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過程控制儀表課程設(shè)計報告設(shè)計題目 指導老師 設(shè)計者 專業(yè)班級 設(shè)計日期 目 錄第一章 流量控制系統(tǒng)(實驗部分)12.1 控制系統(tǒng)工藝流程12.2 控制系統(tǒng)的控制要求52.3 系統(tǒng)的實驗調(diào)試7第二章 流量控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求92.1 控制系統(tǒng)工藝流程92.2 設(shè)計內(nèi)容及要求10第三章 總體設(shè)計方案113.1 設(shè)計思想12 3.2 總體設(shè)計流程圖13第四章 硬件設(shè)計14 4.1 硬件設(shè)計概要144.2 硬件選型154.3 硬件電路設(shè)計系統(tǒng)原理圖及其說明16第五章 軟件設(shè)計175.1 軟件設(shè)計流程圖及其說明175.2 源程序及其說明18第六章 系統(tǒng)調(diào)試及使用說明20第七章 收獲、體會21參考文獻22 設(shè)計電磁流量計為流量傳感器,單片機為核心流量控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)采用C51系列的89S52單片機為核心,通過設(shè)置89S52單片機的定時器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波【2】,對閥門電機的輸入電壓進行調(diào)制,實現(xiàn)閥門開度的變化,進而實現(xiàn)了對液體流量的控制。單片機通過電磁流量計采集實際流量信號,根據(jù)該信號對其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對PWM變量的值進行修改,從而達到對流量的閉環(huán)精確控1、設(shè)計電磁流量計為流量傳感器,單片機為核心流量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由水泵、水泵電機、流量傳感器、電動閥門、閥門電機、單片機控制系統(tǒng)等組成。2、寫出流量控制過程,繪制控制系統(tǒng)組成框圖3、利用單片機對流量進行控制 (1)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 單片機采用89S52;設(shè)計鍵盤及顯示電路,電機控制電路(可控硅,光電耦合器)。 (2)編制流量控制程序一 ,流量控制系統(tǒng)設(shè)計意義工業(yè)生產(chǎn)中過程控制是流量測量與儀表應(yīng)用的一大領(lǐng)域,流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù),人們通過這些參數(shù)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視與控制。對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學管理的基礎(chǔ)。流量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?!?】在天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)在,天然氣的計量引起了人們的特別關(guān)注,因為在天然氣的采集、處理、儲存、運輸和分配過程中,需要數(shù)以百萬計的流量計,其中有些流量計涉及到的結(jié)算金額數(shù)字巨大,對測量和控制準確度和可靠性要求特別高。此外, 在環(huán)境保護領(lǐng)域,流量測量儀表也扮演著重要角色。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴荆仨殞ξ廴敬髿獾臒煔庖约捌渌麥厥覛怏w排放量進行監(jiān)測;廢液和污水的排放,使地表水源和地下水源受到污染,人們必須對廢液和污水進行處理,對排放量進行控制。于是數(shù)以百萬計的煙氣排放點和污水排放口都成了流量測量對象。同時在科學試驗領(lǐng)域,需要大量的流量控制系統(tǒng)進行仿真與試驗。流量計在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、水利建設(shè)、生物工程、管道輸送、航天航空、軍事領(lǐng)域等也都有廣泛的應(yīng)用。二,系統(tǒng)方案1、方案整體思路液體流量控制通常采用電動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn),近年來,電動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和控制方式發(fā)生了很大的變化, 隨著計算機進入控制領(lǐng)域,以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn),使采用全控制的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制(pulse width modulation ,簡稱PWM)控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。