工学过程控制流量控制系统.docx
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工学过程控制流量控制系统
第一章过程控制仪表课程设计的目的意义1
1.1设计目的1
1.2课程在教学计划中的地位和作用1
第二章流量控制系统（实验部分）2
2.1控制系统工艺流程2
2.2控制系统的控制要求3
2.3系统的实验调试4
第三章HPF脱硫工艺流程及控制要求6
3.1控制系统工艺流程6
3.2设计内容及要求7
第四章总体设计方案8
4.1设计思想8
4.2总体设计流程图.8
4.3硬件设计概要8
4.4硬件选型9
4.5硬件电路设计系统原理图及其说明15
第五章软件设计17
5.1软件设计流程图及其说明17
第六章系统调试中遇到的问题及解决方法20
第七章收获、体会23
附录1源程序及其说明24
参考文献37
第一章微控制器应用系统综合设计的目的意义
1.1实验目的本课程设计的目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。
课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。
1.2课程设计在教学计划中的地位和作用
本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对
《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用，使学生加深对过去已修课程的理解，用本课程所学的基本理论和方法，运用计算机控制技术，解决过程控制领域的实际问题，为学生今后从事过程控制领域的工作打下基础。
因此本课程在教学计划中具有重要的地位和作用。
第二章流量控制系统（实验部分）
2.1控制系统工艺流程
图2.1内容器单闭环流量控制系统工艺流程图
VL为电动阀，SSR为固态继电器
说明：
FT为流量变送器，FC为智能调节器,控制输出，Q表示流量。
图2.3同。
PID智能调节器
图2.2内容器单闭环流量控制系统方块流程图
VL1
图2.4双闭环比值控制方块流程图
2.2控制系统的控制要求
2.2.1单闭环控制
要求给定流量范围为0~400L/h,流量从200L/h稳态向300L/h稳态过渡的调节时间不超过100s，超调量不超过5%稳态误差不超过土5%.
2.2.2双闭环比值控制
主回路（图2.4中FC1调节的回路）要求如单闭环控制要求，副回路（FC2调节的回路）的比值K可在流量范围内实现0.5~1.5的比例控制，具体情况分为
1主回路Q1稳定，改变比值K:
畐寸回路的调节时间不超过100S,超调量不超过5%，稳态误差不超过±5%
2比值K确定，主回路Q1随给定Qs改变：
在Q1稳定在给定Qs后，副回路调节时间不超过50s，超调量不超过5%稳态误差不超过土5%
2.3系统的实验调试
2.3.1单闭环流量控制
1在实验面板上接好线，确认无误后打开实验机柜电源和水泵开关；
2将智能调节器FC1设置为单路输入内给定、人工模糊自整定PID调节方式；
3调节PID参数：
积分分离值为0，先使积分时间TI为一较大值，微分时间TD为0;调节比例带P,使流量Q1能稳定到给定值附近，且过渡时间不太大、超调量满足工艺要求；再调节积分时间TI，使流量Q1的稳态误差减小以满足工艺要求。
若此时过渡时间也能达到工艺要求，则可以不要微分作用，若不能满足则慢慢增加微分时间TD,使调节时间减小以满足工艺要求。
说明：
在调节比例带P使流量能稳定到给定值附近后，主要需解决的是减少稳态误差（减小TI）、减少超调量（增加比例带P或积分时间TI）和减少过渡时间（增加微分时间TD或减小积分时间TI），P、TI、TD这3个参数主要需调节的是P和TI，观察无纸记录仪的响应曲线，多试几组参数，使流量控制达到工艺要求。
2.3.2双闭环比值控制
①在2.3.1中单闭环流量控制已满足工艺要求的前提下，将其做为主回路，不需再改动其参数。
2将调节器FC2设置为双路输入外给定、人工模糊自整定PID调节方式。
3将比值器设置为加法方式，比例系数A=0.5（0.5~1.5均可），B=0b
4Q1稳定后，副回路的给定也就一定了。
调节PID参数（调节方法如单闭环控
制），给调节器FC2选择合适的PID值以满足工艺要求。
