毕业设计论文_温度流量串级控制系统仿真设计.doc

毕业设计报告（论文）(2012届)题 目： 温度流量串级控制系统仿真设计所 属 系： 班 级： 学 生 姓 名： 学 号： 同 组 成 员： 指 导 教 师： 摘要 串级控制是改善和提高控制品质的一种有效方案，以锅炉为目标，冷却管出口水温为主控参数，出口流量为副控参数，利用PLC模拟量控制与组态王画面做出系统仿真。以温度影响来改变流量的大小，再而以流量大小的冷却速度去影响水温的变化。从而达到一个串级控制。本设计中正是运用串级控制来实现对锅炉内醋酸发酵需要一个外部与内部环境为目的设计的，使用到PLC采集数据，之后同时输出模拟量对主调节阀实现一个控制，再以主调节阀去控制负调节阀，达到一个主副相互引导的理论。关键词：PLC、组态王、串级控制。 目录第一章 绪论1.1 课题背景目前，可编程控制器在国内已经广泛应用于机械制造、钢铁冶炼，石油化工，煤炭电力建筑建材、轻工纺织、交通运输、食品加工医疗保健、环保和娱乐等众多行业应用领域及其广泛。因此我们作为在校的学生更要等多的了解PLC与其应用。我们在学习的过程中，也做了很多的PLC的应用，例如跑马灯、灯光喷泉、交通指示灯，等等。组态软件大约在20世纪80年代中期在国外出现，在中国也有将近20年的历史。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及随着工业控制系统应用的深入，随着计算机硬件和软件技术的发展，工业控制系统应用规模逐步扩大，控制更为复杂，原有的上位机编程的开发方式费时费力，而且网络及数据库技术的发展，似的工业现场可以为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。组态监控系统有所突破的在配置系统功能方面，它将现场监控、远方监控、保护、自动化以及一次设备有机地配合到一起。有待创新的是向计算机化、网络化、智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化的方向发展，最大限度地发挥它资源共享、信息共享、数字通信的优势。、通过PLC的模拟量控制，与组态王的模拟建面。使得我们有一个良好的条件去完成一个温度与流量的串级控制，本设计中正是运用串级控制来实现对第一氧化塔内醋酸发酵需要一个外部与内部环境为目的设计的，使用到PLC采集数据，之后同时输出模拟量对主调节阀实现一个控制，再以主调节阀去控制负调节阀，达到一个主副相互引导的理论。其中以稳定主参数为目的，减小副参数变化的时间常数为主要目标，做到高效，节能，稳定。这样一个串级控制才是我们实际工作中缩需要的。1.2 设计目的和意义 了解课题后认识到温度流量串级控制是以串级控制系统来控制氧化塔温度，以盘管冷却水流量为副对象，流量变动的时间常数小，时间延时小，控制通路短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速，反应灵敏等要求。同样串级控制系与单PID控制系统是有区别的，串级也可以做成单PID,但是在控制过程中就没有副调测量值来参与控制。一般来说控制过程可能不太稳定了。与简单回路相比，串级控制系统在结构上增加了一个副回路,对进入副回路的干扰有很强的抑制能力。所以来说光光的单PID与简单的单回路满足不了我们的需求，为了达到流量变动的时间常数小，时间延时小控制通路短等要求，我们加入了副回路，用副回路包含尽量多的干扰，并予以排除，保证主回路最终控制点的稳定。同样副回路同样要达到上面说的一些要求，但是对于主回路与副回路的关系，副回路的一些参数变化是次要的，所说也有一定的影响力。但是主要以副参数来影响主参数的变化。第二章 串级控制环节设计2.1 串级控制两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。2.2.1 结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。 前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。 整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。 一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。2.2.2 串级控制系统的工作过程* 1）扰动作用于副回路 * 2）扰动作用于主过程 * 3）扰动同时作用于副回路和主过程 分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。2.2.3 系统特点及分析* 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。 * 能迅速克服进入副回路的二次扰动。 * 提高了系统的工作频率。 * 对负荷变化的适应性较强2.2.4 工程应用场合* 应用于容量滞后较大的过程 * 应用于纯时延较大的过程 * 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程 * 应用于参数互相关联的过程 * 应用于非线性过程2.2.5 温度流量串级控制系统的系统分析温度流量串级控制是以串级控制系统来控制氧化塔温度，以盘管冷却水流量为副对象，流量变动的时间常数小，时间延时小，控制通路短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速，反应灵敏等要求。