基于組態(tài)軟件的雙容液位單回路控制系統(tǒng)設計.doc

鍵入文字工業(yè)過程控制課程設計題 目: 基于組態(tài)軟件的雙容液位單回路控制系統(tǒng)設計 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 自動化 學生姓名： WH 學 號： 指導教師： Ml 設計地點： 設計時間： 2010年6月24日 設計成績： 指導教師： 本欄由指導教師根據大綱要求審核后，填報成績并簽名。摘 要液位控制系統(tǒng)是生產過程中的一類常見問題。在雙容水箱中，我們需要實時檢測和調節(jié)水箱水位，為為了最大程度上減輕了人們工作負擔，需要設計一個組態(tài)王液位控制系統(tǒng)對水箱的水位進行實時檢測。雙位水箱串級控制系統(tǒng)是被測對象由兩個不同容積的水箱串聯(lián)組成，故稱其為雙容水箱，控制原理是通過水泵將儲水箱中的水送上水箱，通過閥門對其控制，使其可以合理的進行儲水，當然，如果進水量大于出水量，則自動通過溢水口排入儲水箱。關鍵詞：組態(tài)王 液位控制、實時檢測、雙容水箱目 錄0 設計任務書. .11 設計目的22 控制要求23 系統(tǒng)結構設計23.1 控制方案23.2 控制規(guī)律33.3 過程儀表及過程模塊43.3.1 液位變送器43.3.2 電動調節(jié)閥43.3.3 變頻器53.3.4 水泵63.3.5 模擬量采集模塊63.3.6 模擬量輸出模塊63.3.7 通信轉換模塊63.3.8 開關電源73.4 硬件連接74 系統(tǒng)組態(tài)設計94.1 組態(tài)軟件介紹94.2 系統(tǒng)流程圖104.3 系統(tǒng)組態(tài)圖114.4 數據詞典134.5 組態(tài)畫面144.6 動畫連接154.7 PID控制算法16設計心得17參 考 文 獻17附錄 程序代碼18工業(yè)過程控制課程設計任務書之六學生姓名王鶴專業(yè)班級自動化0806學號200848280621題 目基于組態(tài)軟件的雙容液位單回路過程控制系統(tǒng)設計課題性質課題來源自擬題目指導教師主要內容通過某種組態(tài)軟件，結合實驗室已有設備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據較快較穩(wěn)的性能要求，采用單閉環(huán)控制結構和PID控制規(guī)律，設計一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的雙容液位單回路過程控制系統(tǒng)。任務要求1. 根據雙容液位單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。2. 根據雙容液位單回路過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關I/O的需要，正確選用過程模塊。3. 根據與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉換與通訊模塊。4. 運用組態(tài)軟件，正確設計雙容液位單回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。5. 提交包括上述內容的課程設計報告。主要參考資料1 組態(tài)王軟件及其說明文件2 陳夕松. 過程控制系統(tǒng)M. 科學出版社,20113 工業(yè)過程控制實驗指導4 輔導資料審查意見指導教師簽字： 年 月 日 1 設計目的（1） 加深對過程控制系統(tǒng)基本原理的理解和對過程儀表的實際應用能力。（2） 培養(yǎng)運用組態(tài)軟件和計算機設計過程控制系統(tǒng)的實際能力。2 控制要求（1）能根據具體對象及控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。（2）能夠根據過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關I/O的需要，正確選用模塊。（3） 能根據與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉換與通訊模塊。（4）能運用組態(tài)軟件，正確設計過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。3 系統(tǒng)結構設計3.1 控制方案串級控制系統(tǒng)是一種常見的復雜控制系統(tǒng)，它是根據系統(tǒng)結構命名的。一、基本原理：它是由兩個或者兩個以上的控制器串聯(lián)而成的，一個控制器的輸出是另一個控制器的的給定值。二、結構：整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，即主回路和副回路。主回路有主控制器、副回路、主對象和主變送器構成；而副回路由副控制器、控制閥、副對象和副變送器構成。三、特點：與簡單控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)由于在結構上增加了一個副回路，所以有以下特點(1)、對于進入副回路的擾動具有較快、較強的克服能力。(2)、改善主控制器的廣義對象的特性。(3)、對符合和操作條件的變化有一定的自適應能力。(4)、副回路可以按照主回路的需要更精確地控制操縱變量的質量流和能量流。四、應用場合：(1)、用于克服變化劇烈的和幅值大的干擾。(2)、用于時滯較大的對象。(3)、用于容量之后較大的對象。