过程控制与仪表课设——液压控制系统.doc

中南大学过程控制仪表课程设计报告设计题目 液压控制系统 指导老师 王 莉 吴同茂 设计者 222222 专业班级 自动化 设计日期 2010年6月 目 录第一章 过程控制仪表课程设计的目的意义31.1 设计目的31.2 课程在教学计划中的地位和作用3第二章 压力控制系统（实验部分）32.1 控制系统工艺流程32.2 控制系统的控制要求62.3 系统的实验调试7第三章 液位控制系统工艺流程及控制要求93.1 设计工程分析93.2 液位控制系统工艺流程103.3 设计内容及要求10第四章 总体设计方案11 4.1 设计思想11 4.2 总体设计流程图12第五章 硬件设计135.1 硬件设计概要135.2 硬件选型13第六章 软件设计156.1 控制算法的选择156.2 PID控制指令15第七章 调试中遇到具体问题与调试方法177.1 调试问题177.2 调试方法17第八章 收获和体会18参考文献19第一章 设计的目的与意义1.1 设计目的 本课程设计是为过程控制仪表课程而开设的综合实践教学环节，是对现代检测技术、自动控制理论、过程控制仪表、计算机控制技术等前期课堂学习内容的综合应用。其目的在于培养我们综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使我们通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进我们对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使我们将理论与实践有机地结合起来。这次我们小组的任务是压力控制系统的应用和设计。1.2 课程在教学中的地位与作用 “过程控制仪表”是自动化专业必修的专业课之一，通过课程设计可以让我们对工业的控制模拟对工业的一些控制有了更深一步的了解，为我们加深对课程理论知识的认识和工业应用，所以本课程在教学中起到了融会贯通的作用，让我们所学到的东四都联系到的一起，是教学中是不可或缺的。 第二章 压力控制系统2.1 控制系统的工艺流程 该装置有三个互相串联的不同大小的密封压力容器和针型阀、压力阀、及流量等检测变送仪器组成，配套的仪表屏上安装了控制、显示灯仪表，并配有带连接信号插座孔德工程模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图2-1所示。 图2-1压力装置工艺模拟流程图 上图中，标有字母方块的各种仪表，O为各种仪表的输入、输出信号的单线接插件的插座孔（+、插孔）。其中： C：控制器。该装置配有三个单回路调节器C1、C2、C3，控制输出信号为420mA，每个调节器设有三对插座孔。其中：PV孔位测量值输入，SV孔为外设定输入或阀位反馈信号输入，O孔为调节器输出。 R：记录仪为无纸3通道，R3孔为3号通道。每个通道有两个插座孔，其中上孔接变送器来的信号，下孔接到其他仪表作为输入信号，注意不能接错。 PT：压力变送器。压力变送器为LSYB，1#3#输入量程均为080Kpa，变送输出为420mA。 VL：电子式电动阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入420mA电流信号，对应阀门输出开度0100%。 FT：流量计。流量计是一种为LGJ-6型玻璃浮子流量计，输入流量为03m*3/h，无信号变送输出，只有浮子指示。 V1-2和I1-2：两路电压电流转化器。其中V1为第1路电压输入信号端，H为第1路电流输出信号端，V2为第2路电压输入信号端，I2为第二路电流输出信号端，O上孔接电压/电流转换器来的正信号，下孔接电压/电流转换器的负信号，不能接错。 由图2-1可见，压缩空气分两路进入压力容器。支路1为控制通道，压缩空气经减压调整为200KPa，通过调节阀的流量可由玻璃转子流量计指示，经1#罐和针阀R1（可调电阻）、2#罐和针阀R3最后排放入大气。支路2为扰动通道，压缩空气经减压调整为60kpa，通过调节阀的流量也可由玻璃转子流量计指示，进入1#罐、2#罐或3#罐的通路由截止阀F1、F2及F3控制，相当于扰动的加入位置可以选择。 本装置有三个检测变量，可以从中选择一至二位被控变量。有两个可控制的变量（两个经调节阀的压缩空气的流量），一般，支路一流量作为操作变量通路，支路2则作为扰动输入通路。在确定被被控量、操作变量、主要扰动和控制方案后，只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方便、迅速地组成不同的控制回路。2.2 控制系统的控制要求 本实验采用压力串级控制系统。 主变量采用3#的气缸压力，副变量为1#气缸压力的压力串级控制系统，为了提高控制质量，可以选择3#气缸压力位主被控变量，1#气缸压力位副被控变量的串级控制方案，把支路1通道的阀前压力波动和F1扰动纳入副回路。其带控制点的工艺流程图和方块图如图2-2与2-3所示。 图2-2 3#罐压力简单控制系统的带控制点的工艺流程图 2-3 3#气缸压力串级控制系统的方框图通过外界值来确定来测试此系统的线性可控区。