1、PAGE 過程(guchng)控制系統(tǒng)課程設計題 目: 基于組態(tài)軟件的流量單回路(hul)過程控制系統(tǒng)設計 院系名稱(mngchng)： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 自動化1105 學生姓名： 孟文博 學 號： 201123910824 指導教師： 馬 利 馮肖亮 設計地點： 31625 設計成績： 簽名： 年 月 日設計時間： 2014.6.242014.7.5 工業(yè)(gngy)過程控制課程設計任務書學生姓名孟文博專業(yè)班級自動化1105學號201123910824題 目基于組態(tài)軟件的流量單回路過程控制系統(tǒng)設計課題性質(zhì)必修課題來源自擬題目指導教師主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結合實驗室已有設備，按照

2、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)控制程序的流量單回路過程控制系統(tǒng)。任務要求1. 根據(jù)流量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(jù)流量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(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)容的課程設計報告。主要參考資料1陳夕松 汪木蘭. 過程控制系統(tǒng)（第二版）.北京：科

3、學出版社，2011.12邵裕森過程控制工程M北京：機械工業(yè)出版社，20003姜重然工控軟件組態(tài)王簡明教程M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2007審查意見指導教師簽字： 年 月 日摘要(zhiyo)過程控制就是對工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制，它采用測量儀表、執(zhí)行機構和計算機等自動化工具設計控制系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。流量單回路控制系統(tǒng)就是采用計算機、傳感器等設備對水箱的水位進行控制使其帶到預期的狀態(tài)。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。本設計利用過程儀表和計算機，結合組態(tài)王6.53軟件設計人機交互界面，設

4、計實現(xiàn)流量單回路過程控制系統(tǒng)。同時，在組態(tài)軟件中實現(xiàn)動畫顯示(xinsh)、實時曲線顯示等功能。關鍵詞：過程控制 工業(yè) 流量 組態(tài)王目錄(ml)1 課程設計的目的(md)及要求 41.1設計(shj)目的 41.2 設計要求 42 系統(tǒng)結構設計 52.1 控制方案 52.2 系統(tǒng)結構 63 過程儀表選擇 63.1電動調(diào)節(jié)閥 63.2水泵 63.3 液位傳感器 73.4 變頻器 73.5 模塊選擇 73.6 電磁流量傳感器 84 系統(tǒng)組態(tài)設計 84.1 組態(tài)王介紹 84.2 組態(tài)畫面 95 單回路控制系統(tǒng)PID控制算法 10設計心得 13參考文獻 141 課程設計的目的(md)及要求1.1設計(

5、shj)目的 本課程是在學完工業(yè)過程控制(kngzh)課程后的一個應用性實踐環(huán)節(jié)。通過本課程設計的訓練，學生應對過程控制工程設計的概念有完整地了解，同時培養(yǎng)學生綜合應用基礎課、專業(yè)課所學知識與工程實際知識的能力。通過對過程控制系統(tǒng)的分析與設計，獲得面向工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)分析與設計的實踐知識，初步掌握過程控制系統(tǒng)開發(fā)和應用的技能。 通過某種組態(tài)軟件，結合實驗已有設備，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，采用但閉環(huán)控制結構和PID控制規(guī)律，設計一個具有美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的流量單回路過程控制系統(tǒng)。1.2 設計要求(1) 根據(jù)流量單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設計

6、控制方案，正確選用過程儀表。(2) 根據(jù)流量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(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，正確設計流量但回路過程控制系統(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)容的課程設計報告。2 系統(tǒng)結構設計(shj)2.1 控制(kngzh)方案整個過程(guchng)控制系統(tǒng)由控制器、調(diào)節(jié)器、測量變送、被控對象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為計算機，采用算法為PID控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器為電磁閥，測量變送為HB、FT兩個組成，被控對象為流量PV。結構組成如下圖2.1所示