這種控制方式很容易在單片機中實現(xiàn),從而為電動調(diào)節(jié)閥的控制數(shù)字化提供了基礎(chǔ)。將 偏差的比例(proportion)、積分(integral)、微分(differential)通過線性組合構(gòu)成數(shù)字控制量,構(gòu)成數(shù)字PID控制器,它具有非常強的靈活性,可以根據(jù)試驗和經(jīng)驗在線調(diào)整參數(shù),因此可以得到更好的控制性能。本系統(tǒng)采用C51系列的89S52單片機為核心,通過設(shè)置89S52單片機的定時器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波【2】,對閥門電機的輸入電壓進行調(diào)制,實現(xiàn)閥門開度的變化,進而實現(xiàn)了對液體流量的控制。單片機通過電磁流量計采集實際流量信號,根據(jù)該信號對其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對PWM變量的值進行修改,從而達到對流量的閉環(huán)精確控制。2、實現(xiàn)流程流量控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng),在設(shè)計的過程中,必須明確它的組成部分。過程控制系統(tǒng)的組成部分有:控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送單元,其框圖如圖1所示。 閥門設(shè)定值流量輸出圖1 流量過程控制組成框圖電磁流量計:對輸出流量進行檢測,并與設(shè)定值比較,差值作為控制器的輸入。PID控制器:對差值進行P 、I、D運算,輸出對應(yīng)得模擬量控制電機正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。直流電機:根據(jù)控制器輸出正反轉(zhuǎn),控制閥門開度增大或減小。閥門:直接控制流量的執(zhí)行機構(gòu)。所以,在這個系統(tǒng)的設(shè)計中,主要設(shè)計以上幾個部分。除此之外,根據(jù)題目要求,還要選取合適的控制算法來達到滿足系統(tǒng)參數(shù)的要求。具體就是確定控制器的算法和如何控制閥門開度,因為這兩部分是實現(xiàn)本系統(tǒng)控制目的的關(guān)鍵。它們選取的好壞將直接影響著整個系統(tǒng)實現(xiàn)效果的優(yōu)劣。3、控制器算法與PWM波形輸出流量是一個普通而又重要的物理量,在許多領(lǐng)域里人們需對它進行測量和控制。本系對流量控制采用PID算法,它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于理解和實現(xiàn),且一些高級控制都是以PID為基礎(chǔ)改進的。在工業(yè)過程控制中90%以上的控制系統(tǒng)回路具有PID結(jié)構(gòu),圖2 PID控制原理框圖PID調(diào)節(jié)器的離散化表達式為比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定,但會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差;積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差,但可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定;微分作用能有效的減小動態(tài)偏差。PWM波形輸出:用89S52單片機的定時器0和定時器1交替工作,產(chǎn)生連續(xù)的與偏差大小有關(guān)的占空比可調(diào)的PWM波形。首先,定時器0定時時間到,產(chǎn)生中斷,置位PWM輸出口并開啟定時器1,定時器1定時期間PWM輸出高電平,且定時器1的定時時間可調(diào),與偏差的PID運算結(jié)果有關(guān),所以能輸出占空比變化的PWM波,控制電機轉(zhuǎn)動,進而控制閥門開度和流量。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計1、總體設(shè)計框圖及說明本系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)流量的自動測量和控制,采用了89S52單片機作為系統(tǒng)的控制中心,由數(shù)據(jù)采集模塊檢測到的流量信號傳入單片機,并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行處理和控制運算,同時將數(shù)據(jù)保存,以便與下一次采樣值進行比較,根據(jù)系統(tǒng)程序控制,進行PID運算以及PWM輸出控制電機轉(zhuǎn)速,最終由CPU控制電機正反轉(zhuǎn),達到調(diào)節(jié)流量的目的。