基于组态软件的温度单回路过程控制系统设计.docx
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基于组态软件的温度单回路过程控制系统设计
工业过程控制
课程设计
题目：
基于组态软件的温度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：
学生姓名：
学号：
指导教师：
设计地点：
设计时间：
2012-6-25～2012-6-29
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
学生姓名
专业班级
学号
题目
基于组态软件的温度单回路过程控制系统设计
课题性质
课程设计
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压力单回路过程控制系统。
任务要求
1.根据压力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.根据压力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，正确设计压力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。
主要参
考资料
[1]组态王软件及其说明文件.
[2]吴勤勤.控制仪表及装置[M]．北京：
化学工业出版社，2007．
[3]陈夕松，汪木兰．过程控制系统[M]．北京：
科学出版社，2005.8．
[4]邵裕森，戴先中．过程控制工程．北京：
机械工业出版社，2000．
审查意见
指导教师签字：
年月日
摘要
锅炉是化工、冶炼、发电等作为公用民用部门必不可少的主要动力设备，其产品是蒸汽，即将一次能源（煤炭、石油、提燃气等）转换为二次能源（蒸汽）。
工业锅炉是工业生产的重要设备，往往直接影响生产的正常进行和产品的质量、产量和成本。
工业锅炉又是能耗极大的设备，在整个工业生产的能源消耗中占相当大的比重。
而燃煤锅炉又是一种广泛实用的工业锅炉，广泛地应用于国民经济各个领域。
温度控制是控制系统中最为常见的控制类型,主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成。
关键词：
锅炉温度控制组态王
目录
1绪论1
2系统方案设计1
2.1方案选取1
2.2系统框图2
2.3总体方案设计2
3系统硬件选取2
3.1仪器和仪表的选取2
3.2模块的选择4
4系统软件设计4
4.1组态王简介4
4.2组态软件设计5
4.3组态画面5
4.4控制程序9
5系统调试10
设计心得11
参考文献12
1绪论
温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。
单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。
将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。
温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
本文以它为例进行介绍，希望能收到举一反三和触类旁通的效果。
现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。
但随之而来的是巨额的成本。
在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。
运用组态软件“组态王KingView6.53”，结合工业过程实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，应用PID算法，自行设计，构成单回路温度控制系统，并整定现有相关的PID参数以使系统稳定运行，最终得到一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的温度单回路控制系统。
2系统方案设计
2.1方案选取
过程控制系统通常是指工业生产中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度等这样一些过程变量的系统，具有连续生产过程自动控制、由过程检测和控制仪表组成、被控过程多样，控制方案丰富的特点。
在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争力等方面起着越老越大的作用。
要分析、设计和应用好一个过程控制系统，首先应对被控过程做全面了解，对工艺过程、设备等深入的分析，然后应用自动控制原理与技术，拟定一个合适正确的控制方案，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降耗节能、保护环境和提高管理水品等目的。
过程控制系统可分为单回路控制系统、串级控制系统、前馈控制系统、大滞后补偿控制系统、比值控制系统、模糊控制系统等一些复杂控制系统。