(4)、用于克服對象的非線性。本控制系統(tǒng)中，被控參量有兩個，上水箱的液位和下水箱的液位，這兩個參量具有相關關系。上水箱的液位可以影響下水箱的液位，根據上下水箱的液位相關關系，故系統(tǒng)采用的串級控制。其中，內環(huán)控制上水箱的液位，外環(huán)控制下水箱的液位，系統(tǒng)遠行使下水箱的液位跟隨給定值，系統(tǒng)框圖如下圖3.2所示圖3.1雙容液位單回路控制系統(tǒng)結構圖計算機計算機調節(jié)閥液位液位液位變送器液位變送器x1(t)z1(t)z2(t)x1(t)e(t)u(t)g(t)f1(t)f2(t)q(t)y(t)圖3.2雙容液位單回路控制系統(tǒng)框圖3.2 控制規(guī)律本設計采用的是工業(yè)控制中最常用的PID控制規(guī)律，內環(huán)與外環(huán)的控制算法采用PID算法，PID算法實現簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán)PID的輸出作為內環(huán)的輸入，內環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。它結構簡單，參數易于調整，在長期的應用中積累了豐富的經驗。其主要特點是：(1)技術成熟；PID調節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術最成熟、應用最廣泛的控制方法，它的結構靈活，不僅可實現常規(guī)的PID調節(jié)，而且還可根據系統(tǒng)的要求，采用PI、PD、帶死區(qū)的PID控制等；(2)不需求出系統(tǒng)的數學模型；(3)控制效果好。雖然計算機控制是非連續(xù)的，但由于計算機的運算速度越來越快，因此用數字PID完全可代替模擬調節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。3.3 過程儀表及過程模塊本設計中共用到了以下過程儀表和過程模塊：3.3.1 液位變送器液位傳感器是用來上位水箱和下位水箱的液位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，采用高品質，低功耗精密器件，穩(wěn)定性和可靠性大大提高?？煞奖愕呐c其他DDZIIIX型儀表互換配置，并能直接交換同類儀表。校驗的方法是通電預熱十五分鐘后，分不在零壓力和滿程壓力下檢測輸出電流值。在零壓力下調整零電位器。使輸出電流為4mA，在滿程壓力下調整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級，因為二線制，故工作時需串聯(lián)24V直流電源。液位傳感器用來上水位箱和中水位箱的水位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，精度為0.5級，二線制420mA標準信號輸出。3.3.2 電動調節(jié)閥調節(jié)閥用于調節(jié)介質的流量、壓力和液位。根據調節(jié)部位信號，自動控制閥門的開度，從而達到介質流量、壓力和液位的調節(jié)。調節(jié)閥分電動調節(jié)閥、氣動調節(jié)閥和液動調節(jié)閥等。調節(jié)閥由電動執(zhí)行機構或氣動執(zhí)行機構和調節(jié)閥兩部分組成。調節(jié)并通常分為直通單座式和直通雙座式兩種，后者具有流通能力大、不平衡辦小和操作穩(wěn)定的特點，所以通常特別適用于大流量、高壓降和泄漏少的場合。德國PS公司進口的PSL202型智能電動調節(jié)閥，PS系列電子式執(zhí)行機構可以用于對管道的閥門和風門的調節(jié)及開與關的控制，其主要特點如下：一體化結構設計，位置變送器和伺服放大器作為兩個獨立部件均可直接裝入執(zhí)行機構內部，直接接受420mA的控制信號，輸出420mA或者15VDC的閥位反饋信號，具有自診斷功能，使用和調校十分方便。功能模塊式結構設計，通過不同可選擇功能的組合，實現從簡單到復雜的控制，滿足不同的應用要求。結構簡單，體積小巧，重量輕，便于安裝和維護，機械零件全部采用CNC加工部件，工藝精湛。傳動全部采用小齒隙密封齒輪，具有效率高，噪聲低，壽命長和穩(wěn)定可靠，無需再加油等特點。具有多種運行速度，可以滿足各種控制系統(tǒng)的要求，以保證系統(tǒng)的快速響應及穩(wěn)定性。PSL系列同閥門的連接采用柔軟盤黃連接，可避免閥桿與輸出軸不同軸給閥門帶來的影響，可預置閥門關斷能力保證閥門的可靠關斷，防止泄露。PSQ系列有轉矩開關保護，可防止因閥門產生過大轉矩而損壞閥桿。驅動電機采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步電機，運行平穩(wěn)，具有體積小、轉矩大、抗堵轉、控制精度高等特點。可設置分段調節(jié)，即由一臺調節(jié)器輸出的雙時間比例信號控制兩臺執(zhí)行機構（412mA對應PSL1的全開全閉，1220mA對應PSL2的全開全閉）閥位反饋元件全密封高精度多圈電位器，具有體積小、精度高、死區(qū)小、使用壽命長等特點。行程可調，便于與閥門連接。全部電器元件均采用世界名牌產品，質量可靠，使用時間長。電器部件布線嚴謹并傳動部件完全隔離，提高執(zhí)行機構運行性的可靠。圖3.3 電動調節(jié)閥3.3.3 變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器實際上就是一個逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對直流電進行開關.