系統(tǒng)還具有鍵盤設(shè)定模塊,便于用戶與系統(tǒng)之間的對話。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)較簡單,由若干個功能模塊組成。具體結(jié)構(gòu)圖圖3及說明如下, 89S52單片機鍵盤數(shù)據(jù)采集直流電機 閥門數(shù)據(jù)顯示圖3 功能模塊結(jié)構(gòu)圖鍵盤設(shè)定:設(shè)定控制系統(tǒng)要求的流量大小。數(shù)據(jù)采集:用滑動變阻器分壓模擬流量大小。直流電機:接收單片機的控制信號進行正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),帶動閥門轉(zhuǎn)動。2、部分外部電路設(shè)計2.1 數(shù)碼管顯示電路采用四聯(lián)排共陰極數(shù)碼管進行顯示,具有四位數(shù)碼管,這四個數(shù)碼管的段選a、b、c、d、e、f、g分別接在一起,每一個都擁有一個共陰的位選端。P3口控制數(shù)碼管的點亮情況。因為單片機的IO口輸出功率有限,需要使用74LS374芯片進行鎖存。此外還用一個電阻R-PACK8來保護LED。2.2、直流電機控制電路直流電機以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點成為大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領(lǐng)域,高開關(guān)頻率、全控型第二代電力半導體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發(fā)展,以及脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用,直流電機得到廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)小型直流電機的使用需求,各半導體廠商推出了直流電機控制專用集成電路,構(gòu)成基于微處理器控制的直流電機伺服系統(tǒng)。但是,專用集成電路構(gòu)成的直流電機驅(qū)動器的輸出功率有限,不適合大功率直流電機驅(qū)動需求。因此采用三極管構(gòu)建H橋【3】,實現(xiàn)大功率直流電機驅(qū)動控制。該驅(qū)動電路能夠滿足各種類型直流電機需求,并具有快速、精確、高效、低功耗等特點,可直接與微處理器接口,可應(yīng)用PWM技術(shù)實現(xiàn)直流電機調(diào)速控制。單片機的P10引腳輸出高低電平控制電機的正反轉(zhuǎn),P11輸出PWM波形控制電機轉(zhuǎn)速。 具體為: 當P10為高電平時,三極管Q3、Q2導通,所以Q4導通,而Q2導通鉗制電位為0.9V,所以不論P11是高還是低,Q1、Q7都不導通,即電機電流從左向右流,電機正轉(zhuǎn)。 當P10為低電平,Q3 Q2不導通,所以Q4不導通。當P11為高電平時電機反轉(zhuǎn),當P11為低電平是,電機停轉(zhuǎn)。 四系統(tǒng)軟件設(shè)計1、程序結(jié)構(gòu)說明任何一個系統(tǒng)的軟件設(shè)計都離不開硬件電路的連接,所以本課題硬件設(shè)計的高度模塊化決定了軟件設(shè)計的模塊化。主要包括:主控程序模塊、鍵盤掃描及處理子程序、采樣數(shù)據(jù)處理子程序、PID算法子程序、電機驅(qū)動與控制子程序和顯示等子程序幾個部分。結(jié)構(gòu)圖如下:主程序鍵盤輸入數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)采集PID運算直流電機圖4 程序結(jié)構(gòu)圖主控程序模塊在整個結(jié)構(gòu)中充當管理者,管理所有子程序的調(diào)用,就相當于個人計算機的操作系統(tǒng)。它主要負責初始化各個I/O口,等待鍵盤事件的發(fā)生,并作出相應(yīng)的處理。并在適當?shù)臅r候調(diào)用數(shù)據(jù)采樣程序,并將采樣到的數(shù)據(jù)與鍵盤設(shè)定值比較。再通過PID計算后用以控制電機轉(zhuǎn)動,從而控制閥門開度,來達到流量的準確控制。2、程序流程圖及部分程序2.1 主程序說明2.1.1 主程序流程圖開始系統(tǒng)初始化SW=1??AD轉(zhuǎn)換鍵盤設(shè)定鍵盤設(shè)定鍵盤設(shè)定DR=1?電機正轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)NYYN圖5 主程序流程圖2.1.2主程序具體程序:/*主函數(shù)*/main() /主程序 TMOD=0x21 ; /0b0010 0001 timer0模式1(16位),timer1自動重裝載 TH0=0xfc ; /1ms延時常數(shù) 12M TL0=0x18 ; /低電平時間調(diào)節(jié) TH1=0x7f; /定時器1賦初值TL1=0 ; EA=1; ET0=1; ET1=1; /開中斷 while(1) if(sw=1) /循環(huán)判斷開關(guān)狀態(tài),并執(zhí)行相應(yīng)的程序 AD_val(); /調(diào)用TCL549采集處理 display(uuu); else KB_Scan1();display(sc); PID(); /每個循環(huán)的最后執(zhí)行一次PID運算,實時控制電機 從主程序中可以看出,在進行一系列程序調(diào)用之前對系統(tǒng)進行初始化,然后判斷開關(guān)狀態(tài)程序有所反應(yīng)。