特别说明：
以上两个实验的调试问题在第七章详细讲述，此处只说明步骤。
第三章HPF脱硫工艺流程及控制要求
3.1控制系统工艺流程
HPF法脱硫是国内新开发的技术，它是以氨为碱源液相催化氧化脱硫新工艺采用的催化剂HPF是一种复合催化剂，它对脱硫和再生过程均有催化作用。
所产废液完全可以回兑到炼焦煤中,从而大大简化了工艺流程。
脱硫、脱氰效率较高,一般可达到塔后煤气含HSWIOOmg/帛，含HCM300mg/m。
HPF法脱硫的工艺流程是：
鼓风机后的煤气进入预冷塔与塔顶喷洒的冷却水逆向接触，被冷却为30C,冷却水从塔下部用泵抽出，送外冷器被低温水冷至28C送回塔顶循环喷洒。
采取部分剩余氨水更新循环冷却水，多余循环水返回机
械化氨水澄清槽。
预冷后的焦炉煤气经过两台并联的脱硫塔,从塔顶喷淋脱硫液以吸收煤气中的HS、HCN同时吸收氨,以补充脱硫脱氰过程中消耗的氨）。
脱H2S后的煤气送入洗涤工段。
两台并联的脱硫塔都有自己独立的再生系统，吸收了HSHCN勺溶液从塔溜出，
经液封槽进入各自独立的反应槽，再经溶液循环泵送入再生塔。
同时由空气压缩机送来的压缩空气鼓入再生塔底部,溶液在塔内即得到再生。
再生后溶液经液位调节器返回各自对应的脱硫塔循环使用。
浮于再生塔顶的硫泡沫利用位差流入泡沫槽,硫泡沫经泡沫泵送入戈尔膜过滤器分离,清液流入反应槽,硫膏经压缩空气压榨成硫饼装袋外销。
为避免脱硫液盐类积累影响脱硫效果,排出少量废液送往配煤。
脱硫工艺的流程如图3.1所示。
图中L表示液位；P表示压力；T表示温度;
F表示流量；I表示指示；C表示控制；V表示阀门；Q表示累计
图3.1HPF脱硫工艺流程流程图
3.2设计内容及要求
1）.循环上水的流量范围在800~1000m/h，精度要求为土5%
2）.抽水高度（即预冷塔高度）约20m
第四章总体设计方案
4.1设计思想
设计的关键在于循环水的抽送、流量的检测和控制，分别可以通过选择合适的工业水泵、流量计、无纸记录仪和流量积分演算智能调节器、电动调节阀完成相关功能。
另外，假设氨水与循环上水的流量比值有固定要求，可增加比值器实现流量比值控制。
设循环上水的流量为主控量Q1,氨水的流量给定则为Q2s=Q1*K二者的配比为氨水：
循环上水=K1,则可用实验中的流量比值控制系统实现该控制寸环节。
4.2总体设计流程图
图4.1双闭环比值控制方块流程图
4.3硬件设计概要
硬件设计主要是智能调节器的设计，可采用单片机做实时监控芯片，结合外围电路实现流量信号的变换、采集、PID运算与控制输出等功能。
为了能实时调整PID参数，需增加键盘扫描电路；为了显示PID参数和流量的大小，需增加显示模块。
4.4硬件选型
4.4.1智能调节器的自行设计
\N转换可用OP07构成的比例放大器实现。
由于ADC0809勺转换速度只有几十微妙，相对流量的变化时间很小，可以不要保持器。
而ADC0809WDAC0832
都是八位的转换器件，理论上的控制精度可达到1/255*100%=0.4%，足以满足流
量控制的精度要求。
V/I转换可用RCV420专换器。
单片机选择STC89C5一是CMO工艺的单片机功耗较低；二是价格便宜；再者内部程序存储器有8KB的FLASHR0M能满足绝大部分工控过程实时监控程序的烧写需求。
显示部分用LCD采用长沙太阳人电子的SMC1602字符型液晶显示器。
键盘扫描可用8279加4*4矩阵键盘以中断方式实现。
4.4.2智能调节器选型
4.4.1的部分可以用虹润的HR-WP-XLS8智能调节器代替，其参数如下
①输入信号：
模拟量热电偶：
BE、J、K、S、T、WRe3-25F2
电阻：
Pt100、Pt100.1、Cu50、
Cu100、BA1、BA2
流
0-
10mA4〜20mA0〜20mA输入阻抗三250
电
Q
电
压
0〜5V、1〜5V
波形
矩形、
正弦或三角波
幅度
光电隔离，大于4V（或根据用户要求任定）
频
率
0〜10KHz（或根据用户要求任定）
②输出信号：
模拟量输出
•
DC0^
-10mA（负载电阻w750Q）
•DC4〜20mA（负载电阻W500Q）
•DC0〜5V（负载电阻》250KQ）
•DC1〜5V（负载电阻》250KQ）
报警输出
（阻性负载）
继电器控制输出一一继电器ON/OFF带回差。
AC220V/3ADC24V/6A
通讯输出