變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅.并設一個可調頻率的裝置.使頻率在一定范圍內可調.用來控制電機的轉數.使轉數在一定的范圍內可調.變頻器廣泛用于交流電機的調速中.變頻調速技術是現代電力傳動技術重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯，所以應用越來越廣泛。三菱FR-S520變頻器，4-20控制輸入信號，可對流量或者壓力進行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強大，運行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制頻率。可單相或者三相供電，頻率可高達200HZ。3.3.4 水泵水泵是一種利用大氣壓強將低處的水汲往高處的機器,多半是以電動機作為動力。抽水的電動機泵通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力 , 即把原動機的機械能變?yōu)橐后w能量從而達到抽送液體目的的機器統(tǒng)稱為泵。這里采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。不會影響教師授課減少麻煩。功耗低，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構成恒壓供水系統(tǒng)。 圖3.4水泵3.3.5 模擬量采集模塊模擬量輸入模塊可測量多通道交流電壓、電流輸入信號。測量精度：0.2級。16位A/D循環(huán)采樣，采樣速率：3000次/S；1.2倍量程可正確測量，過載2倍量程輸入1S不損壞；隔離電壓1000VDC。模擬量輸出模塊輸出標準電流信號，可用于驅動繼電器、開關等。這用A/D牛頓7017模塊8路模擬電壓（1-5V）3.3.6 模擬量輸出模塊 D/A牛頓7024模塊4路模擬輸出，電流(420mA) 電壓（15V）信號均可。3.3.7 通信轉換模塊485/232轉換牛頓7520模塊，轉換速度極高（300115KHz），232口可長距離傳輸。 圖3.5 牛頓模塊示意圖3.3.8 開關電源 DC24的開關電源，最大電流為2A，可以滿足實驗要求。3.4 硬件連接本系統(tǒng)中，D/A模塊中的IO0接口為控制器調節(jié)閥開度的控制通道，IO1為可控硅的電壓控制通道，IO2為變頻器的控制通道。A/D模塊中，IN0為上水箱液位的檢測，IN1為下水箱液位的檢測，IN2為主流量的檢測，IN3誤為副流量的檢測，IN4為溫度信號的檢測，IN5為閥位反饋信號的檢測，IN6為水泵出口壓力信號的檢測。在D/A模塊中，由于模塊本身不能提供電源，所以在控制時應串入24V直流電源，輸出電流信號控制執(zhí)行器，AGND為D/A模塊公共地。由于變送器輸出的都是電流信號，而A/D模塊輸出的都是電壓信號，所以在A/D通道的正負端并聯(lián)一個250歐姆的電阻，將電流信號轉換成電壓信號。 系統(tǒng)采用的液位變送器，壓力變送器都是二線制的，在檢測液位工作時要串入DC24V電源。連接圖如圖3.6所示：圖3.6 上水箱特性測試實驗接線圖接線要求：（I/O對應關系表）（1）上水箱液位的檢測輸出-A/D模塊中，IN0通道輸入（2）下水箱液位的檢測輸出-A/D模塊中，IN1通道輸入（3）主流量的檢測輸出-A/D模塊中，IN2通道輸入（4）副流量的檢測輸出-A/D模塊中，IN3通道輸入（5）溫度信號的檢測輸出-A/D模塊中，IN4通道輸入（6）閥位反饋信號的檢測輸出-A/D模塊中，IN5通道輸入（7）水泵出口壓力信號檢測輸出-A/D模塊中，IN6通道輸入（8）主調節(jié)閥開度的控制輸入-D/A模塊中的IO0通道輸出（9）可控硅的電壓控制輸入-D/A模塊中的IO1通道輸出(10) 變頻器的輸入-D/A模塊中的IO2通道輸出(11) 副調節(jié)閥開度的輸入-D/A模塊中的IO3通道輸出(12) 模塊之間用RS485總線連接(13) 模塊與計算機通訊：RS232通訊總線。(14)副閥位反饋信號檢測輸出A/D模塊中，IN7通道輸入4 系統(tǒng)組態(tài)設計4.1 組態(tài)軟件介紹隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，計算機在工業(yè)領域的廣泛應用，人們對工業(yè)自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領域的應用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時，當工業(yè)被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致它的價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若原來的編程人員因工作變動而離去時，則必須同其他人員或新手進行源程序的修改，因而更是相當困難。通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件的出現為解決上述實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。組態(tài)（Configuration）為模塊化任意組合。