计算机控制系统课程设计：THFCS-1型实验装置----比值控制系统设计Word文档下载推荐.docx

计算机控制系统课程设计：THFCS-1型实验装置----比值控制系统设计Word文档下载推荐.docx

《计算机控制系统课程设计：THFCS-1型实验装置----比值控制系统设计Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制系统课程设计：THFCS-1型实验装置----比值控制系统设计Word文档下载推荐.docx（60页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

关键词：

流量比值；

WINCC；

SETP7;

PID控制

Abstract

Thereisalargeamountofproductionprocessintheindustryaccordingtotheratioofrawmaterials,requiringrawmaterialsproportioningcontrol,butproportionschangeoftenmeansthatthedeclineinoutput,declineinquality,energywaste,waste,highercostsofmaterials,environmentalpollution,andevenaccidents.Inchemicalindustry,oilrefineriesandotherindustrialprocesses,processoftenrequirestwoormorematerialstomaintainacertainratio,proportionsoncethedisorder,affectingproductionorcausingaccidents.Batchingaccuracylevelconstraintsthroughouttheproductionoftheproductqualityandoutput,sobatchingprocesscontrolshouldbegivenadequateattention.

ThisarticlemainlyPLC300programmingusingSetp7software,electricvalveandPIDcontrolinverter,theelectricvalveserviceroadsliproadtrafficflowandfrequencyconverterreachesacertainratio,beingflowratiocontrolsystemInterfacebetweenthecomputerandisdrawnthroughtheconfigurationsoftwareWINCC,andtomonitorreal-timecurve,flowmeasurements,parameterstuningpurposes.

Keyword：

Flowratio;

WINCC;

Setp7;

PIDcontrol

目录

绪论 1

1 比值控制系统概述 2

1.1 比值控制系统定义 2

1.2 比值控制原理 2

1.3 比值控制系统特点 3

1.4 比值控制系统的类型 3

1.4.1 开环比值控制系统 4

1.4.2 单闭环比值控制系统 4

2 流量比值控制系统方案设计 7

2.1 控制系统设计 7

2.2 硬件设计 7

2.3 电控箱接线设计 10

3 下位机硬件组态和程序设计 12

3.1 西门子PLCS7-300 12

3.1.1 S7-300系统结构 12

3.1.2 S7-300CPU模块 12

3.2 STEP7设计 13

3.2.1 建立工程 13

3.2.2 硬件配置 13

3.2.3 程序设计 15

3.2.4 上位机与下位机程序设计涉及到的设置 20

4 上位机组态与程序设计 24

4.1 WinCC的发展及应用 24

4.2 Wincc监控组态与程序设计 25

4.2.1 变量设置 25

4.2.2 创建过程画面 29

4.3 WiNCC组态软件的通讯 33

5 系统的整定及调试 36

5.1 PID控制器 36

5.1.1 PID控制器的优点 37

5.1.2 PID控制器的数字化 37

5.1.3 控制规律的选择 38

5.2 PID控制器参数的调节及其对控制性能的影响 40

5.2.1 比例控制对控制性能的影响 40

5.2.2 积分控制对控制性能的影响 41

5.2.3 微分控制对控制性能的影响 43

5.3 控制系统的整定 45

5.3.1 控制系统整定的基本要求 45

5.3.2 调节器参数的整定方法 45

5.4 调节器参数的整定及调试 48

6 结论 51

谢辞 52

参考文献 53

附录 54

V

沈阳理工大学课程设计

绪论

配料系统是许多工业生产过程的重要组成部分，其配料过程是否按照规定的配比

进行是衡量产品质量的关键。

工业生产中，常用比值控制策略来实现各种物料的配比

控制。

在水泥、冶金、医药、玻璃、建材、化工等流程工业中，配料是生产过程的重要组成部分，其配料过程是否按照规定的配比（组成产品的各种原料的比例）进行是衡量企业产品质量的关键，如果配料的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和产率，有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产酿成事故。

配料在工业过程中广泛存在，如水泥配料、煤气混合、油品调合、配煤、烧结法炼钢及氧化铝、自来水加氯消毒等。

石油炼制生产过程中，把两种或两种以上基础组分油与各种添加剂按一定比例均匀混合，从而成为一种新产品的过程称为调和。

油品调合主要是指汽油、柴油、润滑

以及原油等的调和。

汽油调和是炼厂利用生产的各种汽油组分，按某种比例配方和添

剂均匀混合，得到符合质量标准的汽油产品的过程。

它是汽油成品出厂的最后一道工

和炼厂生产成品油的最后一个环节，也是保证汽油质量指标满足环保和质量规格要求

重要手段，调和效益在生产企业的经济效益中占有举足轻重的地位。

通过以上分析可见，在配料过程中对生产产品的各种原料的比值进行控制显得尤为重要，常用比值控制来解决此类问题。

比值控制的目的就是为了实现使几种物料混合符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。

1比值控制系统概述

在各种生产过程中，经常遇到生产工艺要求两个或两个以上参数成一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常运行。

