基于组态软件的液位单回路过程控制系统设计.doc

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工业过程控制

课程设计

题目:

基于组态软件的液位单回路过程控制系统设计

院系名称：

电气工程学院

专业班级：

自动化11xx

学生姓名：

xxxxxx

学号：

2011239103xx

指导教师：

xxxxxxx

设计地点：

设计时间：

2014.6.23~2014.7.4

设计成绩：

指导教师：

1设计目的与要求

1.1设计目的

通过组态软件，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液位单回路过程控制系统。

1.2设计要求

1.根据液位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.根据液位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转换与通讯模块。

4.运用组态软件，正确设计液位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。

2系统结构的设计

2.1控制方案

目前工业上常用的控制规律主要有：

位式控制、比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。

简单控制系统一般是单回路控制系统，由于其结构简单并且能够满足大多数控制质量的要求，因此在生产过程控制中得到了广泛的应用，是生产过程控制中最基本的一种控制系统。

一个单回路反馈系统是由测量变送器装置、控制器、和被控对象所组成，按其被控变量类型的不同可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。

控制系统设计时针对某一特定生产对象进行的，当系统安装完成之后，控制效果主要取决于控制器的参数设定整定。

选择合适的比例度、积分时间、微分时间是保证和提高系统控制质量的主要途径。

单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输出变量为水箱液位。

单回路PID控制的被控制量是水位，控制量是进水门、出水门开度。

通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的控制效果。

PID调节器构成的闭环控制回路一般原理如图1所示

图1控制系统方框图

控制规律选择：

目前工业上常用的控制规律主要有：

比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。

本方案采用比例积分微分控制。

比例控制——克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。

是最基本的控制规律。

但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。

使用于滞后较小、负荷变化不大、允许被控变量存在余差的场合。

比例积分控制——在比例作用下引用积分作用，虽然会使系统的稳定性降低，但没有余差。

适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、不允许被控变量存在余差的场合。

比例微分控制——引入了微分作用，具有超前控制作用，在被控对象具有较大滞后时，会有效的改善控制质量。

但对于滞后小干扰作用频繁，含有高频噪声的系统，将可能使系统产生振荡，甚至失控。

比例积分微分控制——综合了比例、积分、微分控制规律的优点。

适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。

该方案的控制目标是使水位达到平衡状态，通过控制电动调节阀改变阀门开度，来控制流量的大小，从而来控制水位。

选择阀门开度为控制量，水位为被控量。

控制规律选择PID控制规律。

2.2控制结构示意图

流量变送器把得到的信号经A/D模块，把模拟信号转化成数字信号，送入计算机。

此信号与给定值相比较得出偏差，通过D/A模块，把数字信号转化成模拟信号送给系统。

系统根据反馈值调节阀门的开度。

系统示意图如图2所示：

图2系统示意图

3过程仪表以及模块的选择

3.1.1液位传感器的选择

液位传感器用来对上水箱和下水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影响，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送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、可靠性大大提高。

3.1.2电磁流量传感器

电磁流量传感器是对通过流量计水流流量实时监控，能够很准确地测定水流的流量。

采用德国西门子KXV616型电磁流量传感器，测量准确、可靠性高、操作作简便等。

3.1.3．电动调节阀的选择

电动调节阀对控制回路流量进行调节。

采用德国PS公司进口的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运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，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，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等特点。

3.1.4水泵的选择

丹麦格兰富循环水泵。

噪音低，寿命长，功耗小，220V供电即可，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。

3.1.5变频器的选择

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，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。

3.2模块的选择

本控制过程主要有A/D转化模块、D/A转化模块和开关I/O模块。

过程模块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。

A/D模块采用nudan7017；D/A模块采用nudan7024；通讯模块采用nudan7520。

4系统安装接线设计

I/O接线:

实验中DA模块中

IO0为控制调节阀开度的控制通道，

IO1为可控硅的电压控制通道，

IO2为变频器的控制通道。

AD模块中

IN1为水箱液位的检测，

IN5是阀位反馈信号检测，

IN6是水泵出中水位信号检测

5系统组态设计

5.1系统组态流程图设计

根据测试要求，首先打开系统启动按钮，选择进入手动或自动状态（默认进入手动状态），如果进入手动状态，则打开阀门，可以设定给定值SP和阀门开度控制Uk0来控制水箱水位，手动控制直到达到工艺要求；如果选择自动状态，打开所有阀门，设定给定SP,调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数进而控制阀门开度，直到上水箱液位恒定。

工艺流程图如图3所示：

.

图3工艺流程图

5.2组态画面设计

5.2.1组态总体画面

5.2.2数据词典

5.3应用程序

PID运行程序

EI=SV-PV;

if（I1==0）

{Q1=0;}

Q0=P1*（EI-EI1）;

if（I1!

=0）

{Q1=P1*EI*0.2/I1;}

Q2=P1*D1*（EI-2*EI1+EI2）/0.2;

MX=Q0+Q1+Q2;

OP11=OP11+MX;

if（OP11<0）

{OP11=0;}

if（OP11>100）

{OP11=100;}

EI2=EI1;

EI1=EI;

}

else

{MAN_OP1+MX;

MX=0;

if（OP11<0）

{OP11=0;}

if（OP11>100）

{OP11=100;}

设计心得

通过此次设计，我掌握了流量单回路控制系统的构成。

知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变松组成。

并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤。

了解到，一般情况下，它都要经过一下几个步骤：

认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等，直到最后的动画链接成功，并达到控制要求。

经过以上步骤，我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会，也学会了很多与设计相关的知识。

对组态王软件也有了很大的了解，学会了初步的应用。

认识到了组态王的一些应用情况，组态王软件的组成与功能，其应用程序项目如何建立，数据词典如何建立，动画如何进行链接，命令语言程序如何编写，趋势曲线如何建立，还有I/O设备的配置和组态网络的建立等等一系列与组态王软件应用相关的知识。

总的来说，这次设计是一次收获很大的设计，学到了很多教学中学不到的东西，对我的动手能力有了很大的帮助。

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，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sp作为给定值，pv作为反馈值即AD设备的转换值，作为偏差。

PID控制算法流程图见附录B。

附录BPID控制算法流程图

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