光电隔离，RS-485/RS-232C接口，波特率1200〜9600bps可设置，
采用标准MODBUSRTU信协议
馈电输出
DC2±1V,负载电流w30mA
③精度：
测量显示精度土0.5%FS或土0.2%FS
频率转换精度±1脉冲（LMS一般优于0.2%
④显示方式：
•0〜99999瞬时流量测量值显示
•0〜99999999999累积值显示
•-19999〜99999温度补偿测量值显示
•-19999〜99999压力补偿测量值显示
•-19999〜99999流量（差压、频率）测量值显
示
•高亮度LED（数码管）测量显示
•发光二极管工作状态显示
⑤设定方式：
•面板轻触式按键数字设定
•参数设定值断电后永久保存
•参数设定值密码锁定
⑥保护方式：
•断电后流量累积值时间保持大于两年，设定参数永久性保持
•电源欠压自动复位
•工作异常自动复位（WatchDog）
⑦使用环境：
环境温度0〜50r
相对湿度<85%RH
•避免强腐蚀性气体
⑧工作电源：
常规型•AC220V%（50Hz±2Hz,线性电源）
特殊型•AC90X〜265V-—开关电源
•DC24±2V——开关电源
9功耗：
•W6W（AC220V^性电源供电）
•<6W（AC9A265V开关电源供电）
•W6W（DC24V电源供电）
10重量：
500g（AC220V供电）300g（开关电源）
除智能调节器以外的硬件选择如下：
4.4.3电动调节阀选型
采用湖南力升信息设备有限公司的LSDZ-50电动调节机构，技术指标如下
出轴力矩（N.m）：
50
动作范围：
0~360°
动作时间（S）:
20
驱动电机（W）:
10
控制电路选项:
4-20mA输入
位置输出：
4-20mA直流
动力电源：
220VAC50Hz
精度：
定位精度：
0.5%，位置反馈精度：
0.5%
环境温度：
-25~+55°C
重量：
2Kg
4.4.4流量计选型
采用北京尺度方圆传感器有限公司的LWGY-250A05S技术指标如下
精度：
±0.5%R
口径：
250mm,标准量程120—1200m3/h
重复性：
0.05%〜0.2%
4.4.5比值器选型
采用虹润的HR-WP-XQS80技术指标如下
①特性
显示方式：
以双排四位LED显示第一路测量值（PV1和第二路测量值（PV2,
以红色/绿色光柱进行两路测量值百分比的模拟显示。
显示范围：
-1999〜9999字。
测量精度：
土0.2%FS或0.5%FS±0.1%FS（需特殊订制）。
分辨率：
±1字。
报警方式：
1-4个报警点控制（1AL、2AL、3AL、4AL）LED旨示。
报警精度：
±1字。
保护方式：
输入回路断线、输入信号超/欠量程报警；输入回路断线变送输出保持、最大、最小可选。
设定方式：
面板轻触式按键数字设定，设定值断电永久保存。
②运算模型
加减运算：
S0=AS1±BS2公式4.1
乘法运算：
S0=ASt除法运算：
S0=AS什BS2公式4.3
计算精度：
±）.5%FSh1字或±）.2%FSh1字
运算周期：
0.4秒
注：
SO—输出信号；S1、S2—输入信号；A、B—系数
3输入信号
热电偶：
K、E、S、B、J、T、R、Wre3-25;冷端温度自动补偿范围0〜50C，补偿准确度土1C。
热电阻：
Pt100、Cu100Cu50BA2BA1;引线电阻补偿范围w15Q。
线性电阻：
0〜400Q
远传电阻：
30〜350Q（远传压力表）。
直流电压：
0〜20mV0〜100mV0〜5V1〜5V、0〜5V开方、1〜5V开方、-5〜5V；
-10V〜10V、0〜10V（订货时需指定，与其他信号不兼容）。
直流电流：
0〜10mA4〜20mA、0〜20mA0〜10mA开方、4〜20mA开方。
输入阻抗：
电压信号Ri>500KQ。
4输出信号
输出精度：
同测量精度。
电流信号：
DC4〜20mA负载电阻RW500Q;DC0〜10mA负载电阻R<750Q。
电压信号：
DC0〜5V;DC1〜5V,负载电阻R>250KQ，否则不保证连接外
部仪表后的输出准确度。
报警输出：
继电器控制输出一继电器ON/OFF带回差，触点容量
---AC220V/1A;
DC24V/3A（阻性负载）
通讯输出：
波特率一2400、4800、9600bps内部自由设定，采用MODBUSTU通讯协议。
配电输出：