例如在锅炉的燃烧系统中，要保持送进炉膛的风量和燃料成一定的比例，以保证燃烧的经济性。

为此，我们引入比值控制系统。

1.1比值控制系统定义

例如，在煤气燃烧过程中，要求煤气与助燃空气按一定配比（最佳为1：

1.05）供入燃烧室。

若助燃空气输入不足，煤气得不到充分燃烧，降低了燃烧效率，造成能源浪费，环境污染，还有可能导致环境中大量煤气积存而成为事故隐患；

若阻燃空气过量，过剩空气又将大量热量以废气形式排放，造成热能的大量浪费。

在过程控制中，实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。

通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。

这种控制方式在化工、制药领域中大量存在。

[4]

1.2比值控制原理

　在炼油、化工、制药等许多生产过程中，经常需要两种物料或两种以上的物料保持一定的比例关系。

最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求；

造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆，许多化学反应的逐个进料要保持一定的比例。

通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。

由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量Q1从动量为副流量Q2。

Q1与Q2之间的关系为

Q2＝KQ1（1-1）

式中，K为比值系数。

因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。

1.3比值控制系统特点

比值控制系统的特征:

是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。

1.主物料，也称为主动量:

在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量），因为在过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用Q1表示。

2.从物料，也称为从动量:

另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量），常用Q2表示。

3.比值系数：

若两物料的比值系数设定为K，则有：

（1-2）

1.4比值控制系统的类型

根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。

比值控制系统按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。

两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为定比值控制系统。

如果生产上因某种需要对参数间的比值进行修正时，需要人工重新设置新的比值系数，这种系统的结构一般比较简单。

两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断的修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统，这种系统的结构一般比较复杂。

比值控制系统按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统。

凡构成一个闭环以下的比值控制系统称为简单比值控制系统；

凡构成两个闭环以上的比值控制系统称为复杂比值控制系统。

比值控制系统可笼统分为：

开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、串级比值及变比值控制系统等。

下面我们一一简单介绍这五种控制系统。

1.4.1开环比值控制系统

开环比值控制系统是结构最简单的比值控制系统，其工艺流程图和原理方块图如图1-1所示。

其中FT为检测变送器，FC为比值控制器。

（1）工艺流程图

（2）原理方框图

图1.1开环比值控制系统

由原理方块图我们可以总结开环比值控制系统的特点如下：

1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。

2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系。

3）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。

开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用。

[4]

1.4.2单闭环比值控制系统

单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。

工艺流程图及原理框图如图1.2所示。

（1）工艺流程图

（2）原理方框图

图1.2单闭环比值控制系统

1.单闭环比值控制系统原理

单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量、副流量，两个变送器、调节器、执行机构和一个以作为反馈信号的闭环回路组成。

在稳定时，能实现主、副流量的工艺比值的要求，即（K为常数）。

系统原理框图如图1-3所示。

当主流量不变、而副流量受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。

主流量调节器的输出作为副流量的给定值。

当主流量受到扰动时，则按预先设置好的比值使其输出成比例变化，即改变的给定值。

根据给定值的变化，发出控制命令以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。

当主副流量同时受到扰动时，调节器在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。

它不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。

可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来方便,仅用一台比值器或比例调节器即可，因而在工业过程自动化中广泛应用。

[1]

2.单闭环比值控制系统的四种工作情况：

（1）当系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。

如图1-3单闭环比值控制系统的原理框图，由图可知：

稳态时：

图1.3单闭环比值控制系统的原理框图

当不变，受到扰动时，闭合回路进行定值控制。

当受到扰动时，输出变化，跟随变化，保证原设定的比值不变。

单闭环比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。

（2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。

（3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。

（4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。

总之,单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。

该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。

2流量比值控制系统方案设计

2.1控制系统设计

2.1.1控制系统结构

系统结构图如图2.1（a），方框图如图2-1（b）所示

图2.1单闭环流量比值控制系统

（a）结构图（b）方框图

该系统中有两条支路，一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量Q1，它是一个主流量；

另一路是来自于气动调节阀支路的流量Q2，它是系统的副流量。

要求副流量Q2能跟随主流量Q1的变化而变化，而且两者之间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。

2.2硬件设计

1、水箱

包括下水箱和储水箱。

下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高。

下水箱尺寸为：

d=35cm,h=20cm。

水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。

储水箱尺寸为：

长×

宽×

高=68cm×

52㎝×

43㎝。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

2、调节阀

气动调节阀是由气动执行机构和阀两部分组成的，气动执行机构是接收输入的气源信号，产生相应的推力，使推杆发生位移，推动阀门动作；

而阀是指与管路联接的阀体组件部分，它接受执行机构的推杆推力，改变阀杆位移，从而改变阀门开度，最终控制流体流量的变化。

系统采用SIEMENS带MPI通讯协议的气动调节阀，其型QS智能型电动调节阀QSTP-16K，电动执行机构接受4～20mA控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。