要求：1、超调量不超过5%。 2、稳态误差不超过2%。在符合此条件的工作区则就认为是线性工作区。2.3 系统的实验调试2.3.1参数的设定 1、主控制器 一级参数设定： 将预算周期T0 设为3s PID参数先设定为 P=100、I=50、D=6 二级参数设定 PID作用方式选为反作用 F1=1 PID输出显示 F3=1 控制方式选择 IN2=0 输出下限PIDL=0 输出上限PIDH=100 2、副控制器 将预算周期T0 设为3s PID参数先设定为 P=100、I=50、D=6 二级参数设定 PID作用方式选为反作用 F1=1 PID输出显示 F3=0 控制方式选择 IN2=2 输出下限PIDL=0 输出上限PIDH=1002.3.2线性区的测试 为了使其线性可控性高，我们应该调节其控制参数PID，经过多次调试其结果为主控制器P=200、I=50、D=05副控制器P=161.4、I=60、D=20测得数据为给定值25354050测量值24.1-25.834.2-35.838.3-40.648.9-51.3有上可知线性可控区为2550Kpa第三章 压力控制系统工艺流程及控制要求3.1设计工程分析 这次设计是以一典型工业生产过程煤气脱硫工艺过程进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。其中煤气脱硫工艺的流程图如下HPF脱硫工艺流程HPF法脱硫是国内新开发的技术,它是以氨为碱源液相催化氧化脱硫新工艺,采用的催化剂HPF是一种复合催化剂,它对脱硫和再生过程均有催化作用。所产废液完全可以回兑到炼焦煤中,从而大大简化了工艺流程。脱硫、脱氰效率较高,一般可达到塔后煤气含H2S100mg/m3，含HCN300mg/m3。HPF法脱硫的工艺流程是:鼓风机后的煤气进入预冷塔与塔顶喷洒的冷却水逆向接触,被冷却为30，冷却水从塔下部用泵抽出,送外冷器被低温水冷至28送回塔顶循环喷洒。采取部分剩余氨水更新循环冷却水,多余循环水返回机械化氨水澄清槽。预冷后的焦炉煤气经过两台并联的脱硫塔,从塔顶喷淋脱硫液以吸收煤气中的H2S、HCN(同时吸收氨,以补充脱硫脱氰过程中消耗的氨)。脱H2S后的煤气送入洗涤工段。两台并联的脱硫塔都有自己独立的再生系统，吸收了H2S、HCN的溶液从塔溜出，经液封槽进入各自独立的反应槽，再经溶液循环泵送入再生塔。同时由空气压缩机送来的压缩空气鼓入再生塔底部,溶液在塔内即得到再生。再生后溶液经液位调节器返回各自对应的脱硫塔循环使用。浮于再生塔顶的硫泡沫利用位差流入泡沫槽,硫泡沫经泡沫泵送入戈尔膜过滤器分离,清液流入反应槽,硫膏经压缩空气压榨成硫饼装袋外销。为避免脱硫液盐类积累影响脱硫效果,排出少量废液送往配煤。3.2 压力控制系统工艺流程本次课程设计选择的参数压力，对其进行控制系统的设计。其控制工艺流程图如3-1。图3-1压力控制工艺流程图3.3设计内容及要求 1、 了解煤气脱硫工艺过程的工艺流程和控制要求；2、 了解压力控制在整个工作流程中的作用。3、 设计其工业生产过程中压力控制系统（包括控制系统的软硬件的总体设计，如参数检测变送器、控制器、执行器及调节阀的选型和控制算法的程序设计及控制系统参数整定）；4、完成对压力的系统调试实验；5、提交课程设计报告一份，阐述系统设计思想和方案，包括对所选取工业生产过程的工艺分析、控制要求、总体方案设计。 第四章 总体设计方案4.1设计思想通过对煤气脱硫过程及压力控制部分的分析，由于其只需一个检测量，即预冷塔内液面的位置，因此采用单回路控制就可以满足生产的要求。其中单回路的压力控制系统的方框图4-1图4-1压力单回路控制系统压力控制系统由下列四个部分组成：1被控对象密闭的压力容器，2电动阀，3压力变送器和4PID智能调节器等。它们连结成控制系统的方框图如上图。图4-1中被控对象是三个互相串联的不同大小的密闭压力容器，被调参数是密闭压力容器的压力，调节参数是流入密闭压力容器的气流量Q，密闭压力容器压力由压力变送器检测得到压力反馈信号PTf，它和压力设定信号PTS进行比较，得到偏差信号PTI，调节器对输入偏差PTI进行PID运算，输出变化量Y控制信号，控制电动调节阀门的阀位，改变调节参数Q，使被调参数PT保持在设定值。其中f为扰动量。4.2 总体设计流程图 总体方案设计流程图如下当系统运行时，压缩空气进入管道，之前管道上PIC控制器设有气体压力给定量，以保证系统内气压力稳定。当检测到管道内压力大于给定值时，PIC控制器会控制电动阀将阀门调小，从而使管道内压强减小，反之，PIC控制器会控制电动阀将阀门调大，从而使管道内压强增大。第五章 硬件设计5.1 硬件设计概要该系统硬件设计主要包括检测单元、执行单元和控制单元的设计。利用工业控制计算机 (IPC) 作为上位机，利用MCGS软件作为程序开发平台，下位机采用可编程序控制器 (三菱FX2N16M PLC)，组成一个压力过程控制监控系统（如图5.1）。MCGSIPC 工控机PLC上位机下位机图5.1 压力过程监控系统5.2 硬件选型压力变送器 压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。