7、。 圖2.1結構組成圖當系統(tǒng)啟動后，水泵開始抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水箱，由HB返回信號，是否還需要放水到下水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其整個原理圖如圖2.2所示。2.2 系統(tǒng)結構 過程(guchng)控制系統(tǒng)由四大部分組成，分別為控制器、調(diào)節(jié)器、被控對象、測量變送。本次設計為流量回路控制，即為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖2.3圖2.3液位單回路控制系統(tǒng)(kn zh x tn)框圖3 過程儀表(ybio)選擇3.1電動調(diào)節(jié)閥 電動調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進行調(diào)節(jié)

8、。采用德國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。控制單元與電動執(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與轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓力流量溫度壓力等參數(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，4-20mA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

9、。3.2水泵(shubng)采用丹麥蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，不會影響教師授課減少使用麻煩。功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變送器一起(yq)可構成恒壓供水系統(tǒng)。3.3 液位傳感器 液位傳感器用來對上誰為水箱的壓力進行檢測，采用工業(yè)的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，喜愛用高品質(zhì)低耗(d ho)精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。可方便的與其他DDZ3X型儀表互換配置，并能直接替換進口同類儀表。校驗的方法是通電預熱15分鐘后，分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電

10、流為20mA。本傳感器精度為0.5級，因為為二線制，故工作時需串24V直流電源。壓力傳感器用來對上水位水箱和中水位水箱的壓力進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4-20mA標志信號輸出。3.4 變頻器三菱FR-S520變頻器，4-20mA控制信號輸入，可對流量或壓力進行控制，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。可單相或三相供電，頻率可高達200Hz。3.5 模塊選擇 當需要構成計算機控制系統(tǒng)時，過程控制裝置的數(shù)據(jù)采集和控制采用目前最新的牛頓7000系列遠程數(shù)據(jù)采集模塊和組態(tài)軟件組成，

11、完全模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，先進性與實用性并舉。有效的拉近了實驗室與工業(yè)現(xiàn)場的距離。它體積小，安裝方便，可靠性極高。1) D/A模塊：采用牛頓7024模塊。4路模擬輸出，電流（4-20mA）電壓（15V）信號均可。2) A/D 模塊：采用牛頓(ni dn)7017模塊。8路模擬電壓（15V）輸入。3) DO模塊：采用(ciyng)牛頓7043模塊。4)通訊模塊(m kui)：采用牛頓7520轉(zhuǎn)換模塊。485/232轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換速度極高（300115KHz），232口可長距離。3.6 電磁流量傳感器（1）流量傳感器用來對電動調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進行檢測。根據(jù)本試驗裝置的特點，采用工業(yè)用

12、的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量0.03m3/h,壓力1.6Mpmax,4-20mA標準信號輸出。可與顯示，記錄儀表，積算器或調(diào)節(jié)器配套。避免了渦輪流量計非線性與死區(qū)大的致命缺點，確保實驗效果能達到教學要求。主要優(yōu)點：1）采用整體焊接結構，密封性好；2）結構簡單可靠，內(nèi)部無活動部件，幾乎無壓力損失；3）采用低頻矩形波勵磁，抗干擾性能好，零點穩(wěn)定；4）儀表反映靈敏，輸出信號與流量呈線性關系,量程比寬；（2）流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ-4型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：00.4mV輸出信號：420mA DC, 許負載電阻為0750歐姆，基本誤差：輸出信號量程的0.5%。4 系

13、統(tǒng)組態(tài)設計4.1 組態(tài)王介紹 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng) HYPERLINK /view/37.htm 軟件，是新型的工業(yè) HYPERLINK /view/99881.htm 自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設

14、計。 HYPERLINK /view/380099.htm 組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢 HYPERLINK /view/400.htm 曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的 HYPERLINK /view/15565.htm 設備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。組態(tài)王是運行在Windows98/NT/2000上的一種組態(tài)軟件。使用(shyng)組態(tài)王，用戶可以方便地構造適應自己需要的“數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)

