基于组态软件的液位流量串级控制系统精.docx

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基于组态软件的液位流量串级控制系统精

过程控制系统

课程设计

题目:

基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计

院系名称:

电气工程学院

专业班级:

自动化1105

学生姓名:

金星宇

学号:

201123910807

指导教师:

马利冯肖亮

设计地点:

31520

设计时间:

2014.7

设计成绩:

指导教师:

本栏由指导教师根据大纲要求审核后,填报成绩并签名。

工业过程控制课程设计任务书之

学生姓名金星宇专业班级自动化1105学号201123910807题目基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计

课题性质课题来源自拟题目

指导教师马利冯肖亮

主要内容

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。

任务要求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。

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。

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。

5.提交包括上述内容的课程设计报告。

主要参考资料[1]组态王软件及其说明文件

[2]邵裕森.过程控制工程.北京:

机械工业出版社2000

[3]过程控制教材

[4]辅导资料

审查意见

指导教师签字:

年月日

摘要

随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。

在这种情况下,简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求,因此就提出了串级控制方案。

串级控制具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有很多单回路控制系统所没有的优点。

因此,串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好,而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现,所以,串级控制是一种易于实现且效果又极好的控制方法。

。

关键词:

控制系统单回路串级控制

1引言（1

2系统结构设计（1

2.1控制方案（1

2.2控制规律（2

3过程控制仪表的选择（2

3.1液位传感器（2

3.2电磁流量传感器电磁流量转换器（3

3.3电动调节阀（3

3.4变频器（4

3.5水泵（5

3.6模拟量采集模块（5

3.7模拟量输出模块（6

3.8通信转换模块（6

4系统组态设计（6

4.1系统工艺流程图（6

4.2组态画面（7

4.3数据字典（8

4.4PID控制算法（8

设计心得（10

参考文献（12

附录A系统脚本程序（13

1引言

制是根据工业生产过程的特点,采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具,应用控制理论,设计工业生产过程控制系统,实现工业生产过程的自动化。

过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送环节等组成。

在工业过程控制系统中,单回路控制系统约占一半以上,但是单回路控制系统适用于控制要求不高的场合。

对于某些控制要求比较高的场合,单回路控制系统却远远不能满足控制要求,因此就提出了串级控制系统。

串级控制系统是采用两个控制器串联工作,主控制器的输出作为副控制器的设定值,由副控制器的输出去操纵调节阀,从而对主被控变量具有更好的控制效果。

与单回路控制系统相比,串级控制系统在结构上增加了一个副回路,对进入副回路的扰动有很强的抑制作用;同时由于副回路的存在,改善了系统的动态性能,提高了系统的工作频率,并且使系统具有一定的自适应能力。

组态软件是应用软件中提供的工具、方法来完成工程中某一具体任务的软件。

组态软件提供了监控层的软件平台和开发环境,通过灵活的组态方式,可以快速构建工业自动控制系统监控功能。

同时,组态软件具有实时性和多任务性,可以在一台计算机上同时完成数据采集、信号数据处理,数据图像显示、人机对话、历史数据查询等多个任务。

本设计利用过程仪表和计算机,结合组态王6.53软件设计人机交互界面,设计实现水箱液位—流量串级控制系统。

同时,在组态软件中实现动画显示、实时曲线显示等功能。

2系统结构设计

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,这两个参量具有联系,流量的大小可以影响上水箱的液位,根据流量与液位之间的关系,采用液位—流量串级控制,系统框图如图2.1所示。

计算机计算机调节阀流量液位流量变送器

液位变送器

x1（tx2（t

e（tu（tf1（tg（tq（tf2（ty（t-

z2（t-

z1（t

图2.1

在图2.1中,副回路为流量控制回路,主回路为液位控制回路。

主回路液位控制器的输出作为副回路流量控制器的设定值,副回路流量控制器的输出来控制调节阀的大小,控制管道流量的大小,进而控制上水箱液位。

2.2控制规律

本设计采用工业过程控制中最常用的PID控制规律。

在工程实际中,应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制,即PID控制,其结构简单,参数易于调整,在长期的应用中积累了大量丰富的经验。

