1;
b8=b9*c3-a3*c4+c1*c6+c2;
c2=b8;
c6=c4;
c4=c3;
if（b8<100）
if（b8<0）
{b3=0;
else{b3=b8;
else{c2=100;}
\\io\d=b3:
5.5动画连接
图5-5组态动画连接
设计心得
从这次课设中，我充分利用了工业过程控制的原理，也逐步了解了机控知识,在课程设计中，学会了简单应用。
这个阶段也许就是学习的初级阶段，最重要的是在枯燥中发现新奇，逐渐获得兴趣。
学习的动力大部分来自信心，刚开始的时候不知道该怎么做，查了大量的芯片资料和相关课本知识，在设计过程中也加深了知识的理解，并且在摸索之中设计出组态图。
在画组态图的过程中，刚开始也不知道怎么下手，也查了很多别人设计好的组态画面，一边拆分研究一边思考，终于把程组态图画完整了。
从中，我体会到抱以极大的信心，耐得住寂寞，并且持之以恒，对学习、工作有着巨大的意义的。
在设计过程中，我也充分感受到了团队合作力量的强大，一个人想出了方案但可能不完美，相互补充就保证了电路原理图的严谨和完美。
我们各人之间好好的配
合，分工合作，设计过程没有一团乱麻。
更为可贵的是，我们彼此鼓励，同舟共济地处理每个问题。
因此加强团队合作精神，对工作有着重要意义。
通过讨论与实践,我们加强对电子器件的了解。
也增加了对电子设计的兴趣，对电子应用感到好奇。
总之，我们做到理论联系实际，学过了计算机控制技术这门课程，而此次课程设计恰恰提供了一个好机会，让我们从实践中加深了对所学知识的理解。
因此这次课程设计收益匪浅。
参考文献
[1]陈夕松,
[2]熊新民.
[3]邵裕森.
[4]姜重然.
华成英.过程控制系统[M].北京：
科学出版社，2006工业过程控制课程设计指导书，2008
过程控制工程[M].北京：
机械工业出版社，2000
工控软件组态王简明教程[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2007
附录A
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
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
当前计算机的输出值，以sp作为给定值，pv作为反馈值及A/D设备转换值，e（k）作为偏差。
PID控制算法流程图见附录B
附录B
开始
1
取sppv得到偏差e（k）
J
取aOe（k）做乘法
取a1e（k-1）做乘法
取a2e（k-2）做乘法
I
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）
z
输出
u（k）
数据传送:
u（k）送到u（k-1）
数据传送:
e（k）送e（k-1）
e（k-1）送e（k-2）
I返回卜
升级会员 