基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计.docx
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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1002
学生姓名：
学 号：
指导教师：
王伟生
设计地点：
31520
设计时间：
2013-6-24～2013-7-7
本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。
指导教师：
设计成绩：
学生姓名
毛英杰
专业班级
自动1002
学号
201046820507
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
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
19
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
目 录
1引言 4
2系统结构设计 4
2.1控制方案 4
2.2控制规律 5
3过程控制仪表的选择 5
3.1液位传感器 5
3.2电磁流量传感器 电磁流量转换器 6
3.3电动调节阀 7
3.4变频器 7
3.5水泵 8
3.6模拟量采集模块 8
3.7模拟量输出模块 9
3.8通信转换模块 9
4系统组态设计 9
4.1系统工艺流程图 9
4.2组态画面 10
4.3数据字典 12
4.4PID控制算法 13
设计心得 15
参考文献 16
附录A 系统脚本程序 17
1引言
过程控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。
f2（t）
f1（t）
X1（t）
计算机
X2（t）
e（t）
计算机
u（t）
调节阀
g（t）
流量
q（t）
液位
y（t）
Z1（t）
Z2（t）
流量变送器
液位变送器
图2.1 液位—流量串级控制系统框图
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
液位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3.1 DBYG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
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—0.3m3/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
电动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3.2 PSL202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
本系统选用三菱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。
3.5水泵
图3.3 变频器
采用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。
3.6模拟量采集模块
图3.4 丹麦格兰富循环水泵
本系统采用牛顿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
模拟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
通信模块采用牛顿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
水箱液位—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。
设定值
LC
A/D
LT
FC
D/A
A/D
FT
上水箱
储水箱
水泵
4.2组态画面
图4.1 水箱液位—流量串级控制系统的工艺流程图
系统组态画面如图4.2所示。
4.3数据字典
图4.2 系统组态画面
系统动画制作过程中的数据字典如表4.1所示。
数据字典如表4.1
变量名
变量类型
连接设备
寄存器
管道流量
I/O实型
A/D
上水箱液位
I/O实型
A/D
磁力泵
I/O离散
仿真PLC
CommErr
阀1
I/O离散
仿真PLC
CommErr
阀2
I/O离散
仿真PLC
CommErr
阀3
I/O离散
仿真PLC
CommErr
阀4
I/O离散
仿真PLC
CommErr
储水箱
I/O实型
仿真PLC
RADOM101
电动调节阀
I/O实型
D/A
RADOM105
P1
内存整型
I1
内存整型
D1
内存整型
P2
内存整型
I2
内存整型
D2
内存整型
SV
内存整型
流量计
I/O实型
A/D
自动开关
内存离散
T
内存整型
Ti1
内存整型
Ti2
内存整型
Td1
内存整型
Td2
内存整型
KP1
内存整型
KP2
内存整型
uk1
内存整型
uk11
内存整型
uk2
内存整型
uk21
内存整型
ek1
内存整型
ek11
内存整型
ek12
内存整型
q10
内存整型
q11
内存整型
q12
内存整型
ek2
内存整型
ek21
内存整型
ek22
内存整型
q20
内存整型
q21
内存整型
q22
内存整型
4.4PID控制算法
根据液位—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。
本设计采用PID位置式算法，其控制算式为：
P
P
P
u（k）=u（k-1）+K（1+T+TD）e（k）-K（1+2TD）e（k-1）+KTDe（k-2）
TI T T T
=u（k-1）+q0e（k）-q1e（k-1）+q2e（k-2）
其中，q0
=KP（1+
T
TI
+TD）
T
q1=
KP（1+
2TD）
T
q2 =
KTD
PT
开始
取设定值SV,反馈值PV
计算q2*e（k-2）-q1*e（k-1）+q0*e（k）
计算偏差
e（k）=SV-PV
计算q2*e（k-2）-q1*e（k-1）+q0*e（k）+u（k-1）
计算q1*e（k）
输出u（k）
u（k） u（k-1）
计算q1*e（k-1）
计算q2*e（k-2）
e（k-1） e（k-2）
计算q2*e（k-2）-q1*e（k-1）
e（k） e（k-1）
结束
在上述算式中，KP为比例系数，TI为积分时间，TD为微分时间。
在流程中，以u（k）做为计算机当前的输出值，SV做为设定值，PV做为反馈值，e（k）做为偏差，位置式PID控制算法的流程图如图4.3所示。
图4.3 位置式PID控制算法的流程图
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，
2010
附录A 系统脚本程序
PID控制算法的脚本程序启动时：
\\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;}
}
停止时：
\\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\uk2=0;
\\本站点\uk21=0;
\\本站点\ek2=0;
\\本站点\ek21=0;
\\本站点\ek22=0;
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