为了取得较好的控制效果，基于组态软件的温度单回路过程控制系统在系统设计时，采用PID控制规律。
通过温度传感器将检测到的实时温度值与温度设定值的差值送入计算机，计算机运用PID算法得到相应的控制信号，并将其输出给执行器，然后执行器调节加热器，以达到调节温度的控制目的。
2.2系统框图
图2-1温度单回路系统结构框图
2.3总体方案设计
根据控制要求，温度单回路控制系统的控制参数是水的温度，测量便采用温度传感器，被控参数是加热器的功率，控制器是计算机，执行器是加热器，所以温度单回路控制系统的结构框图如图2-1所示。
3系统硬件选取
3.1仪器和仪表的选取
3.1.1温度传感器
测量水温的传感器采用电热阻Cu50。
热电阻Cu50在—50～150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大，测量精度越高，热补偿性好，在过程控制领域使用广泛。
系统采用三线制Cu50，温度信号经过变送单元转换成4～20mADC电流信号，便于计算机采集。
3.1.2加热器
采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电阻丝的发热功率，输入控制信号为4—20mA标准电流信号，其移相触发与输入控制电流成正比。
输出交流电压来控制加热器电阻丝的两端电压，从而控制加热罐的温度。
输入4mA电流时，加热器电阻丝的两端温度为0V，输入为20mA电流时，加热器电阻丝的两端温度为220V。
3.1.3电动调节阀
采用电动调节阀对控制回路的水的流量进行调节。
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，驱动电路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。
由输入控制信号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，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。
性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。
3.1.4其他设备
在控制回路中所涉及到的设备还有水泵，变频器，电磁阀，开关电源等。
水泵采用丹麦格兰富循环水泵。
噪音低，寿命长，扬程可达10米，功耗小，220V即可供电，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。
所用到的电磁阀的工作电源为DC24V，管段能力强，使用方便，结构简单。
所采用的24V开关电源最大电流为2A，满足系统需要。
3.2模块的选择
3.2.1D/A和A/D模块的选择
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通讯过程模块。
牛顿7000系列模块体积小，安装方便，可靠性高。
D/A模块采用牛顿7024，四通道模拟输出模块，电流输出4～20mADC，电压输出1～5VDC，精度14位。
使用7024模块的1通道I01作为可控硅的电压控制通道。
A/D模块采用牛顿7017，八通道模拟输出模块，电压输入1～5VDC。
。
使用7024模块的4通道IN4作为温度信号检测输入通道。
3.2.2通信模块
系统常用的并行总线有RS232,RS485等。
RS485更适合于多站连接，且距离传输较远，为小于1200米，是双端发双端收，在传输线上允许接的驱动器和接收器数目较多，且数据传输速率较快，正因为它具有如此优点所以价格方面比较贵。
而RS232一般适用于短距离，为小于20米。
是单端发单端收。
对此实验来讲，距离很近，且RS232就可满足系统的要求，从价格方面和其他方面考虑，本实验采用RS232通讯总线。
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，速度为300～115200BPS，可长距离传输。
控制回路中电磁阀的开关量输出模块采用牛顿7043，16通道非隔离集电极开路输出模块。
最大集电极开路电压30V，每通道输出电流100mA，可直接驱动电磁阀设备。
4系统软件设计
4.1组态王简介
组态王（Kingview）由北京亚控自动化软件有限公司开发的，该软件由中国科技大学学士、清华大学硕士林伟总设计，经数十位工程师历时五年开发成功，是最优秀的国产组态软件，居全国同类软件产销量第一。
组态王是一个具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。
应用组态王可以使工程师把精力放在控制对象上，而不是形形色色的通信协议、复杂的图形处理、枯燥的数字统计。
只需要进行填表操作，即可生成适合于用户的监控和数据采集系统。
可以在整个生产企业内部将各种系统和应用集成在一起，实现“厂际自动化”的最终目标。
4.2组态软件设计