选择压力变送器所需要的参数 1、压力量程范围 2、是选择智能还是模拟 3、是否要带表头显示（指针、数码管、液晶） 4、精度等级 5、测量的介质电动调节阀 1. 电动调节阀选用主要控制参数为：公称直径、设计公称压力、介质允许温度范围、流量系数等。 2. 对于要求流量和开启高度成正比例关系的严格场合，应选用专用调节阀。球阀和蝶阀一般粗调时可以选用。 3. 阀门的密封性能是考核阀门质量优劣的主要指标之一。阀门的密封性能主要包括两个方面，即内漏和外漏。内漏是指阀座与关闭件之间对介质达到的密封程度。外漏是指阀杆填料部位的泄露，中口垫片部位的泄露以及阀体因铸造缺陷造成的泄露。外漏是不允许发生的。 4. 调节阀理想流量特性有快开、抛物线、线性、等百分比四种，需根据实际工作流量特性选择具有合适流量特性的调节阀。三菱FX2N PLCPLC特点有很多，主要列举如下：1 可靠性高，抗干扰能力强 PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。2 配套齐全，功能完善，适用性强 现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3 易学易用，深受工程技术人员欢迎4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造5.体积小，重量轻，能耗低第六章 软件设计6.1 控制算法的选择PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为因此它的传递函数为：其中,kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数6.2 PID控制指令PID S1 S2 S3 S4PID控制在PLC中既可用PID硬件模块实现，也可用软件实现。软件方法就是根据PID算法编制控制程序或直接调用PID指令，后者较方便，但不是所有PLC都支持。三菱FX2N系列PLC提供了PID控制指令，且其参数设置灵活，使用方便。其中S1表示设定值所在的数据寄存器；S2表示测量值所在的数据寄存器；S4表示输出值所在的数据寄存器；S3S3+6表示PID指令中控制参数设置所需的数据寄存器，其分配如下:S3 采样时间(ms)S3+1动作方向(ACT)S3+2 输人滤波常数(a)S3+3 比例增益(Kp)S3+4 积分时间(TI) ( x 100ms)S3+5 微分增益(KO)S3+6 微分时间(TD )( x 10ms)为了得到最优PID控制，系统运行开始时设定S3+1(ACT)的第4位为ON，启动PID参数的自整定过程。自整定就是根据开始时容器压力变化的情况自适应地调整PID控制的主要参数(比例增益、微分时间、积分时间等)。当自整定开始时的测定值到目标值的变化量变化1/3时，自整定过程结束，系统进入PID控制。6.3 程序流程图如右图所示打开FX2N特殊功能模块模块是否打开数据输入PID控制数据输出结束开始控制阀动作其中，打开特殊功能模块、数据输入、PID控制以及数据输出部分均由PLC控制。第六章 调试中遇到具体问题与调试方法6-1 调试问题本次实验调试的为压力控制系统，选用的是压力串级控制系统，这次调试实验总体上还算顺利，但是在调试期间也出现了许多的问题，不过也在老师的指导和全体组员的努力下得以顺利解决。遇到问题主要有以下：1、接线设计错误 接线之前老师让我们自己设计接线，不过由于准备时就的不足，导致设计的线路出现一些问题。比如将外设定输入孔与孔测量输入没有搞清楚之间的区别，但在老师的讲解下，我们随机明白，得以在接线线路设计正确。2、设计参数的错误 开始调试，但是数据都不正确，检查了线路但是没发现问题，最后检查了一下设置参数，发现二级参数中的控制方式选择的错误在副控制器中应该选择单路输入PID控制即IN2=0，但是一开始选择的是IN2=2。3、超调量太大 降低比例系数Kp或者增大积分时间Ti亦或者增大微分时间Td。4、系统反应时间太长 我们加大了系数，问题得以解决。5、 稳定误差大增大了积分时Ti，适当减小了比例系数Kp。6-2 调试方法 使用先比例，后积分，再微分的整定步骤。1、 首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或者静差已经小到允许范围，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。2、 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计的要要求，则需要加入积分环节。整定时首先置积分时间Ti为一较大值，并将经第一步整定得到比例系数略为缩小，然后减小积分时间，使在保持的系统良好的动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期待得到满意的控制过程与整定参数。3、 若使用比例积分调节器消除静差。在动