然后進行一系列子程序,進行A/D轉(zhuǎn)換和PID計算,將其結(jié)果用來控制直流電機。2.2 鍵盤程序2.2.1 鍵盤掃描及鍵值識別的原理【4】由于機械觸點有彈性,在按下或彈起按鍵時會出現(xiàn)抖動,從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時間,如圖所示。為了保證探險鍵識別的準確性,必須消除抖動。消抖處理有硬件和軟件兩種方法:硬件消抖是利用加支抖動電路濾避免產(chǎn)生抖動信號;軟件消抖是利用數(shù)字濾波技術(shù)來消除抖動。我們采用軟件的方法,利用主程序循環(huán)掃描,主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值相同時,則說明是某鍵按下。對于鍵值識別,我們用一條switch語句,把按鍵的編碼和鍵值對應(yīng)起來。2.2.2 鍵盤具體程序void KB_Scan1(void) uchar tmp,line,i,flag,press; /定義局部變量if(lie1=0|lie2=0|lie3=0)return; /判斷是否有鍵按下,如有,返回。消除重鍵問題line=0xFE; for(i=1;i=4;i+)P2=line; /依次給P2口低四位送低電平,讀高四位判斷是否有鍵按下。tmp=P2; /讀取鍵盤口數(shù)據(jù)寄存器 tmp&=0x70;if(tmp!=0x70) tmp=P2;flag=1;break;else line=(line=0) direction=1; /設(shè)定值-采集量0, 電機正轉(zhuǎn),開大閥門。if(e2=20) /測得偏差值與設(shè)定偏差值進行比較,若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率正轉(zhuǎn)。 TR0=0;PWM=1; else du=10*e2;/(e2-e1)+ki*e2+kd*(e2-2*e1+e0); / PID算法 out1=du;/+out0; TR0=1; /若到達設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序,進行有效功率轉(zhuǎn)動. else if(e20) direction=0; /設(shè)定值-采集量0, 電機反轉(zhuǎn),關(guān)小閥門。if(e2-20) /測得偏差值與設(shè)定偏差值進行比較,若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率反轉(zhuǎn)。 TR0=0;PWM=1; else du=10*e2;/(e2-e1)+ki*e2+kd*(e2-2*e1+e0); / PID算法 out1=-du;/+out0; TR0=1; /若到達設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序,進行有效功率運轉(zhuǎn). out0=out1; 五、結(jié)束語此次課程設(shè)計是基于過程控制系統(tǒng)的綜合課設(shè),要求通過對工業(yè)過程量流量的測量方法、信號處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計,掌握測控對象參數(shù)檢測方法、變送器的功能、測控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法。我拿到題目和要求,明確本次的重點是一個控制“系統(tǒng)”的設(shè)計,要實現(xiàn)流量的控制,分析流量怎么測,怎么控。就是要完成從信號采集偏差控制執(zhí)行器對象輸出整個的設(shè)計。所以我先分模塊進行設(shè)計,粗略的構(gòu)思了一個單回路控制系統(tǒng):即偏差運算用PID,輸出PWM波形控制電機,電機驅(qū)動閥門開度變化。接下來就是具體模塊的具體設(shè)計實現(xiàn),信號采集模塊我就面臨了選擇,是選擇并行AD轉(zhuǎn)換芯片還是串行AD芯片,再后來就是數(shù)碼管顯示不穩(wěn)定,亮度不夠怎么辦,每前進一步都是問題,這時就借鑒別人怎么做的,他們的效果是不是比自己的好,這樣不斷的比較和思考,解決了很多問題。最大的體會就是設(shè)計過程是解決問題的過程,自己也對設(shè)計控制系統(tǒng)積累了一定的經(jīng)驗。通過設(shè)計后面的控制器模塊、電機控制模塊,我使用了PID的理論、PWM控制電機轉(zhuǎn)速的知識和電機的驅(qū)動電路的知識,通過大量的查閱資料,在以前純理論的基礎(chǔ)上有很大提高。這次課設(shè)使我對過程控制系統(tǒng)有了更深的理解,同時對模塊設(shè)計有了自己的思考和思路,對以后自己設(shè)計開發(fā)控制系統(tǒng)有很好的鋪墊作用。