工业过程课程设计-基于组态软件的压力单回路过程控制系统设计.doc

工业过程控制课程设计题 目:基于组态软件的压力单回路过程控制系统设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计地点： 设计时间： 2011.6.202011.6.26 设计成绩： 指导教师： 本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。 摘要 工业过程控制课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目基于组态软件的压力单回路过程控制系统设计课题性质工程设计课题来源自拟题目指导教师主要内容通过某种组态软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位流量串级过程控制系统。任务要求1. 根据压力单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。2. 根据压力单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。3. 根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。4. 运用组态软件，正确设计压力单回路过程控父系统的组态图、繄态画面和组态控制程序。5. 提交包括上述内容的课程设计报告。主要参考资料1 组态王软件及其说明文件2 邵裕森过程控制工程北京：机械工业出版社280_3 过程控制教材4 辅导资料审查意见指导教师签字： 彴( 月 日 摘要过程控制就是对工业生产过程的自动控制，一般的理解就是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，设计控制系统，实现工业生产过程自动化。一个典型的单回路控制系统一般由控制器，执行器，被控过程和测量变送等4个部分组成，过程控制系统的实质是反馈，而在工程控制系统中采用单回路控制系统和串级控制系统占过程控制总量的80%，这次课程设计旨在研究压力单回路控制系统。压力控制回路是用压力阀来控制和调节液压系统主油路或某一支路的压力，以满足执行元件速度换接回路所需的力或力矩的要求。利用压力控制回路可实现对系统进行调压(稳压)、减压、增压、卸荷、保压与平衡等各种控制。这次采用静压式的方法通过测量液位的高度产生的静压实现液位测量，通过某种组态软件，结合实验室已有设备，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位流量串级过程控制系统。关键词：过程控制 自动化 反馈 压力控制回路 目录1 系统描述及控制要求.1 1.1控制系统描述.1 1.2满足工艺操作上的控制要求.12 控制系统方案设计和控制规律选择.1 2.1方案设计.2 2.2控制规律的选择.23 选择过程仪表和过程模块.3 3.1液位传感器和压力传感器.3 3.2电动调节阀.4 3.3变频器.4 3.4水泵.4 3.5模块选择.44 流程图和组态图的设计.5 4.1流程图的设计.5 4.2动态组态图.6 4.3数据词典.6 4.4历史曲线和实时曲线.75 安装接线.86 系统调试.9设计心得.11参考文献.11PAGE 81 系统描述及控制要求 1.1控制系统描述根据设定的管道对象、压力传感器、水箱，电动阀等设置，运用计算机和组态王软件，设计一套监控系统，并通过调试使得管道水压维持恒定或保持在一定误差范围内。计算机 控制器 变频器水泵管道 压力检测 传感器 _ SP P V PV1 。 图1.1控制系统1.2满足工艺操作上的控制要求1. 设计出比较完整的控制画面。画面包括上水箱、储水箱、电动调节阀、水泵、变频器、管道及其开关型电磁阀、流量检测仪表及显示、压力检测仪表及显示、阀位检测及显示、水位检测仪表及显示、实时曲线、历史曲线、PID参数调整框、手动控制开关、自动控制开关、结束退出开关。2. 要求管道压力恒定，压力设定值SP自行给定，电动调节阀为固定开度。3. 无扰时，通过控制电动机变频器频率，实现压力基本恒定。4. 有扰时，改变电动机变频器频率，管道压力允许波动。5. 预期性能：响应曲线为衰减振荡；允许存在一定误差；调整时间尽可能短。2 控制系统方案设计和控制规律选择2.1方案设计 本工程设计中利用液位高度产压力的方法在下水箱底的管道上安装压力传感器并通过控制器对液位进行控制，保持液位稳定的监控系统。管道压力主要与两种因素有关：电动机的转速、电动阀的开度，其中电机的转速起决定作用，电动阀的开度对其有佰响因此本斩案采用以变颁器焵机转速为控制勂数，管遒压力为被参数，电机为执行器运用PID玗法嚀单回觯闭环控制，采用比例积倂微分控制。积分作用虽然会使系统嚄稳定性降低，是它的好处是没有余。积倆适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差犄场合，因此适应本系统对压力的控制。微分用具有超前控刲作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余姮减小，加快了控制过程，改控制质量。 图2.1 方案图 2.2控制规庋的逈择 尽管不同类型的控倶器，其结构、原理各不相同，乆是基本控制规律勪有三个：比例(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控刴。这几种控制规律可以独使用，但戯更多场合是组使用。如比例(P)控制、比例-积分(PI)控制、比例-积分-微分(PID)控制等。比例(P)控制单独的比例控也称“有差控制”输出的变化与输健控倶器暄偏差成比例关系，偏差越大输出越大。实际应用比例度的大小应视具体情冥而定，比例度太小，控制作用太弱利于系统克服扰动，余巬太大，控制质量姮，乏没有什掦制作用；櫔例度太大，抧制作用太强容易导致系统的稱定怦变差，引叐振荡单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。工业生产中例憧制规律使用较为普聍。比例槭分(PI)控制比例控制规宋是基本控制规律中攀基本的、应琨最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产甛，控制器立即产生控制佌用。但是，不能最终消除余差的缺点限制亂它的兕独使用。克服余差的办法是在槔例控刴的基础上加上积分控制作用。