基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目: 基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系名稱： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 自動(dòng)1302 學(xué)生姓名： 張鵬濤 學(xué) 號： 201323020219 指導(dǎo)教師： 閆晶晶 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 31520 設(shè)計(jì)時(shí)間： 設(shè)計(jì)成績： 指導(dǎo)教師： 本欄由指導(dǎo)教師根據(jù)大綱要求審核后，填報(bào)成績并簽名。工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名張鵬濤專業(yè)班級自動(dòng)1302學(xué)號201323020219題 目基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題性質(zhì)課程設(shè)計(jì)課題來源自擬題目指導(dǎo)教師閆晶晶主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)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(jié)

2、構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)一個(gè)具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的壓力單回路過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)壓力單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過程儀表。2. 根據(jù)壓力單回路過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。3. 根據(jù)與計(jì)算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4. 運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)壓力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(nèi)容的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。主要參考資料1 組態(tài)王軟件及其說明文件2 邵裕森過程控制工程3 過程控制教材4 輔導(dǎo)資料審查意見指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘

3、要 通過過程控制這門課的學(xué)習(xí)，確實(shí)學(xué)到很多有用的知識(shí)，此次課程設(shè)計(jì)是根據(jù)壓力單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過程儀表。為了取得較好的控制效果，采用PID控制規(guī)律。通過溫度傳感器將檢測到的實(shí)時(shí)溫度值與溫度設(shè)定值的差值送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)用PID算法得到相應(yīng)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(dá)到調(diào)節(jié)溫度的控制目的所有這些都是通過計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)完成，并通過組態(tài)王設(shè)計(jì)出完美仿真畫面，能夠看到溫度變化曲線和水管的流動(dòng)，形象逼真。關(guān)鍵詞：溫度過程控制PID算法組態(tài)王目錄一、引言1二、設(shè)計(jì)目的1三、控制要求1四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖24.

4、2 儀表選擇24.2.1 溫度傳感器24.2.2 加熱器24.2.3 過程模塊34.2.4 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥34.2.5 其他設(shè)備34.3 系統(tǒng)流程圖4五、系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)45.1 組態(tài)王簡介45.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)55.2.1 設(shè)備設(shè)置55.2.2 組態(tài)畫面55.2.3 變量定義65.4.2 PID 控制算法85.2.5 PID 控制算法流程圖95.2.6 溫度單回路控制過程9設(shè)計(jì)心得11參 考 文 獻(xiàn)12附錄（PID腳本程序）13一、引言 溫度控制，在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開單片機(jī)的應(yīng)用。將單片機(jī)控制方法運(yùn)

5、用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。本文以它為例進(jìn)行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果。 現(xiàn)代自動(dòng)控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不

6、是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感器對某處進(jìn)行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進(jìn)，我們還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度檢測和控制。二、設(shè)計(jì)目的 運(yùn)用組態(tài)軟件“組態(tài)王5.23”，結(jié)合工業(yè)過程實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID算法，自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整

7、定現(xiàn)相關(guān)的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，最終得到一個(gè)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)。三、控制要求 利用電阻絲加熱器對流經(jīng)加熱罐中的水進(jìn)行加熱，使用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)控制監(jiān)控，采用合理的控制規(guī)律，是管道中流動(dòng)水的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，以達(dá)到整體系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的效果。水溫的測量范圍為0100，測量精度1%。四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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，測量便采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計(jì)算機(jī)，執(zhí)行器是加熱器，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。設(shè)計(jì)成績： 指導(dǎo)教師： 本欄由指導(dǎo)教師根據(jù)大綱要求審核后，填

8、報(bào)成績并簽名。計(jì)算機(jī) 控制器 電阻絲加熱器 加熱罐水溫 水溫檢測 傳感器 一 SP P T PT1 圖4.1 溫度單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 4.2 儀表選擇4.2.1 溫度傳感器 測量水溫的傳感器采用電熱阻Cu50。熱電阻Cu50在50150測量范圍內(nèi)電熱阻和溫度之間呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)越大，測量精度越高，熱補(bǔ)償性好，在過程控制領(lǐng)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(jì)算機(jī)采集。4.2.2 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420mA標(biāo)準(zhǔn)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