參考文獻【1】 任彥碩等自動控制系統(tǒng)M北京:北京郵電大學出版社,2006,157【2】張家生. 電機原理與拖動基礎(chǔ)M. 北京:北京郵電大學出版社,2006, 136【3】 馬斌等單片機原理及應(yīng)用-C語言程序設(shè)計與實現(xiàn)M北京:人民郵電出版社,2009,284-290【4】王宜懷等.嵌入式系統(tǒng)M. 北京:北京航空航天大學出版社,2008, 132【5】顧德英,張健,馬淑華.計算機控制技術(shù)M. 北京:北京郵電大學出版社,2006,106附頁1:流量控制系統(tǒng)總程序#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar out0=0x7f ; /賦初值uchar buf3=0,0,0;/全局數(shù)組uchar pr=0x57,0x6E,0x5E,0x3E,0x6D,0x5D,0x3D,0x6B,0x5B,0x3B;uchar discode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;int AD; /轉(zhuǎn)換結(jié)果,十六進制int uuu,sc=0; int Int_result, /標度變換后的結(jié)果sbit Dataout=P10; /數(shù)據(jù)線sbit cs=P11; /片選sbit sclk=P12; /io口時鐘sbit dx=P13; /斷碼顯示控制鎖存sbit wx=P14; /位控控制鎖存sbit sw=P17;sbit PWM=P15;sbit direction=P16;void delay1ms(uchar T) /單位時間1ms延時 uchar time; while(T-) for(time=0;time0) wx=0; P0=0xfb; wx=1; dx=0; P0=discodeshi;/|0x80; /顯示十位 dx=1;delay1ms(1); wx=0; P0=0xfd; wx=1; dx=0; P0=discodebai; /顯示百位 dx=1;delay1ms(1); /*AD轉(zhuǎn)換程序*/AD_val() /TLC549處理 uchar i,temp=0; cs=1;/初始化,啟動 sclk=0; cs=0; _nop_(); for(i=0;i8;i+)/讀取采集數(shù)據(jù),讀取的是上一次采集數(shù)據(jù) sclk=1; temp=temp1; if(Dataout) temp |=0x01; sclk=0; cs=1; AD=temp; for(i=0;i5;i+) /延時17us以上,進行復位 _nop_(); Int_result=AD*100/256; /處理整數(shù) uuu=Int_result; /*鍵盤掃描程序*/void KB_Scan1()uchar tmp,line,i,j,flag,press;line=0x7E;for(i=1;i=4;i+)P3=line; tmp=P3; tmp&=0x70;if(tmp!=0x70) tmp=P3;flag=1;break;else line=(line1)|0x01;if(i=5) tmp=0xFF;flag=0;for(j=0;j=0) direction=1; /設(shè)定值-采集量0,電機正轉(zhuǎn)if(e2=20) /測得偏差值與設(shè)定偏差值進行比較,若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率運轉(zhuǎn)。 TR0=0;PWM=1; else du=kp*e2;/(e2-e1)+ki*e2+kd*(e2-2*e1+e0); / PID算法 out1=du;/+out0; TR0=1; /若到達設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序 else if(e20) direction=0; /設(shè)定值-采集量0,電機反轉(zhuǎn)if(e2-20) /測得偏差值與設(shè)定偏差值進行比較,若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率反轉(zhuǎn)。 TR0=0;PWM=1; else du=10*e2;/(e2-e1)+ki*e2+kd*(e2-2*e1+e0); / PID算法 out1=-du;/+out0; TR0=1; /若到達設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序. out0=out1; /*PWM輸出程序*/*/ 定時器0中斷服務(wù)程序./*/void timer0() interrupt 1 TR0=0 ; TH0=0xff ; TL0=0xdb ; TH1=0xff-out0 ;/初值等于模數(shù)減去計數(shù)個數(shù) TR1=1 ; PWM=1 ; /啟動輸出/*/ 定時器1中斷服務(wù)程序/*/void timer1() interrupt 3 TR1=0 ; PWM=0 ; /結(jié)束輸出TR0=1;/*主函數(shù)*/main() /主程序 TMOD=0x21 ; /0b0010 0001 timer0模式1(16位)timer1自動重裝載 TH0=0xfc ; /1ms延時常數(shù) 12M TL0=0x18 ; /頻率調(diào)節(jié) TH1=0x7f; /高電平時間調(diào)節(jié) TL1=0 ; EA=1; ET0=1; ET1=1; while(1) if(sw=1) AD_val();/調(diào)用TCL549采集處理 display(uuu); else KB_Scan1();display(sc); PID(); 目 錄第一章 過程控制儀表課程設(shè)計的目的意義11.1 設(shè)計目的11.2 課程在教學計劃中的地位和作用1第二章 流量控制系統(tǒng)(實驗部分)22.1 控制系統(tǒng)工藝流程22.2 控制系統(tǒng)的控制要求32.3 系統(tǒng)的實驗調(diào)試4第三章 HPF脫硫工藝流程及控制要求63.1 控制系統(tǒng)工藝流程63.2 設(shè)計內(nèi)容及要求7第四章 總體設(shè)計方案84.1 設(shè)計思想8 4.2 總體設(shè)計流程圖84.3 硬件設(shè)計概要84.4 硬件選型94.5 硬件電路設(shè)計系統(tǒng)原理圖及其說明15第五章 軟件設(shè)計175.1 軟件設(shè)計流程圖及其說明17第六章 系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問題及解決方法20第七章 收獲、體會23附錄1 源程序及其說明24參考文獻37第一章 微控制器應(yīng)用系統(tǒng)綜合設(shè)計的目的意義1.1 實驗?zāi)康谋菊n程設(shè)計的目的在于培養(yǎng)學生綜合運用理論知識來分析和解決實際問題的能力,使學生通過自己動手對一個工業(yè)過程控制對象進行儀表設(shè)計與選型,促進學生對儀表及其理論與設(shè)計的進一步認識。課程設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)常遇到的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng),使學生將理論與實踐有機地結(jié)合起來,有效的鞏固與提高理論教學效果。1.2 課程設(shè)計在教學計劃中的地位和作用 本課程設(shè)計是為過程控制儀表課程而開設(shè)的綜合實踐教學環(huán)節(jié),是對現(xiàn)代檢測技術(shù)、自動控制理論、過程控制儀表、計算機控制技術(shù)等前期課堂學習內(nèi)容的綜合應(yīng)用,使學生加深對過去已修課程的理解,用本課程所學的基本理論和方法,運用計算機控制技術(shù),解決過程控制領(lǐng)域的實際問題,為學生今后從事過程控制領(lǐng)域的工作打下基礎(chǔ)。因此本課程在教學計劃中具有重要的地位和作用。第二章 流量控制系統(tǒng)(實驗部分)2.1 控制系統(tǒng)工藝流程MFC1FT1VL1Q1 電加熱器MSSR圖2.1 內(nèi)容器單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)工藝流程圖說明:FT為流量變送器,F(xiàn)C為智能調(diào)節(jié)器,VL為電動閥,SSR為固態(tài)繼電器控制輸出,Q表示流量。圖2.3同。被控制量Q1給定量Qs偏差Qi調(diào)節(jié)器D/A電子閥流量對象內(nèi)容器擾動f流量變送器無紙記錄儀A/D反饋Qf-+圖2.2 內(nèi)容器單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)方塊流程圖PID智能調(diào)節(jié)器MFC1FT1VL1Q1 電加熱器MSSR圖2.3 雙閉環(huán)比值控制工藝流程圖FT2FC2KQ2給定量Qs偏差Qi調(diào)節(jié)器FC1調(diào)節(jié)閥VL1流量對象內(nèi)容器流量檢測及變送器FT1反饋Qf-+Q1乘法器K-調(diào)節(jié)器FC2調(diào)節(jié)閥VL2流量對象夾套Q2流量檢測及變送器FT1+圖2.4 雙閉環(huán)比值控制方塊流程圖2.2 控制系統(tǒng)的控制要求2.2.1 單閉環(huán)控制要求給定流量范圍為0400L/h,流量從200L/h穩(wěn)態(tài)向300L/h穩(wěn)態(tài)過渡的調(diào)節(jié)時間不超過100s,超調(diào)量不超過5%,穩(wěn)態(tài)誤差不超過5%.2.2.2 雙閉環(huán)比值控制主回路(圖2.4中FC1調(diào)節(jié)的回路)要求如單閉環(huán)控制要求,副回路(FC2調(diào)節(jié)的回路)的比值K可在流量范圍內(nèi)實現(xiàn)0.51.5的比例控制,具體情況分為主回路Q1穩(wěn)定,改變比值K:副回路的調(diào)節(jié)時間不超過100S,超調(diào)量不超過5%,穩(wěn)態(tài)誤差不超過5%比值K確定,主回路Q1隨給定Qs改變:在Q1穩(wěn)定在給定Qs后,副回路調(diào)節(jié)時間不超過50s,超調(diào)量不超過5%,穩(wěn)態(tài)誤差不超過5%2.3 