比例微分(PD)控制比例积分控制对于时间仞后的被控对葡使用不堛理惲。所谓“时间滞后”挅的是：幓被控对聡受到扰动作用后，被憧变量没有立剳发生变儔，而搯有一时釴上的延軟，毄如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。由此引入了微分制。微分控制器输出的夦小取决于输入偏姮倖的耟度微分控制用的物悹是：动作跅速其月超前调肂能有效改善被控对象有辂大时铴滞后的控制品质；但是它不能消除余差，尤其是審于恒定偏差输入时根本就没昉控作用。因此，不能单独使唨微控制规律。毄例和嶮分作用盓合，单纯的比例用更快尤其搯嫹効量滞后大璄对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。 比例积分微分(PID)控制 最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。为了取得较好的控制效果，上述所有单回路系统在系统设计时，均选PID控制规律。调试时根据调整情况可采用PI或PID控制规律。3 选择过程仪表和过程模块3.1液位传感器和压力传感器 液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便地与其它DDZ-X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。液位传感器用来对上位水箱和中位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。3.2电动调节阀 电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA 及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性,.阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。3.3变频器三菱FR-S520变频器（见上图），4-20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋扭控制频率。可单相或三相供电，频率可高达200Hz。3.4水泵采用丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长，不会影响教师授课减少使用麻烦。功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。3.5模块选择1. D/A模块：nudan7024模块外形模块原理模块接线模块性能：电流输出420Ma；2. A/D模块：nudan7017电压输入3. DO模块：nudan70434. 通讯模块：nudan75304 流程图和组态图的设计4.1流程图的设计 图 4.1 流程图 4.2动态组态图 图 4.2 组态图4.3数据词典注释类型访问名主题名项目名上水箱液位I/O实型ADADAI0下水箱液位I/O实型ADADAI1主流量I/O实型ADADAI2副流量I/O实型ADADAI3主阀位I/O实型ADADAI5压力I/O实型ADADAI6主阀开度I/O实型DADAAO0变频器频率I/O实型DADAAO2副阀位I/O实型DADAAI7 图 4.3 数据词典 4.4历史曲线和实时曲线 （1）调节PID参数如图：得到如下曲线如图： 图 4.41实时曲线 图 4.42历史曲线5 安装接线液位变送器输出： 5(+) -电源正极(水箱液位检测) 6(-) -In1+ In1- -电源负极压力变送器输出： 7(+) -电源正极(压力检测) 8(-) -In6+ In6- -电源负极游标输出： 17(+) -In2+(管道流量检测) 18(-) -In2-电动调节阀输入： 9(+) -电源正极（管道电动阀控制） 10(-) -Io0+ AGND -电源负极 AGND -电源负极变送器输入： 41(+) -电源正极（变送器控制） 42(-) -Io2+ AGND -电源负极电动调节阀阀位输出： 11(+) -In5+（主管道阀位控制） 12(-) -In5-6 系统调试首先调试PID各参数对系统正常工作产生的影响及带来的后果Kp对系统的影响由下图实时曲线可得：当：SP=6KP=40 SP= KP=6 图 6.1实时曲线KP太大系统稳定性差，KP太小余差太大，因此选择合适值对系统正常工作很重要。它主要适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。 Ti对系统的影响由下图实时曲线可得：当KP=15 TD=0 SP=25时 选择Ti不同值如下图： Ti=3 Ti=6 图6.2 实时曲线由图可得：积分作用虽然会使系统的稳定性降低，但是它的好处是没有余差。积分适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，因此适应本系统对压力的控制。Td对系统的影响由下图历史曲线可得：TD=0.5 TD=0.3 TD=500TD=100 ( $! TD=40 噾6.3 实时曲线由图可得：微分作用具有超前控制作用，聽使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量，在被控对象具有较大滞后时，会产生很好的控制效果。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统将有可能产生振荡，严重时系统无法控制。设计心得 第一次接触课程设计，对所研究的内容特别好奇，所以当课题拿到手就迫不及待的打开电脑开始进行设计。这是一次关于单回路压力过程控制系统的设计，单回路对我们来说一点也不陌生，可是还要学习组态王绘图，以及对程序的编程，在几天的时间学那么多东西需要每个人的尽心尽力。 刚开始大概了解课题的原理，就是运用水管的高度产生的压力由压力传感器、变送器等送到控制器来控制水阀的流量达到对水位监控的目的，接下来就是日复一日的绘图、编程和写设计报告。在这次的课程设计中总算体验到了技术工作人员的辛苦，而且也加深了对自动化专业的认识，加强了实际动手操作能力，有机的把理论和实践结合在一起，能设计一些基本的控制程序。然而在不断深入的学习中遇到到很多棘手的问题，但是在老师的指导和同学的帮助下顺利的解决了遇到的问题，在解决问题的同时有很大的收获 .尤其是动手调节PID