流量比值控制系統(tǒng)課程設計

1、工業(yè)過程控制課程設計任務書主要內(nèi)容通過組態(tài)王軟件，結合實驗室已有設備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)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)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。任務要求1. 根據(jù)流量比值控制系統(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(jù)流量比值控制系統(tǒng)a/d、d/a和開關i/o的需要，正確選用過程模塊。3. 根據(jù)與計算機串行通訊的需要，正確選用rs485/rs232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4. 運用組態(tài)軟件，正確設計流量比值控制系統(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(nèi)容的課程設計報告。主要參考資料

2、1 組態(tài)王軟件及其說明文件2 邵裕森過程控制工程北京：機械工業(yè)出版社20003 過程控制教材4 輔導資料目錄1 設計內(nèi)容和要求1.1設計目的運用組態(tài)軟件“組態(tài)王king view6.05”，結合工業(yè)過程實驗室已有設備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應用pid控制算法，自行設計，構成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定相關的pid控制參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，最終得到一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。1.2控制要求利用電阻絲加熱器對流經(jīng)加熱罐中的水進行加熱，使用組態(tài)軟件實現(xiàn)控制監(jiān)控，采用合理的控制規(guī)律，使管道中流動的水的溫度穩(wěn)定在設定值附近，以達到整體系統(tǒng)穩(wěn)定運行的效果。水溫的測量范圍

3、為0-100，測量精度1%。2 系統(tǒng)結構設計2.1系統(tǒng)控制方案為了取得較好的控制效果，基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)在系統(tǒng)設計時，采用pid控制規(guī)律。通過溫度傳感器將檢測到的實時溫度值與溫度設定值的差值送入計算機，計算機運用pid算法得到相應的控制信號，并將其輸出給執(zhí)行器，然后執(zhí)行器調(diào)節(jié)加熱器，以達到調(diào)節(jié)溫度的控制目的。2.2 系統(tǒng)結構框圖 根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是水的溫度，測量便送采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計算機，執(zhí)行機構是加熱器，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。流量比值控制系統(tǒng)結構圖雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)方框圖3 過程儀表的選擇3

4、.1 溫度傳感器檢測水溫的傳感器采用熱電阻cu50。熱電阻cu50在-50150測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度之間呈線性關系，溫度系數(shù)大，測量精度高，熱補償性好在過程控制領域使用廣泛。系統(tǒng)采用三線制cu50，溫度信號經(jīng)過變送單元轉(zhuǎn)換成420madc電流信號，便于計算機采集。3.2 加熱器采用電阻絲作為加熱器件，采用可控硅移相觸發(fā)單元調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，輸入控制信號為4-20ma標準電流信號，其移相觸發(fā)與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓來控制加熱器電阻絲的兩端電壓，從而控制加熱罐的溫度。輸入4ma電流時，加熱器電阻絲的兩端電壓時0v，輸入20ma電流時，加熱器電阻絲的兩端的電壓時220v。3.3 過程

5、模塊采用牛頓7000系列遠程數(shù)據(jù)采集模塊作為計算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過程模塊。牛頓7000系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高。d/a模塊采用牛頓7024，四通道模擬輸出模塊。電流輸出420madc，電壓輸出15vdc，精度14位。使用7024模塊的1通道io1 作為可控硅的電壓控制通道。a/d模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸入模塊。電壓輸入15vdc。使用7017模塊的4通道in4作為溫度信號檢測輸入通道。通信模塊采用牛頓7520，rs232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用rs-232/rs-485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，速度為300115200bps，可長距離傳輸。控制回路中電磁閥的開關量輸出模塊采用牛

6、頓7043，16通道非隔離集電極開路輸出模塊。最大集電極開路電壓30v，每通道輸出電流100ma，可直接驅(qū)動電磁閥設備。3.4 電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進行調(diào)節(jié)。采用德國ps公司進口的psl202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c電動執(zhí)行機構一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號4-20ma 及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用ps電子式直行程執(zhí)行機構，4-

7、20ma閥位反饋信號輸出雙導向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性,.閥門采用柔性彈簧連接，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷，防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。3.5 其他設備在控制系統(tǒng)回路中所涉及到的設備還用水泵，變頻器，電磁閥，開關電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，揚程可達10米，功耗小，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)。所用到的電磁閥的工作電源為dc24v，關斷能力強，使用方便，結構簡單。所采用的24v開關電源最大電流為為2a，滿足系統(tǒng)需要。3.2 系統(tǒng)流程圖根據(jù)系統(tǒng)組成框圖和組成的

8、儀表單元，得到系統(tǒng)流程圖如圖2所示。計算機ad模塊7017da模塊7024可控硅220vacttcu50加熱罐圖2 系統(tǒng)流程圖4 系統(tǒng)組態(tài)設計4.1 組態(tài)王簡介組態(tài)王是在pc機上建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能軟件包. 該軟件包從工業(yè)控制對象中采集數(shù)據(jù),并記錄在實時數(shù)據(jù)庫中,同時負責把數(shù)據(jù)的變化用動畫的方式形象地表示出來. 還可以完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能,并按實際需要生成歷史數(shù)據(jù)文件. 它以windows 98 /windows 2000 /windows xp中文操作系統(tǒng)為操作平臺,采用了多線程、com組件等新技術,實現(xiàn)了實時多任務。 它具有豐富的圖庫及圖庫開發(fā)工具,支持