系統(tǒng)的實驗調(diào)試2.3.1單閉環(huán)流量控制在實驗面板上接好線,確認無誤后打開實驗機柜電源和水泵開關(guān);將智能調(diào)節(jié)器FC1設(shè)置為單路輸入內(nèi)給定、人工模糊自整定PID調(diào)節(jié)方式;調(diào)節(jié)PID參數(shù):積分分離值為0,先使積分時間TI為一較大值,微分時間TD為0;調(diào)節(jié)比例帶P,使流量Q1能穩(wěn)定到給定值附近,且過渡時間不太大、超調(diào)量滿足工藝要求;再調(diào)節(jié)積分時間TI,使流量Q1的穩(wěn)態(tài)誤差減小以滿足工藝要求。若此時過渡時間也能達到工藝要求,則可以不要微分作用,若不能滿足則慢慢增加微分時間TD,使調(diào)節(jié)時間減小以滿足工藝要求。說明:在調(diào)節(jié)比例帶P使流量能穩(wěn)定到給定值附近后,主要需解決的是減少穩(wěn)態(tài)誤差(減小TI)、減少超調(diào)量(增加比例帶P或積分時間TI)和減少過渡時間(增加微分時間TD或減小積分時間TI),P、TI、TD這3個參數(shù)主要需調(diào)節(jié)的是P和TI,觀察無紙記錄儀的響應(yīng)曲線,多試幾組參數(shù),使流量控制達到工藝要求。2.3.2雙閉環(huán)比值控制在2.3.1中單閉環(huán)流量控制已滿足工藝要求的前提下,將其做為主回路,不需再改動其參數(shù)。將調(diào)節(jié)器FC2設(shè)置為雙路輸入外給定、人工模糊自整定PID調(diào)節(jié)方式。將比值器設(shè)置為加法方式,比例系數(shù)A=0.5(0.51.5均可),B=0。Q1穩(wěn)定后,副回路的給定也就一定了。調(diào)節(jié)PID參數(shù)(調(diào)節(jié)方法如單閉環(huán)控制),給調(diào)節(jié)器FC2選擇合適的PID值以滿足工藝要求。特別說明:以上兩個實驗的調(diào)試問題在第七章詳細講述,此處只說明步驟。第三章 HPF脫硫工藝流程及控制要求3.1 控制系統(tǒng)工藝流程HPF法脫硫是國內(nèi)新開發(fā)的技術(shù),它是以氨為堿源液相催化氧化脫硫新工藝,采用的催化劑HPF是一種復合催化劑,它對脫硫和再生過程均有催化作用。所產(chǎn)廢液完全可以回兌到煉焦煤中,從而大大簡化了工藝流程。脫硫、脫氰效率較高,一般可達到塔后煤氣含H2S100mg/m3,含HCN300mg/m3。HPF法脫硫的工藝流程是:鼓風機后的煤氣進入預冷塔與塔頂噴灑的冷卻水逆向接觸,被冷卻為30,冷卻水從塔下部用泵抽出,送外冷器被低溫水冷至28送回塔頂循環(huán)噴灑。采取部分剩余氨水更新循環(huán)冷卻水,多余循環(huán)水返回機械化氨水澄清槽。預冷后的焦爐煤氣經(jīng)過兩臺并聯(lián)的脫硫塔,從塔頂噴淋脫硫液以吸收煤氣中的H2S、HCN(同時吸收氨,以補充脫硫脫氰過程中消耗的氨)。脫H2S后的煤氣送入洗滌工段。兩臺并聯(lián)的脫硫塔都有自己獨立的再生系統(tǒng),吸收了H2S、HCN的溶液從塔溜出,經(jīng)液封槽進入各自獨立的反應(yīng)槽,再經(jīng)溶液循環(huán)泵送入再生塔。同時由空氣壓縮機送來的壓縮空氣鼓入再生塔底部,溶液在塔內(nèi)即得到再生。再生后溶液經(jīng)液位調(diào)節(jié)器返回各自對應(yīng)的脫硫塔循環(huán)使用。浮于再生塔頂?shù)牧蚺菽梦徊盍魅肱菽?硫泡沫經(jīng)泡沫泵送入戈爾膜過濾器分離,清液流入反應(yīng)槽,硫膏經(jīng)壓縮空氣壓榨成硫餅裝袋外銷。為避免脫硫液鹽類積累影響脫硫效果,排出少量廢液送往配煤。脫硫工藝的流程如圖3.1所示。圖中L表示液位;P表示壓力;T表示溫度;F表示流量;I表示指示;C表示控制;V表示閥門;Q表示累計。圖3.1 HPF脫硫工藝流程流程圖3.2 設(shè)計內(nèi)容及要求1).循環(huán)上水的流量范圍在8001000m3/h,精度要求為5%。2).抽水高度(即預冷塔高度)約20m。第四章 總體設(shè)計方案4.1 設(shè)計思想 設(shè)計的關(guān)鍵在于循環(huán)水的抽送、流量的檢測和控制,分別可以通過選擇合適的工業(yè)水泵、流量計、無紙記錄儀和流量積分演算智能調(diào)節(jié)器、電動調(diào)節(jié)閥完成相關(guān)功能。另外,假設(shè)氨水與循環(huán)上水的流量比值有固定要求,可增加比值器實現(xiàn)流量比值控制。設(shè)循環(huán)上水的流量為主控量Q1,氨水的流量給定則為Q2s=Q1*K,二者的配比為氨水:循環(huán)上水=K:1,則可用實驗中的流量比值控制系統(tǒng)實現(xiàn)該控制環(huán)節(jié)。