氧化塔温度为主对象，冷却水流量的改变需要经过一定时间后通过盘管的热交换才能反应氧化塔温度，时间常数比较大，时延大。将主调节器的输出作为副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与负反馈值相同。若参数比较理想，且主回路扰动较小，经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主回路进一步调节，从而完成克服上述扰动，使换热器热水出口温度调节到给定值上。例如如果改变盘管的冷却水流量，即改变了氧化塔温度。如果没有副回路，主回路将产生校正的作用，克服扰动对温度的影响。但是由于副回路的存在，加快了校正的作用，使扰动对主回路的影响较小。2.2 温度与流量串级控制设计根据工艺流程与控制要求，基于乙醛氧化制醋酸第一氧化塔中的冷却管出口温度与流量串级控制系统原理框图。如图 1 所示图 1 串级控制系统原理框图2.2.1 温度与流量串级控制系统主、副回路的设计由串级控制系统的特点可知，系统具有2个调节器和两个闭合回路，2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主调节器是按主参数的（冷却管出口水温）的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值，可选用PID或PI控制规律。副调节器是按副参数（变频之路流量）的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，器输出直接控制执行机构，可选用P控制规律。系统的流程示意如图 2 所示图2 系统的流程示意图串级控制系统的主回路是一个定制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。该系统中选择第一氧化塔中冷却管出口水温为主参数。副参数为副回路支路流量，其选择原则是应使副回路的时间常数小，提高响应速度的，改善系统的控制品质。该串级控制系统用来控制第一氧化塔中冷却管出口水温，以副回路支路为副控对象，该支路水流量在PLC输送过来的模拟量控制下，进行流量选择，符合副回路的选择的超前、快速、反应灵敏等要求。第三章 关于可编程序控制器（PLC）与组态王3.1 PLC的结构可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。它是一种以微机处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信控制技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置（本次课题主要应用三菱FX2N系列PLC进行设计）。PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。其结构简图如图3所示。存储器 EPROM 微处理器 运算器 控制器电源 输入部件I/O扩展接口 I/O扩展单元 受控元件输入信号外部设备图3 PLC硬件结构图3.2 PLC的主要特点1、抗干扰能力强，可靠性高2、控制系统机构简单，通用性强3、编程简单，易于使用4、功能完善5、体积小、维护操作方便3.3 PLC的循环处理过程CPU中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC的启动、刷新过程映像输入/输出区、调用用户程序、处理中断错误、管理存储区和通信等任务。用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。STEP7将用户编写的程序和程序所需要的数据放置在块中，功能块FB和功能FC是用户编写的子程序，系统功能块SFB和系统功能SFC是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器和定时器等内容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户生成的“系统启动”组织块OB100,完成用户指定的初始化操作。以后PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也成为扫描工作方式。下面是循环处理各个阶段的任务：(见图4)1) 操作系统启动循环时间监控。2) CPU将过程映像输出区的数据写到输出模块,CPU读取输入模块的输入状态，并存入过程映像输入区。3) CPU处理用户程序，执行用户程序的指令。4) 在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务。5) CPU返回第一阶段，重新启动循环时间监控。在启动完成后，不断的循环调用组织块0B1,OB1是用户程序的主程序，它可以调用别的逻辑块。循环程序处理过程可以被某些事件中断。如果有中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并自动调用分配给该事件的组织块。该组织块被执行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方继续开始执行。