DC2±1V,负载电流<30mA
5使用环境
环境温度：
-10〜55C；环境湿度：
10〜90%RH
耐压强度：
输入/输出/电源/通讯相互之间（1000V.AC/分钟）。
绝缘阻抗：
输入/输出/电源/通讯相互之间>100MQ。
交流电源：
90〜265V（开关电源），频率：
50Hz/60Hz
直流电源：
24V±2V（开关电源）。
功耗：
<5W。
4.4.6无纸记录仪选型
采用虹润的HR-SSR单色无纸记录仪，技术指标如下
显示器：
采用160*128点阵、高亮度黄底黑字液晶屏，LED背光、画面清晰;基本误差：
0.2%F.S
输入规格：
全隔离万能输入1〜8通道信号输入，通道间全隔离，隔离电压大于400
输入阻抗：
电流：
250Q，电压>1血;
热电阻：
要求三线电阻平衡，引线电阻<10Q。
电压：
（0〜5）V、（1〜5）V、mV信号；
电流：
（0〜10）mA、（4〜20）mA;
热电阻：
PT100、Cu50、BA1、BA2;
热电偶：
S、B、K、T、E、J、R、N;
表5.1
HR-SSR万能输入量程表
输入类型
量程范围
输入类型
量程范围
U型：
0~10mA,0~5V
-9999~19999
热电偶
B型
500~1800C:
川型：
4~20mA,1~5V
-9999~19999
S型
-100~1600C
20mV
0~20mV
K型
-100~1300C
100mV
0~100mV
:
E型:
-100~1000C:
热电阻
Cu50
-50~140°C
1J型
-100~1000C
BA1
-100C〜600C
R型
-50C〜1600C
PBA2
-100C〜600C
:
N型:
-200C〜1300C
Pt100
-200~650C
T型
-100~380C
电阻0~350Q
-9999~19999
传感器配电24VDC;
输出规格：
模拟输出4-20mA输出；
12路可组态继电器触点输出：
触点容量为3A、250VAC（阻性负载）；
报警输出上上限、上限、下限、下下限；
补偿运算：
蒸汽根据IFC67公式计算蒸汽密度补偿饱和蒸汽与过
热蒸汽的质量流量或热流量。
一般气体温度、压力补偿测量标准体积流量。
天然气温度、压力补偿测量标准体积流量。
液体温度补偿测量标准体积流量或质量流量。
补偿范围：
蒸汽
压力0.1〜4.5MPa
温度100〜500E
密度0.1〜100Kg/m
比焓2508〜3224KJ/Kg
一般气体
压力0〜60MPa
温度-100〜500E
液体
温度—100〜500C
累积范围：
0〜99999999
通讯、打印：
通讯接口：
RS232C或RS485
波特率：
1200、2400、9600、57600
打印接口：
RS232（直接连接微型打印机
记录时间：
记录间隔：
1、2、5、10、15、30、60、120、240秒可选。
记录长度：
八笔记录，72小时/笔（记录间隔1秒）〜720天/笔（记录间隔4分）。
记录间隔可根据对象的不同而不同：
对于变化缓慢的信号如温度，其记录间隔可取得大些，如30秒；而对于变化比较快的信号如流量，其记录间隔可取1〜5秒；其他如液位信号，其记录间隔可取1〜10秒。
数据备份和转存：
128M、256M、512M1GU盘可选
热电偶冷端补偿误差：
土1C
断电保护时间：
内置FLASH存储器保护参数和历史数据，断电后可永久保
存。
集成硬件时钟，掉电后也能准确运行。
时钟误差：
±1分/月
供电电源：
开关电源85VAC〜265VAC，50Hz±5%
环境温度：
0
〜50C
环境湿度：
0
〜85%RH
4.4.7水泵选型
采用威乐山姆逊（北京）水泵系统有限公司的立式单级管道泵IL，技术指标如下流量范围:
900m3/h
压力范围:
最大扬程：
85m功率范围:
0.25kw至200kw说明：
需用两台泵并联抽水。
4.5
硬件电路设计系统原理图及其说明
4*4矩阵
键盘
说明：
来自变送器4~20mA的信号经I/V转换后得到0~5V的直流信号，单片机STC89C52卖取A/D转化值，经PID算法程序处理后使DAC0832俞出相应的控制量（注意图中DAC0832旨DAC模块，输出为0~5V电压量），经V/I转换后将控制信号送给电动调节阀使阀门达到一定的开度以对应给定的流量。