9、各種主流plc、智能儀表、板卡和現(xiàn)場總線等工控產(chǎn)品;有一種類似c語言的編程環(huán)境,便于處理各種算法和操作;還內(nèi)嵌了許多函數(shù)供用戶調(diào)用,實現(xiàn)各種功能。4.2 組態(tài)軟件設計在windows xp環(huán)境下，控制系統(tǒng)軟件以組態(tài)王6.01作為開發(fā)平臺。整個監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，總體監(jiān)視，設備控制，相關參數(shù)實時在線調(diào)整，顯示實時曲線，歷史曲線等功能。4.2.1 設備設置組態(tài)王對設備的管理是通過對邏輯設備名的管理實現(xiàn)的，具體講就是每一個實際i/o 設備都必須在組態(tài)王中指定一個唯一的邏輯名稱，此邏輯設備名就對應著該i/o 設備的生產(chǎn)廠家、實際設備名稱、設備通信方式、設備地址、與上位計算機的通信方式等信息內(nèi)容。系統(tǒng)

10、中與上位計算機進行數(shù)據(jù)交換的外部設備主要是是ad設備牛頓7017模塊和da設備牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中，設置7017模塊in4通道和7024模塊io1通道名稱分別為ad和da，與計算機com1串口通信，通信地址分別為0和1。通信參數(shù)的設置如下表所示：表1 通信參數(shù)設置表設置項推薦值波特率9600數(shù)據(jù)位長度/位7停止位長度/位1奇偶校驗位偶校驗4.2.2 組態(tài)畫面本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有開機畫面，系統(tǒng)組成畫面等。開機畫面主要顯示課題題目，制作人姓名，班級等相關信息。畫面上設置有兩個提示按鍵，分別提示操作員進入主界面或退出操作系統(tǒng)等。開機界面如下圖3所示。圖3 開機畫面系統(tǒng)主界

11、面主要繪制的是控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，加熱罐和閥門等設備以及相關的操作提示按鈕等?；趧赢嬤B接，主界面可實現(xiàn)自動，手動操作切換，以及顯示pid參數(shù)整定框和實時曲線框以方便操作員在線調(diào)節(jié)pid參數(shù)觀察控制效果。系統(tǒng)主界面如下圖4所示。 圖4 溫度控制系統(tǒng)組態(tài)圖4.2.3 變量定義根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典，以便確定內(nèi)存變量與i/o數(shù)據(jù)，運算數(shù)據(jù)的關系。只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。本系統(tǒng)中所涉及到的變量的類型主要有與ad，da設備進行數(shù)據(jù)交換的i/o實型變量，控制電磁閥開關的i/o離散變量，用于定以開關動畫連接的內(nèi)存離散變量，參于pid運算的內(nèi)存實型變量

12、和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下圖5所示。圖5 數(shù)據(jù)詞典4.2.4 pid控制算法根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理，運用組態(tài)王所提供的類似于c語言的程序編寫語言實現(xiàn)pid控制算法。由于溫度系統(tǒng)大滯后特點，取采樣周期ts=20s。本系統(tǒng)采用pid位置控制算式，其控制算式如下：上述算式中，kp為比例系數(shù)，ti為積分時間，td為微分時間，以u(k)作為計算機的當前輸出值，以sp作為給定值，pv作為反饋值即ad設備的轉(zhuǎn)換值，e(k)作為偏差。在組態(tài)王畫面中，設置pid參數(shù)調(diào)整框依據(jù)實時曲線在線調(diào)整pid參數(shù)如下圖所示。 圖6 pid參數(shù)調(diào)整框pid控制算法程序流程圖如

13、圖7所示，附錄1為具體的pid控制算法腳本程序。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(shù)據(jù)傳送：u(k)u(k-1)數(shù)據(jù)傳送：e(k)e(k-1)e(k-1) e(k-2)圖7 pid控制算法流程圖4.2.5 趨勢曲線趨勢曲線有實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。在組態(tài)王中通過圖庫可方便地繪制曲線畫面, 在趨勢曲線中可顯示系統(tǒng)運行時各個主要變量的歷史記錄,可以

14、查詢以前任意時段的歷史記錄,還可設定查詢的時間范圍,顯示某查詢時間和該時間所對應的被控變量值等。實時趨勢曲線可以自動卷動, 以快速反應變量隨時間的變化。在溫度單回路控制系統(tǒng)中，趨勢曲線所要表達的三個參數(shù)分別為計算機依據(jù)pid控制算法的輸出值u(k),系統(tǒng)給定值sp和檢測反饋值pv。實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線分別如下圖所示。圖8 實時曲線圖9 歷史曲線附錄pid腳本程序啟動時：本站點ts=20;本站點i=本站點ti/本站點ts;本站點d=本站點td/本站點ts;本站點ukp=0;本站點uk1=0;本站點ek1=0;本站點ek11=0;本站點ek12=0;運行期間：if(本站點自動開關=1) 本站點ts=15; 本站點i=本站點ti/本站點ts; 本站點d=本站點td/本站點ts; 本站點a0=本站點p*(1+1/本站點i+本站點d); 本站點a1=本站點p*(1+2*本站點d); 本站點a2=本站點p*本站點d; 本站點ek1=本站點sp-本站點溫度;