15、”，在任何需要的時候(sh hou)把生產(chǎn)現(xiàn)場的信息處理和判斷決策的控制信號傳向現(xiàn)場實施有效的生產(chǎn)控制。組態(tài)王的網(wǎng)絡功能使企業(yè)的基層和其它部門建立起聯(lián)系，現(xiàn)場操作人員和工廠管理人員都可以看到各種數(shù)據(jù)。管理人員不需要深入生產(chǎn)現(xiàn)場，就可以獲得實時和歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制現(xiàn)場作業(yè)，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。組態(tài)網(wǎng)易于學習和使用，擁有豐富的工具箱、圖庫和操作向?qū)В瓤梢怨?jié)省您的大量時間，又能提高系統(tǒng)性能。組態(tài)王可用于電力、制冷、化工、機械制造、交通管理等多種工程領域。無論您的應用場合如何，您都可以使用組態(tài)王構造有效的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4.2組態(tài)畫面系統(tǒng)組態(tài)畫面如圖4.21所示。圖4.21 系統(tǒng)組態(tài)畫面PID

16、設定后運行動態(tài)組態(tài)圖界面顯示圖4.22圖4.22 動態(tài)(dngti)組態(tài)圖界面顯示為了更安全的應用于工程控制，添加了報警顯示，當水位(shuwi)低于10時，彈出報警框，顯示水位過低；當水位大于90時，彈出報警框，顯示水位過高。報警運行畫面如下圖4.23圖4.23 報警(bo jng)運行畫面 4.3 數(shù)據(jù)字典系統(tǒng)動畫制作過程中的數(shù)據(jù)字典如表4.3所示。 表4.3數(shù)據(jù)字典變量名變量類型連接設備寄存器上水箱液位I/O實型A/D下水箱液位I/O實型A/D 儲水箱I/O實型 管道流量I/O實型A/D 泵I/O離散PLCCommErr電動調(diào)節(jié)閥I/O實型PLCRADOM100SV（設定值）內(nèi)存整型PV

17、（測量值）內(nèi)存整型P內(nèi)存整型I內(nèi)存整型D內(nèi)存整型uk1內(nèi)存整型uk11內(nèi)存整型ek11內(nèi)存整型ek12內(nèi)存整型ek21內(nèi)存整型ek22內(nèi)存整型q10內(nèi)存整型q11內(nèi)存整型q12內(nèi)存整型5 單回路(hul)控制系統(tǒng)PID控制算法根據(jù)流量單回路控制系統(tǒng)的原理，運用(ynyng)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。本系統(tǒng)采用PID位置控制算法，其控制算式(sunsh)如下：上述算式中，為比例系數(shù)，為積分時間，為微分時間，以 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，作為偏差。PID控制算法流程圖如下圖5.1所示 圖5.1PID控制算法流程圖設

18、計(shj)心得通過不懈的努力和與同學的設計交流，完成了本次的流量單回路控制系統(tǒng)的設計。在設計中，為了更好的進行實際利用，添加了報警功能，當液位過高和過低都會彈出報警頁面，提高安全性。通過此次設計，我進一步了解了過程控制系統(tǒng)的構成，知道它最基本的部分有控制器、調(diào)節(jié)器、被控對象和測量變送環(huán)節(jié)組成。并且學會了如何去設計一個過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設計步驟。對組態(tài)王軟件也有了很大的了解，學會了初步的應用，認識到了組態(tài)王的一些應用情況，組態(tài)王軟件的組成與功能，其應用程序項目如何建立，數(shù)據(jù)詞典如何建立，動畫如何進行鏈接，命令語言程序如何編寫，趨勢曲線(qxin)如何建立，還有I/O設備的配置和組態(tài)網(wǎng)絡的建立等等一系列與組態(tài)王軟件應用相關的知識。總的來說，這次(zh c)設計是一次收獲很大的設計，學到了很多教學中學不到的東西，對我的動手能力有了很大的幫助。在這次的課程設計