9、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(shí)，加熱器電阻絲的兩端溫度為0V，輸入為20mA電流時(shí)，加熱器電阻絲的兩端溫度為220V。4.2.3 過程模塊 采用牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計(jì)算機(jī)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I01作為可控硅的電壓控制通道。 A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸出模塊，電壓輸入15VDC。使用7024模塊的4通道IN4作為溫度信號檢測輸入通道。 通信模塊采

10、用牛頓7520，RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS485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(guān)量輸出模塊采用牛頓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(dòng)電磁閥設(shè)備。4.2.4 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動(dòng)電路采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)

11、節(jié)回路。由輸入控制信號420mA及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)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(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，420mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)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(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)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(diǎn)。4.2.5 其他設(shè)備 在控制回路中所涉及到的設(shè)備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關(guān)電源等。 水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，揚(yáng)程可達(dá)10米，功耗小，220V即可供電，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)

12、。 所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，管段能力強(qiáng)，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。所采用的24V開關(guān)電源最大電流為2A，滿足系統(tǒng)需要。4.3 系統(tǒng)流程圖根據(jù)系統(tǒng)組成框圖和組成的儀表單元，得到系統(tǒng)流程圖如圖3.1所示。計(jì)算機(jī)AD模塊7017DA模塊7024可控硅220VACTTCu50加熱罐 圖4.2 系統(tǒng)流程圖五、系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)5.1 組態(tài)王簡介 組態(tài)王是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對象人機(jī)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動(dòng)畫的方式想象得表示出來，還可以完成變量警報(bào)、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能，并按實(shí)際需要生成歷史數(shù)據(jù)文件，它以Window

13、s 7/Windows 98/Windows XP中文操作系統(tǒng)為操作平臺(tái)，采用了多線程、COM組態(tài)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)。它具有豐富的圖庫及圖庫開發(fā)工具，支持各種主流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(shí)現(xiàn)各種功能。5.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì) 在Windows 7環(huán)境下，控制系統(tǒng)軟件以組態(tài)王5.23作為開發(fā)平臺(tái)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，總體監(jiān)視，相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)在線調(diào)整，顯示實(shí)時(shí)曲線，歷史曲線等功能。5.2.1 設(shè)備設(shè)置 組態(tài)王對設(shè)備的管理是通過對邏輯設(shè)備名的管理實(shí)現(xiàn)的，具體將就是每一個(gè)實(shí)際I/O設(shè)備都必須在組

14、態(tài)王中指定一個(gè)唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)著該I/O的生產(chǎn)廠家、實(shí)際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計(jì)算機(jī)的通訊方式等信息內(nèi)容。 系統(tǒng)中與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換外部的設(shè)備主要是AD設(shè)備牛頓7017模塊和DA設(shè)備牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中，設(shè)置7017模塊IN4通道和7024模塊i01通道名稱分別為AD和DA，與計(jì)算機(jī)COM1串口通信，通信地址分別為0和1。通信參數(shù)的設(shè)置如下表所示：表5.1 通信參數(shù)的設(shè)置表設(shè)置項(xiàng)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(yàn)位偶校驗(yàn)5.2.2 組態(tài)畫面 本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有開機(jī)畫面，系統(tǒng)組成畫面等。 開機(jī)畫面主

15、要顯示課題題目，制作人姓名，班級等相關(guān)信息。畫面上設(shè)置有兩個(gè)提示按鍵，分別提示操作員進(jìn)入主界面或退出操作系統(tǒng)等。 系統(tǒng)主界面主要繪制的溫度單回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，加熱罐和閥門等設(shè)備以及相關(guān)的操作提示按鈕等?；趧?dòng)畫連接，主界面可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)，手動(dòng)切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實(shí)時(shí)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4.1所示。 圖5.1 溫度單回路控制系統(tǒng)組態(tài)圖5.2.3 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(yùn)算數(shù)據(jù)的關(guān)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