图4 扫描过程3.4 FX2N系列PLCFX2N 型PLC的主要种类:FX2N型PLC按品种可以分为基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊扩展设备。1、FX2N 型PLC基本概念如图所示为FX2N型PLC基本单元外形，其主要是通过输入端子和输出端子与外部控制电器联系的。输入端子连接外部的输入元件，如按钮、控制开关、行程开关、接近开关、热继电器接点、压力继电器接点、数字开关等。输出端子连接外部的输出元件，如接触器、继电器线圈、信号灯、报警器、电磁铁、电磁阀、电动机等。三菱FX2N系列PLC实物图如图5所示。图5三菱FX2N系列PLC实物图2、FX2N 型PLC的工作过程（1）输入采样阶段（2）程序处理阶段（3）输出刷新结果阶段3.5 组态王3.5.1 组态王的运用我们在设置通讯通道时，首先要选择相同的通讯通道。当我们打开组态王时我们会看到一个工程浏览器的话面。这个时候我们要在设备窗口选择一个设备，我要与PLC相连接，因此我们选择“COM1”这个设备窗口，图6为工程浏览窗口。图6为工程浏览窗口当我们点击一下COM1端口后，我们要在双击如图8工程浏览窗口中右边空白的新建。这时我们会进入到一个“设备配置向导生产厂家、设备名称、通讯方式”这样的一个窗口，如图7所示。图7设备配置向导生产厂家、设备名称、通讯方式窗口当我们进入到如图8这样的窗口时，我们就要选择设备驱动的设备了，我们本次毕业设计是需要与PLCL连接，因此我们要选择PLC。当我们点击PLC后会出现很多的PLC类型。例如：欧姆龙、日立、西门子、三菱、亚控等等。我们需要的是三菱的PLC，因此我们点击三菱。当点击之后会出现很多的三菱PLC类型。图8为三菱PLC众多类型。图8为三菱PLC众多类型在我们进入到这样的画面时，我们要选择FX2系列的，然后双击“FX2”点击里面的编程口，然后点击下方的“下一步”。这下一步就是给这个链接设备给命名，这个随便写一下，只要自己看后知道。在点击“下一步”就是设备的串口选择了，我们要与PLC选择一样的串行口，本次毕业设计是选“COM1”,下面就没有什么重要的需要设置了，只需要一直点击下一步就可以了。图9串行口选择.图9串行口选择到这一步我们的组态联机部分的准备工作基本完成，可是还有一个重要的窗口需要设置这个就是工程浏览中的“COM1”端点的设置，因为他有一个默认的设置，图10为“COM1”端点默认设置图10为“COM1”端点默认设置3.5.2 PLC联机设置PLC的联机相对组态王的设置要简单的多，只要我们打开我们的PLC运行画面，点击工具栏里的PLC，在点击最下边的端口设置，因为我们组态王设置的是“COM1”所以我们的PLC设置也为“COM1”端口，图11 PLC联机端口设置。图11 PLC联机端口设置第四章 本设计中PLC与组态王的通讯4.1 串级控制系统运行方案当我们按下启动按钮后，泵开始工作，由于第一氧化塔内醋酸反映，使得第一氧化塔内有温度变化，有高有低，为了使得醋酸反映有一个良好的温度环境，所以我们要控制氧化塔内的温度，这才有了冷却系统的出现，当氧化塔内温度过高时，温度调节器促使流量调节器工作温度高时，流量加快，温度低时流量减慢。本设计中由于一开始不大了解，由于没有运用到PID运算，我只是做了些简单的比较指令和采集数据指令。温度在0到100，100到180，180到250，不同的范围意味着不同的孔板开度。4.2 串级控制系统模拟仿真运行的组态画面图12 串级控制系统模拟仿真运行的组态画面4.3 PLC梯形图图13 串级控制系统总体梯形图设计4.3.1 PLC数据采集指令（TO/FROM）图14 PLC数据采集指令4.3.2 比较指令图15 PLC比较指令4.4 组态王中的变量设置组态王中的变量设置与PLC还是有很大的区别的，表16为温度与流量串级控制仿真组态王中的变量。变量名称变量类型连接设备寄存器液位I/O整数PLCD0温度I/O整数PLCD5图16组态王中的变量设置4.5 组态王中数据词典设置图 17 组态王中数据词典设置第五章 总结我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计组态画面的时间里记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾经赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从所收集的资料中，让我对，PLC与组态王串级控制系统有了更深刻的了解。PLC中复杂的步骤成为了我最大的困惑，不断的请教同学是我唯一能做的，组态王里的，命令语言也随之变得深奥，于是我想老师、同学求教。最终我完成了毕业设计，写好了论文。致谢心感谢我的指导老师祝王老师。祝老师在我的温度流量串级控制系统仿真设计课程设计中，从课题的选择到课题的研究及设计的完成，都给予我极大的帮助。从课题的开题报告，到任务书的写作，在到毕业设计的完成都浸透着王燕老师的辛勤的汗水。在此还要感谢一直帮助我的朱天胜同学，每次在我编写程序有困难的时候总会过来和我一起讨论，或者给我一些启发。，由于用到得都是就基本指令所以一个人编写会有很多的困难。在此还要感谢我的同组好友，在做整个毕业设计一直以来的支持。感谢他每在来签到的时候，提醒我要早到，感谢他在我写论文时提醒我注意保存。最后感谢在我做毕业设计及毕业论文给予帮助