图2.2QS智能型电动调节阀

3、普通手动阀门

4、KYB压力变送器

KYB系列压力、液位变送器是在引进国外先进制造技术和设备并吸取了国外同类产品的先进工艺和关键零部件基础上发展起来的一个全新产品，可精确地连续测量液体、气体或蒸汽的压力，绝对压力或液位，并转换输出正比于被测量程的4～20mADC二线制标准信号。

5、磁力驱动泵

系统采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180w。

泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。

为三相380v恒压驱动。

6、变频流量计

7、管道

整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

有效提高了实验装置的使用年限。

其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要换水时，将球阀打开让水直接排出。

8、电控箱内安装有如下主要部件：

（1）CPU315-2DP安装有：

1）微处理器;

处理器对每条二进制指令的处理时间大约为50ns，每个浮点预算的时间为0.45µ

s。

2）256KB工作存储器（相当于大约85K条指令）；

与执行程序段相关的大容量工作存储器可以为用户程序提供足够的空间。

作为程序装载存储器的微型存储卡（最大为8MB）也允许将可以项目（包括符号和注释）保存在CPU中。

装载存储器还可用于数据归档和配方管理。

3）灵活的扩展能力;

多达32个模块，（4排结构）

4）MPI多点接口;

集成的MPI接口最多可以同时建立与S7-300/400或编程设备、PC、OP的16条连接。

在这些连接中，始终为编程器和OP分别预留一个连接。

通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。

（2）I/O模块

SM323DI8/DO8*DV24

SIMATICS7-300的数字输入/输出模块，使控制器灵活地与任务相适应，用于连接数字传感器和执行元件。

SM323-1BH01-0AA0是8点输入，8点输出，可同时控制的输入点数，最高40°

C可同时控制的输入点数。

SM331AI8*12BIT

SIMATICS7-300的模拟输入模块，能够让控制器灵活地与任务相适应，用来连接模拟传感器。

SM331-7KF02-0AB0是8点输入。

SM332AO4*12BIT

SIMATICS7-300的模拟输出模块，使控制器灵活地与任务相适应，用来连接模拟执行元件。

SM332-5HD01-0AB0是8点输出。

（3）变频器型号FR-0720S-0.4k-CHT。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

D700系列产品为多功能、紧凑型产品，多用于起重、电梯、包装、机械、抽压机等行业。

具有通用磁通矢量控制方式，在1Hz情况下，可以使转矩提高到150%。

扩义浮辊控制和三角波功能。

带安全停止功能，实现紧急停止有二种方法，通过控制MC接触器来切断输入电源或对变频器内部逆变模块驱动回路进行直接切断，以符合欧洲标准的安全功能，目的是节约设备投入。

9、控制平台

1）PC机

2）CP5611（MPI）数据采集卡及其驱动程序。

西门子CP5611卡可以实现PC（计算机）与SIMATICS7之间的PROFIBUS/MPI通讯连接;

并且CP5611可支持以下软件:

STEP7V.52及以上；

SOFTNET-S7；

SOFTNET-DP；

SOFTNET-DP从站；

COMPROFIVUSV3.3及以上；

STEP7-Micro/WINV3.1及以上；

ProTool,ProToo/Pro；

NCMPC。

3）WINCC组态软件

4）STEP7软件

2.3电控箱接线设计

电动阀支路流量计

PIW272PQW288

SM331SM332

PIW274PQW290

电动调节阀

变频器支路流量计

变频器

图2.3模拟量模块接线图

根据本设计要求在电控箱里接线，设计用到PLC模拟量输入模块SM331，模拟量输出模块SM332。

电控箱内接线表如表2.1

表2.1电气接线表

名称

I/O口

地址

AI0

PIW272

AI1

PIW274

电动阀

AO0

PQW288

AO1

PQW290

3下位机硬件组态和程序设计

3.1西门子PLCS7-300

3.1.1S7-300系统结构

S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块（PS），CPU，信号模块（SM），功能模块（FM），接口模块（IM）和通信处理器（CP）都安装在导轨上。

轨道是一种专用的金属机架，只需要将模块挂在DIN标准的安装轨道上，然后用螺丝锁紧就可以了。

有多种不同长度规格的导轨供用户选择。

电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。

如果有接口模块，它放在CPU模块的右侧。

S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。

背板总线集成在模块上，模块通过U形总线连接器相连，每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。

安装时先将总线连接器插在CPU模块上，并固定在导轨上，然后依次装入各个模块[13]。

3.1.2S7-300CPU模块

S7-300有20种不同型号的CPU，分别适用于不同等级的要求。

有的CPU模块集成了数字量I/O，有的同时集成了数字量I/O和模拟量I/O。

CPU内的元件封在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示LED，模式选择开关和通信接口。

大多数CPU还有后备电池盒，存储器插槽可以插入多达数兆字节的FlashEPROM微存储器卡（简称MMC