8279将4*4矩阵键盘的编码以中断方式（外中断0）送给单片机，通过片内程序可实现PID参数的实时调整。
LCD用来显示流量当前值、给定值与PID参数。
第五章软件设计
5.1软件设计流程图及其说明
5.1.1主函数
图5.1智能调节器（主函数流程图设计）
说明：
8279工作于二键锁定、编码方式；TO工作于定时方式1；PID参数的设置由键盘中断完成；PID运算过程和输出控制由TO中断完成；PV值为当前流量，SV为给定量。
5.1.2键盘中断函数
图5.2读键值修改PID参数中断函数
5.1.3定时器TO中断函数
图5.3定时器TO采样中断流程图
5.1.4LCD显示函数
5.1.5
图5.4LCD显示函数流程图
参数（P、Ti、Td、A、Ts）设置函数
图5.5PID参数设置函数流程图
第六章系统调试中遇到的问题及解决方法
说明：
本部分为实验调试中遇到的问题，即使用虹润智能调节器做为流量控制系统调节器遇到的问题。
6.1调试单闭环流量控制系统时遇到的问题
6.1.1阀门开度100%流量最大值才150L/h
我首先想到的是量程范围是否设置错误了，于是检查了一次智能调节器的二级参数，结果没找出错误。
于是很冒昧地请了吴老师帮忙，结果是分流开关被我开的过大导致主回路的流量过小，把分流开关关小就可以提高主回路的流量值了。
我
完全忘了那是分流开关，只好乖乖接受吴老师的批评教育了。
6.1.2无纸记录仪显示反馈流量振荡
解决方法一一增大比例带P,由200调到了800,反馈流量最终能稳定在给定值200L/h附近，此时调节时间（由振荡到稳定在给定值土%5为150s，未达到控
制要求。
6.1.3调节时间过大
解决方法：
减小积分时间Ti，由30s减小到22.5s，调节时间减少到100s左右然后增加微分时间Td,由0增加到0.5s，可使调节时间小于90s，达到控制要求。
同时，从无纸记录仪上观察到流量过渡曲线（在给定值200与给定值300之间）超调小于5%稳态误差也小于土5%各项指标达到控制要求。
之后又多试了几组参数，最终得到较为理想的一组参数如下
比例带P=620,积分时间Ti=22.5s，微分时间Td=0.5s，运算周期To=2s。
对应流量控制指标为：
从200L/h到300L/h，调节时间为80s，无超调，稳态误差土2%
6.2调试流量比值控制系统时遇到的问题
6.2.1不了解比值器的连线方式
实验时第一次接触比值器，虽然知道X、丫是输入，Z是输出，但不知道面板上标的X、丫Z该怎么连线，问搭档和周围的同学没人知道，看实验指导书也没有介绍怎么接线，因为怕接错了把仪表烧坏，所以求吴老师指导。
在吴老师的细心指导下我了解了比值器中的信号为直流电流信号，所以无论输入或者输出都要串
联连接。
而且由公式4.1、公式4.2、公式4.3可知比值器应工作在运算方式2
（即加法运算，公式4.1），比例因子A即为流量比值K,比例因子B置0。
6.2.2副回路流量为0,与给定200L/h有明显偏差，但调节器无输出
“有偏差就肯定有控制输出”，本着这个想法，我怀疑是不是接线有问题，于是检查了一次接线，可是没发现错误。
接着我想到了输出是有的，可能极性反了，即调节器的正反作用设置有误。
结果一查二级参数，调节器工作在正作用方式下,将其改为反作用方式后电动调节阀立刻产生动作，流量迅速提升。
先去掉
这完全可以肯定振荡与比例带无关，可以考虑调节积分时间和微分时间
FC2的微分作用，使Td=O,观察无纸记录仪发现副回路流量不再振荡。
624主回路已稳定，改变比例K时副回路的过渡时间（2分钟）太长
要使副回路响应加快首先可以调节FC2的比例带P,可是调小了容易振荡，调大了对减少调节时间的作用不明显。
于是将FC2的比例带固定在680,减小积分时间Ti，使Ti=7.5s，结果可使调节时间减少到70s。
最后多试了几组参数，最佳的参数如下
主回路保持单闭环实验的参数不变，副回路调节器FC2的比例带P=680,积分时
间Ti=7.5s，微分时间Td=0,运算周期To=2s,积分分离值AT=100可得控制指标为
①主回路Q1稳定，改变比值K:
畐寸回路的调节时间为80S,无超调，稳态误差土
2%
②比值K确定，主回路Q1随给定Qs改变：
主回路Q1的过渡时间为75s，无超调，稳态误差小于土5
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