组态王对设备的管理是通过对逻辑设备名的管理实现的，具体将就是每一个实际I/O设备都必须在组态王中指定一个唯一的逻辑名称，此逻辑设备名就对应着该I/O的生产厂家、实际设备名称、设备通信方式、设备地址、与上位计算机的通讯方式等信息内容。
系统中与上位计算机进行数据交换外部的设备主要是AD设备牛顿7017模块和DA设备牛顿7024模块。
在组态王软件工程浏览器中，设置7017模块IN4通道和7024模块i01通道名称分别为AD和DA，与计算机COM1串口通信，通信地址分别为0和1。
4.3组态画面
本系统绘制的组态画面主要有系统组成画面等。
系统主界面主要绘制的温度单回路控制系统的工艺组成图。
包括水箱，管道，锅炉和阀门等设备以及相关的操作提示按钮等。
基于动画连接，主界面可实现自动，手动切换，以及显示PID参数整定框和实时曲线框以方便操作员在线调节PID参数观察控制效果。
组态画面设计的大致步骤如下：
1：
创建一个新项目，并在这个项目里面建一个新画面，如下图4-1和4-2所示。
图4-1新建项目
图4-2新建画面
2：
构造数据库
根据控制系统的需要建立数据词典，
只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。
本系统中所涉及到的变量的类型主要有AD，DA设备进行数据交换的I/O实型变量，控制电磁阀开关的内存离散变量，用于定以开关动画连接的内存离散变量，参于PID运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型及内存整型变量等。
具体的参数词典如图4-3所示。
图4-3数据词典
3：
动画连接
所谓动画连接，就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系，建立动画连接后，根据数据库中变量的变化，图形对象可以按动画连接的要求进行改变。
建立动画连接的基本步骤：
1、创建或选择连接对象。
2、双击与变量相关的图形对象，弹出动画连接对话框。
3、选择对象想要进行的连接。
4、为链接定义输入详细资料。
图4-4动画连接
4：
最终的组态画面如下图所示：
图4-5温度单回路控制系统组态图
4.4控制程序
启动时：
Ts=20;
I=Ti/Ts;
D=Td/Ts;
ukp=0;
uk1=0;
ek1=0;
ek11=0;
ek12=0;
运行期间：
if（自动开关==1）
{Ts=15;
I=Ti/Ts;
D=Td/Ts;
a0=P*（1+1/I+D）;
a1=P*（1+2*D）;
a2=P*D;
ek1=sp-温度;
ukp=a0*ek1-a1*ek11+a2*ek12+uk11;
uk11=ukp;
ek12=ek11;
ek11=ek1;
if（ukp<1000）
{
if（ukp<0）
{uk1=0;}
else{uk1=ukp;
}
}
else{uk1=1000;}
}
关闭时：
ukp=0;
uk1=0;
ek1=0;
ek11=0;
ek12=0;
5系统调试
将系统按要求接线结束之后，检查无误后开始电源，进入了组态的控制画面，并且调入了PID的控制窗口，根据温度单回路控制系统的原理,其控制过程如下：
阀门2打开,水泵启动,阀门3关闭,加热器对液体进行加热,温度计仪表对液体温度进行检测，反馈给调节阀门2进行调节,使液体温度能又快又稳达到给定值。
液体温度高于给定值时的控制过程．阀门2打开，阀门3打开，水泵启动，对加热器进行加水，使加热器液体温度下降到给定值．
设计心得
光阴似箭，一周很快就过去了，在这短短的几天时间里，通过自己的学习和努力终于完成了这篇课程设计。
通过这次锻炼，我对各专业课的知识有了更加清晰的认识，并且对它们之间的联系也有了更为深刻的理解。
本次工业过程课程设计，以温度单回路系统作为控制系统，基于组态王6.53作为监控软件，以PID调节规律作为控制算法，完成系统的控制要求。
我是第一次使用组态王这个软件，通过这次课程设计我已能够掌握基本的使用组态王的方法。
不过，由于组态王功能强大，还有很多地方我不明白怎么做，但是我相信，在以后的时间里，一定要练习几次，争取熟练掌握组态王的使用技巧。
在这次课程设计过程中，我得到了老师的指导和同学们的真诚的帮助，在此，对他们表示感谢，谢谢你们！
完成一次课程设计就是进行了一次实习，让我们能够学以致用，懂得如何用学过的书本中的知识来解决实际问题。
这次课程设计不仅培养了我们分析问题、解决问题的能力，更使自己的双手和大脑得到了锻炼，完善了自我。
参考文献
[1]组态王软件及其说明文件.
[2]吴勤勤.控制仪表及装置[M]．北京：
化学工业出版社，2007．
[3]陈夕松，汪木兰．过程控制系统[M]．北京：
科学出版社，2005.8．
[4]邵裕森，戴先中．过程控制工程．北京：
机械工业出版社，2000．
[5]施仁，刘文江．过程控制[M].北京：
电子工业出版社，1991:
179-184.
[6]孙优贤，邵惠鹤．工业过程控制技术：
应用篇[M].北京：
化学工业出版社，2007
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