4.2 總體設(shè)計流程圖循環(huán)上水給定量Q1s偏差Q1i調(diào)節(jié)器FC1調(diào)節(jié)閥VL1循環(huán)上水流量檢測及變送器FT1反饋Q1f-+Q1比值器K-調(diào)節(jié)器FC2調(diào)節(jié)閥VL2氨 水Q2流量檢測及變送器FT1+圖4.1 雙閉環(huán)比值控制方塊流程圖4.3 硬件設(shè)計概要 硬件設(shè)計主要是智能調(diào)節(jié)器的設(shè)計,可采用單片機做實時監(jiān)控芯片,結(jié)合外圍電路實現(xiàn)流量信號的變換、采集、PID運算與控制輸出等功能。為了能實時調(diào)整PID參數(shù),需增加鍵盤掃描電路;為了顯示PID參數(shù)和流量的大小,需增加顯示模塊。4.4 硬件選型4.4.1 智能調(diào)節(jié)器的自行設(shè)計I/V轉(zhuǎn)換可用OP07構(gòu)成的比例放大器實現(xiàn)。由于ADC0809的轉(zhuǎn)換速度只有幾十微妙,相對流量的變化時間很小,可以不要保持器。而ADC0809與DAC0832都是八位的轉(zhuǎn)換器件,理論上的控制精度可達到1/255*100%=0.4%,足以滿足流量控制的精度要求。V/I轉(zhuǎn)換可用RCV420轉(zhuǎn)換器。單片機選擇STC89C52一是CMOS工藝的單片機功耗較低;二是價格便宜;再者內(nèi)部程序存儲器有8KB的FLASH ROM,能滿足絕大部分工控過程實時監(jiān)控程序的燒寫需求。顯示部分用LCD,采用長沙太陽人電子的SMC1602a字符型液晶顯示器。鍵盤掃描可用8279加4*4矩陣鍵盤以中斷方式實現(xiàn)。4.4.2 智能調(diào)節(jié)器選型4.4.1的部分可以用虹潤的HR-WP-XLS80智能調(diào)節(jié)器代替,其參數(shù)如下輸入信號:模 擬 量 熱電偶:B、E、J、K、S、T、WRe3-25、F2 電阻:Pt100、Pt100.1、Cu50、Cu100、BA1、BA2 電流 010mA、420mA、020mA,輸入阻抗250 電壓 05V、15V 波 形 矩形、正弦或三角波幅度 光電隔離,大于4V(或根據(jù)用戶要求任定) 頻 率 010KHz(或根據(jù)用戶要求任定)輸出信號:模擬量輸出DC 010mA(負載電阻750) DC 420mA(負載電阻500) DC 05V(負載電阻250K) DC 15V(負載電阻250K)報警輸出 繼電器控制輸出繼電器ON/OFF帶回差。AC220V/3A,DC24V/6A(阻性負載)通訊輸出 光電隔離,RS-485/RS-232C接口,波特率12009600bps可設(shè)置, 采用標準MODBUS RTU通信協(xié)議饋電輸出 DC241V,負載電流30mA精度: 測量顯示精度 0.5%FS或0.2%FS頻率轉(zhuǎn)換精度 1脈沖(LMS)一般優(yōu)于0.2%顯示方式: 099999瞬時流量測量值顯示0累積值顯示-1999999999溫度補償測量值顯示-1999999999壓力補償測量值顯示-1999999999流量(差壓、頻率)測量值顯示高亮度LED(數(shù)碼管)測量顯示發(fā)光二極管工作狀態(tài)顯示設(shè)定方式: 面板輕觸式按鍵數(shù)字設(shè)定參數(shù)設(shè)定值斷電后永久保存參數(shù)設(shè)定值密碼鎖定保護方式: 斷電后流量累積值時間保持大于兩年,設(shè)定參數(shù)永久性保持 電源欠壓自動復位工作異常自動復位(Watch Dog)使用環(huán)境: 環(huán)境溫度 050相對濕度 85%RH 避免強腐蝕性氣體工作電源: 常規(guī)型 AC220V%(50Hz2Hz,線性電源) 特殊型 AC90V265V開關(guān)電源 DC24V2V開關(guān)電源功 耗: 6W(AC220V線性電源供電) 6W(AC90265V開關(guān)電源供電) 6W(DC24V電源供電)重 量: 500g(AC220V供電) 300g(開關(guān)電源)除智能調(diào)節(jié)器以外的硬件選擇如下:4.4.3電動調(diào)節(jié)閥選型采用湖南力升信息設(shè)備有限公司的LSDZ-50電動調(diào)節(jié)機構(gòu),技術(shù)指標如下出軸力矩(N.m):50動作范圍:0360動作時間(S):20驅(qū)動電機(W):10控制電路選項:4-20mA輸入位置輸出:4-20mA直流動力電源:220VAC 50Hz精度:定位精度:0.5%,位置反饋精度:0.5%環(huán)境溫度:-25+55重量:2Kg4.4.4流量計選型采用北京尺度方圓傳感器有限公司的LWGY-250A05S,技術(shù)指標如下精度: 0.5%R口徑: 250mm, 標準量程1201200m3/h重復性: 0.05%0.2%4.4.5比值器選型采用虹潤的HR-WP-XQS80,技術(shù)指標如下特性顯示方式:以雙排四位LED顯示第一路測量值(PV1)和第二路測量值(PV2),以紅色/綠色光柱進行兩路測量值百分比的模擬顯示。顯示范圍:-19999999字。測量精度:0.2%FS或0.5%FS;0.1%FS(需特殊訂制)。分 辨 率:1字。報警方式:1-4個報警點控制(1AL、2AL、3AL、4AL)LED指示。報警精度:1字。保護方式
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