通用組態(tài)軟件主要特點有（1）延續(xù)性和可擴充性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應用程序，當現場（包括硬件設備或系統(tǒng)結構）或用戶需求發(fā)生改變時，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級；（2）封裝性（易學易用），通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術（甚至不需要編程技術），就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能；（3）通用性，每個用戶根據工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O Driver、開放式的數據庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據和曲線并存、具有多媒體功能和網絡功能的工程，不受行業(yè)限制。 最早開發(fā)的通用組態(tài)軟件是DOS環(huán)境下的組態(tài)軟件，其特點是具有簡單的人機界面（MMI）、圖庫、繪圖工具箱等基本功能。隨著Windows的廣泛應用，Windows環(huán)境下的組態(tài)軟件成為主流。與DOS環(huán)境下的組態(tài)軟件成為主流。與DOS環(huán)境下的組態(tài)軟件相比，其最突出的特點是圖形功能有了很大的增強。國外許多優(yōu)秀通用組態(tài)軟件是在英文狀態(tài)下開發(fā)的，它具有應用時間長、用戶界面不理想、不支持或不免費支持國內普遍使用的硬件設備、組態(tài)軟件本身費用和組態(tài)軟件培訓費用高昂等因素，這些也正是國內通用組態(tài)軟件在國內不能廣泛應用的原因。隨著國內計算機水平和工業(yè)自動化程度的不斷提高，通用組態(tài)軟件的市場需求日益增大。近年來，一些技術力量雄厚的高科技公司相繼開發(fā)出了適合國內使用的通用組態(tài)軟件。4.2 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖如圖4.1所示：圖4.1 系統(tǒng)流程圖4.3 系統(tǒng)組態(tài)圖 系統(tǒng)組態(tài)圖如圖4.2所示：PID2OUTPID1LSB1手動自動LSB2PV2U（K）OUT自動手動PV1圖4.3 控制系統(tǒng)組態(tài)圖4.4 數據詞典數據詞典如圖4.3所示：圖4.3 數據詞典4.5 組態(tài)畫面在液位液位PID控制系統(tǒng)中，以液位為被控量。其中，測量電路主要功能是測量對象的液位并對其進行歸一化等處理；PID控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它根據設定值和測量值的偏差信號來進行調節(jié)，從而控制雙容水箱的液位達到期望的設定值。 單回路調節(jié)系統(tǒng)可以滿足大多數工業(yè)生產的要求，只有在單回路調節(jié)系統(tǒng)不能滿足生產更高要求的情況下，才采用復雜的調節(jié)系統(tǒng)。 組態(tài)畫面如圖4.4所示，其設計原理可見圖4.1系統(tǒng)流程圖。圖4.4 組態(tài)畫面4.6 動畫連接首先根據系統(tǒng)流程圖在系統(tǒng)開發(fā)界面畫好組態(tài)圖面，然后對各個器件逐一完成動畫連接，最后在工程瀏覽界面中的命令語言中輸入程序，即完成了動畫。如圖4.5動畫連接示例圖1所示為，系統(tǒng)未起動時的動畫效果，其中各參數均沒有設定。圖4.6動畫連接示例圖2與圖4.7動畫連接示例圖3分別為系統(tǒng)運行時的動畫連接圖，由于參數不同時所顯示不同的動畫效果和曲線。 當系統(tǒng)運行時，首先設定PID調節(jié)參數，根據要求設定給定值，觀察連接圖，根據需要調節(jié)PID參數。最給達到所要的穩(wěn)定的控制效果。圖4.5 動畫連接示例圖1圖4.5 動畫連接示例圖24.7 PID 控制算法流程圖取sp , pv形成偏差e(k)取a0 , e(k)做乘法取a1 , e(k-1)做乘法取a2 , e(k-2)做乘法做a2e(k-2)減a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)+u(k-1)輸出u(k)數據傳送：u(k)u(k-1)數據傳送：e(k)e(k-1)e(k-1) e(k-2)圖 PID控制算法流程圖設 計 心 得通過本次課程設計，充分將平時學習的理論知識與實踐操作相結合，在理論和實驗教學基礎上進一步穩(wěn)固和提高自己理論知識結構，通過將所學知識應用于實際中去，在實際中發(fā)現問題、分析問題、解決問題，提高分析和解決問題能力。本次課程設計的題目是雖然是第一次接觸，可以說是一頭霧水，但通過指導老師細心輔導和同學們的大力支持和幫助下，經過認知被控對象、設計控制方案、選擇控制規(guī)律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、設計系統(tǒng)流程圖和組態(tài)圖、設計組態(tài)畫面、設計數據詞典等過程，直到最后的動畫鏈接成功，并達到控制要求。經過以上步驟，我對整個過程控制系統(tǒng)的設計有了很深的體會，也學會了很多與設計相關的知識。此次課程設計使我對組態(tài)王軟件的認識與了解及應用,深入地了解到科學的嚴謹性，自己從中受益匪淺，不但擴大了我的視野，提高了我的認識和認知能力，同時，我也讓我深刻的認識到，在此次課程設計中暴露出來不少問題：我們