16、AD，DA設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的I/O實(shí)型變量，控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定以開關(guān)動(dòng)畫連接的內(nèi)存離散變量，參于PID運(yùn)算的內(nèi)存實(shí)型變量和實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)畫效果所用到的內(nèi)存實(shí)型及內(nèi)存整型變量等。具體的參數(shù)詞典如下圖所示。5.2 數(shù)據(jù)詞典變量定義5.4.2 PID 控制算法 根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理，運(yùn)用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實(shí)現(xiàn)PID控制算法。由于溫度系數(shù)大滯后特點(diǎn)，去采樣周期。 本系統(tǒng)采用PID位置控制算法，其控制算式如下： 上述算式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間，為微分時(shí)間，以 作為計(jì)算機(jī)的當(dāng)前輸出值，以sp作為給定值，pv作為反饋值即AD設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，作為偏差。5.3 運(yùn)

17、行時(shí)PID算法程序5.2.5 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(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5.4 PID控制算法流程圖5.2.6 溫度單回路控制過程 根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理,其控制過程如下圖所示: 如下圖5.5所示: 閥門1打開,水泵啟動(dòng),閥門2關(guān)閉,加熱器對

18、液體進(jìn)行加熱,溫度計(jì)儀表對液體溫度進(jìn)行檢測，反饋給調(diào)節(jié)閥門1進(jìn)行調(diào)節(jié),使液體溫度能又快又穩(wěn)達(dá)到給定值圖5.5溫度單回路控制過程組態(tài)圖如下圖5.6所示：是液體溫度高于給定值時(shí)的控制過程閥門1打開，閥門2打開，水泵啟動(dòng)，對加熱器進(jìn)行加水，使加熱器液體溫度下降到給定值圖5.6溫度單回路控制過程組態(tài)圖加熱爐內(nèi)溫度曲線如下圖5.7所示。5.7 加熱爐溫度實(shí)時(shí)曲線設(shè)計(jì)心得 本次工業(yè)過程課程設(shè)計(jì)，以溫度單回路系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，基于組態(tài)王6.01作為監(jiān)控軟件，以PID調(diào)節(jié)規(guī)律作為控制算法，完成了系統(tǒng)的控制要求，監(jiān)控界面清晰美觀，功能較為完善。 經(jīng)過本次課程設(shè)計(jì)，我對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的開發(fā)控制流程有了全面的了解

19、，初步了解了PID控制規(guī)律在實(shí)際控制工程中的應(yīng)用，很好的做到了理論與實(shí)踐的結(jié)合，進(jìn)一步加深了對PID控制算法理解，除此之外，還對在實(shí)際工程中應(yīng)用極為廣泛的組態(tài)王軟件，這位我們以后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。 這次設(shè)計(jì)從軟件編寫、調(diào)試到軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試，我投入了大量的時(shí)間和精力。為有些程序的編寫而絞盡腦汁，為無法找出錯(cuò)誤而郁悶煩躁,也曾經(jīng)為取得的一小步成功高興。不過 ,最終我成功了。此次設(shè)計(jì)不僅讓我增長了見識(shí)，開闊了視野，更讓我懂得了過程的重要。 在本次設(shè)計(jì)中，我找到了自己的許多缺點(diǎn)，知識(shí)面太窄，學(xué)習(xí)知識(shí)不牢固，在硬件上的水平還比較差，沒有做好理論與實(shí)際相結(jié)合。所以，在以后的學(xué)習(xí)中，我會(huì)努力完善自己，使自己的知識(shí)水平有進(jìn)一步提高。 這次過程控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)歷時(shí)一個(gè)星