主回路与副回路的控制算法均采用PID算法。

PID算法实现简单,控制效果好,系统稳定性好。

主回路PID的输出做为副回路的输入,副回路跟随主回路的输出。

PID控制的技术成熟,结构灵活,不仅可以实现常规的PID调节,而且还可以根据系统要求,采用PI、PD、带死区的PID控制等。

PID控制不需要求出系统的数学模型,控制效果好。

虽然计算机控制是非连续的,但由于计算机的运算速度越来越快,因此用数字PID完全可以代替模拟调节器,并且能够取得比较满意的效果。

3过程控制仪表的选择

3.1液位传感器

传感器用来对水箱液位进行测量检测,采用工业用的DBYG扩散硅压力传感器。

DBYG扩散硅压力传感器按标准的二线制传输,采用高品质、低功耗的精密器件,稳定性和可靠性高,可以方便的与其他DDZ—X型仪表互换配置。

DBYG扩散硅压力传

感器如图3.1所示。

图3.1DBYG扩散硅压力传感器

使用时,要对其进行校验。

校验的方法是通电预热15分钟后,分别在零压力和满量程压力下检测输出电流。

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,因为采用二线制,因此工作时需要串接24V直流电源。

3.2电磁流量传感器电磁流量转换器

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。

根据本系统装置的特点,选用工业用的LDS—10S型电磁流量传感器,其公称直径为10mm,流量0—0.33

m/h,压力为1.6Mpamax,4—20mA标准信号输出。

该传感器采用整体焊接结构,密封性能良好,结构简单可靠,内部无活动部件,抗干扰性能好,零点稳定。

另外,可与显示、记录仪表、计算器或者调节器配套,避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点。

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。

其输入信号为0—0.4mV,输出信号为4—20mADC,允许负载电阻为0—750Ω,基本误差为输出信号量程的0.5%。

3.3电动调节阀

调节阀用于对控制回路的流量进行调节,本设计选用PSL202型的智能电动调节阀,无需配置伺服放大器。

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,外形如图3.2所示。

图3.2PSL202型的智能电动调节阀

控制电路与电动执行机构一体化,可靠性好,操作方便,并可以与计算机配套使用,组成最佳调节回路。

由输入控制信号4—20mA及单相电源即可控制运转,实现对流量的调节,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,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。

3.4变频器

统选用三菱FR—S520变频器,输入控制信号为4—20mA,可以对流量或者压力进行控制。

该变频器具有体积小,功率小,功能强大,运行稳定安全可靠等优点。

同时,可以外加电流控制,也可以通过自身旋钮控制频率,可以单相或者三相供电,频率高达200Hz,如图3.3所示。

图3.3变频器

3.5水泵

丹麦格兰富循环水泵,如图3.4所示。

该水泵噪音低,寿命长,功率小。

同时,支持220V电压供电,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。

图3.4丹麦格兰富循环水泵

3.6模拟量采集模块

统采用牛顿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、输出和通讯过程模块。

牛顿7000系列模块体积小,安装方便,可靠性高等优点,其外形如图3.5所示。

图3.5牛顿7000系列模块

模拟量采集模块采用牛顿7017,该模块为八通道模拟输入模块,电压输入为1~5VDC。

在连接过程中,使用7024模块的1通道IN1作为上水箱液位信号检测输入通道。

3.7模拟量输出模块

量输出模块采用牛顿7024,该模块为四通道模拟输出模块,电流输出为4~20mADC,电压输出为1~5VDC。

同时,使用7024模块的1通道I01作为管道流量的电压控制通道。

3.8通信转换模块

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,转换速度为300~115200bps,可以进行长距离传输。

4系统组态设计

4.1系统工艺流程图

液位—流量串级控制系统的工艺流程图如图4.1所示。

副回路为流量检测,主回路为液位检测。

主回路控制器的输出做为副回路控制器的设定值,副回路控制器的输出去控制调节阀,改变管道内水的流量,进而控制上水箱的液位。

计算机1

A/D

LT

计算机2

A/D

D/A

FT

积水箱

泵

图4.1水箱液位—流量串级控制系统的工艺流程图

4.2组态画面

组态画面如图4.2,4.3,4.4所示。

图4.2组态画面

图4.3组态画面

图4.4组态画面

4.3数据字典

动画制作过程中的数据字典如表4.1所示。

数据字典图4.1

液位—流量串级控制系统的原理,在“命令语言”中选择“应用程序命令语言”,

运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写环境实现PID控制算法。

PID调节器的动作规律是

（3.8

或（3.9

式中、和参数意义与、调节器相同。

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:

2

上

述算式中,为比例系数,为积分时间,为微分时间,以作为计算机的当前

输出值,以作为给定值,作为反馈值即设备的转换值作为偏差。

控制

算法流程图如图4.3所示。

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:

e（k→e（k-

1

e（k-1→e（k-2

数据传送:

u（k→u（k-1图4.3PID算法流程图

设计心得

时间过得很快,半个月的课程设计,我感觉时间不够用。

同时,我学到了很多东西,很充实……

刚开始的时候,我去图书馆查阅了很多资料,在对设计内容有一个详细的规划后,我首先投入的是组态设计这一块。

因为之前没有接触过组态王,对其一无所知,所以就从零开始,查阅资料,学习视频教程。

刚起步的时候,很多问题都摆在眼前,比如如何建立新的工程,如何设计变量,如何添加动画连接等等,这些我都不会。

因此就按着视频教程,一步一步的慢慢看下去,先把视频教程上面的例子熟练掌握,然后再对本系统的整体画面进行设计。

对我来说,画面动画设计是最困难、最耗费时间的一部分。

特别是在考虑画面布局的时候,这个模块放在哪里比较合适,用什么样的颜色显得美观等等,必须进行不断的修改,才能布局出比较好的画面。

往往是一两个小时过去了,自己却不知不觉。

每一个模块布局之后,都要对其进行相应的动画连接。

这个时候,连接的对象又是一个难题。

有时候,连接对象错误,运行时的画面显示效果就与设计的不同,所以必须正确连接对象……就这样,我用组态王6.53,自己设计布局画面,自己调试运行,经过将近一周的努力,最后终于设计出自己比较满意的画面。

设计报告的程序流程图,我都是用Visio软件绘制的。

绘制图形时,考虑最多的是整体的布局。

每绘制一个图形,我往往都是一边绘制,一边调整布局。

因为一个框图,如果绘制的不合理,系统的整体原理就显得很乱;而一个流程图如果布局不合理,程序的算法就无法在流程图中完美的展现出来。

最后,感谢老师和同学们的帮助!

在设计的过程中,老师给了我很多的指导,让我少走了很多弯路;在组态画面动画制作的过程中,同学也帮助我解决了很多问题,同时也提出了很好的布局方案。

参考文献

（1）陈夕松汪木兰.过程控制系统（第二版）.北京：

科学出版社，2011.1

（2）周力尤罗隆谢雪芳．组态软件技术与应用．北京：

电子工业出版社，2012.5（3）康华光．电子技术基础模拟部分（第五版）．北京：

高等教育出版社，2006（4）阎石．数字电路技术基础（第五版）．北京：

高等教育出版社，2006（5）邱关源．电路（第五版）．北京：

高等教育出版社，2006（6）谭浩强．C程序设计（第四版）．北京：

清华大学出版社，2010（7）郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京:

电子工业出版社（8）张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）[M]．北京：

国防工业出版社，2004（9）冯博琴吴宁．微型计算机原理与接口技术（第3版）．北京：

清华大学出版社，2011.6（10）朱玉玺崔如春邝小磊．计算机控制技术．北京：

电子工业出版社，201012

附录A系统脚本程序启动时：

\\本站点\I1=\\本站点\T/\\本站点\Ti1;\\本站点\D1=\\本站点\Td1/\\本站点\T;\\本站点\uk1=0;\\本站点\uk11=0;\\本站点\ek1=0;\\本站点\ek11=0;\\本站点\ek12=0;\\本站点\I2=\\本站点\T/\\本站点\Ti2;\\本站点\D2=\\本站点\Td2/\\本站点\T;\\本站点\uk2=0;\\本站点\uk21=0;\\本站点\ek2=0;\\本站点\ek21=0;\\本站点\ek22=0;运行期间：

if（\\本站点\自动开关==1{\\本站点\T=15;\\本站点\I1=\\本站点\T/\\本站点\Ti1;\\本站点\D1=\\本站点\Td1/\\本站点\T;\\本站点\q10=\\本站点\P1*（1+\\本站点\I1+\\本站点\D1;\\本站点\q11=\\本站点\P1*（1+2*\\本站点\D1;\\本站点\q12=\\本站点\P1*\\本站点\D1;\\本站点\ek1=\\本站点\SV-\\本站点\上水箱液位;\\本站点\uk1=\\本站点\q10*\\本站点\ek1-\\本站点\q11*\\本站点\ek11+\\本站点\q12*\\本站点\ek12+\\本站点\uk11;\\本站点\uk11=\\本站点\uk1;\\本站点\ek12=\\本站点\ek11;\\本站点\ek11=\\本站点\ek1;if（\\本站点\uk1<1000{if（\\本站点\uk1<0{\\本站点\uk11=0;}else{\\本站点\uk11=\\本站点\uk1;}}else{\\本站点\uk11=1000;}13

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