力控组态软件课程设计---流量监控系统设计.doc

河南机电高等专科学校河南机电高等专科学校 课程设计报告书课程设计报告书 课程名称 课程名称 力控组态软件 课题名称 课题名称 流量监控系统设计 系部名称 系部名称 自动控制系 专业班级 专业班级 计控 102 姓姓 名 名 崔建彪 学学 号 号 101413233 2012 年 09 月 30 日 目目 录录 1 引言引言 1 2 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 2 1 设计目的和流量监控系统的数据处理流程图 2 2 2 系统要求 2 2 3 系统控制方案 3 2 4 系统方案图 3 2 5 系统结构 4 2 6 PID 控制算法 4 3 流量监控系统中仪器的选择流量监控系统中仪器的选择 6 3 1 液位传感器 6 3 2 电磁流量传感器 6 3 3 电动调节阀 6 3 4 变频器 6 4 流量监控系统组态设计流量监控系统组态设计 7 4 1 工艺流程图和系统组态的设计 7 4 2 系统数据库的建立和组态画面 7 5 总结总结 9 6 参考文献参考文献 10 力控组态软件 课程设计报告书 摘要 衡量一个自控系统的先进程度 除能完成一定的自动化控制功能外 日常 的生产管理功能也是其重要指标之一 在流程工艺生产中的物料消耗和产量的 自动统计就是一个生产管理的基本功能 我国属于能源缺乏国 精确的自动化 监控更加有必要去研究和实行 通过设置多个采集点 以硬件组态 数据组态 图像组态等功能实现上位机对供水管路的实时检测 为操作人员合理实时调度 提供可靠技术保障 实现能源优化配置 提高管路稳定和对事故的预见性 降 低了能耗 该系统运行正常 完全达到设计要求 力控软件的流量监控设计在成本 开放性 灵活性 功能和界面等方面给 企业用户提供了最佳的控制系统解决方案 本文介绍了采用力控软件的工业流 量控制系统 硬件用到了 涡轮式流量计 压力传感器 PLC 等 关键词关键词 组态软件 硬件链接 流量监控 远程数据采集 PLC 技术与工程应用课程设计 1 1 引言引言 随着工业控制系统应用的深入 在面临规模更大 控制更复杂的控制系统时 人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式 对项目来说是费时费力 得不偿 失的 同时 MIS 管理信息系统 Management Information System 和 CIMS 计算机集成制造系统 Computer Integrated Manufacturing System 的大量 应用 要求工业现场为企业的生产 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 组态软件作为一种工业信息化的管理工具 其发展方向必然是不断降低工程开发工作量 提高工作效率 易用性是提高效率 永恒的主题 但是提高易用性对于提高开发效率是有限的 亚控科技则率先提出 通过复用来提高效率 创造性地开发出模型技术 并将这一技术集成到 KingView7 0 中 这一技术能将客户的工程开发周期缩短到原来的 30 或更低 将组态软件为客户创造价值的能力提高到了一个新的境界 代表了组态软件的未 来 统集成 本系统是由计算机和 PLC 流量计等外围设备组成一个计算机控制系统 计 算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成 工业控制机硬件指计算机 本身及外围设备 硬件包括计算机 过程输入输出接口 人机接口 外部存储器 等 软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和 通常包括系统软件跟应用软 件计算机 把通过测量元件 变送单元和模数转换器送来的数字信号 直接反馈 到输入端与设定值进行比较 然后根据要求按偏差进行运算 所得到数字量输出 信号经过数模转换器送到执行机构 对被控对象进行控制 使被控变量稳定在设 定值上 该系统的软件选择力控 ForceControlV6 0 监控组态 力控软件是运行在 Windows98 NT 2000 XP 操作系统上的监控组态软件 主要包括工程管理器 人 机界面 实时数据库 DB I O 驱动程序 控制侧罗生成器以及各种网络服务组件 等 力控 ForceControlV6 0 监控组态软件在秉承 V5 0 成熟技术的基础上 对历史 数据库 人机界面 I O 驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进 重新 设计了其中的核心构件 力控 6 0 开发过程采用了先进软件工程方法 测试驱动 开发 使产品的品质得到了充分的保证 组态软件是数据采集与过程控制的专用软件 能以灵活多样的组态方式提供 良好的用户开发界面和间洁的使用方法 其预设置的软件模块可以非常容易地实 现和完成监控层的各项功能 并能同时支持硬件厂家生产的各种计算机和硬件设 备 与高可靠性的工控计算机和网络系统结合 可向整个测控系统提供软硬件的 全部接口 进行系统集成 PLC 技术与工程应用课程设计 2 2 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 1 设计目的和流量监控系统的数据处理流程图设计目的和流量监控系统的数据处理流程图 1 设计目的 运用组态软件 力控 6 0 结合工业过程实验室已有的设备按照定值系 统的控制要求 应用 PID 控制算法 自行设计 构成流量监控系统设计系统 并整定相关的 PID 控制参数使系统能够稳定运行 最终能够得到一个具有较 美观的组态画面和比较完善的组态控制程序的流量监控系统 2 流量监控系统的数据处理流程图如下 图 1 数据处理流程 2 2 系统要求系统要求 该系统要求供水过程中采集流量 水压等关键数据 以确保水泵 压力阀等 设备的正确运转 具体的功能需求如下 1 能及时 准确 可靠地反映水塔供水系统主要设备的运行情况 2 能保证调度人员有效地对供水设施进行调度管理 3 通过系统运行 发现和寻找供水系统中布局不合理的部分 提出改进意见 确定合理 经济的给水流量 4 简历各类信息数据库 为合理 经济地调度累积数据 5 利用液位传感器对水桶进行实时的液位监控 使用组态软件实现控制监 控 采用合理的控制规律 是水桶内的水位稳定在设定值附近 已达到整体 系统稳定运行的效果 同时要求实现与下位机 智能仪表 的通讯 动态显 PLC 技术与工程应用课程设计 3 示现场变量与设备工作状态 显示水位并进行 PID 控制 水位超过 10 时进 行低报警 水位低于 90 时进行高报警 2 3 系统控制方案系统控制方案 整个过程控制系统由控制器 调节器 测量变送 被控对象组成 在本次 控制系统中控制器为计算机 采用算法为 PID 控制规律 调节器为电磁阀 测 量变送为 HB FT 两个组成 被控对象为流量 PV 结构组成如下图 2 所示 当系统启动后 水泵开始抽水 通过管道分别将水送到上水箱和下水箱 有 HB 返回信号 是否还需要放水达到下水箱 若还需要 即水位过低 则通 过电磁控制流量的大小 加大流量 从而使水箱水位达到合适的水位 如不需 要 即水位过高或刚好合适 则通过电磁阀使流量保持或减小 其整个过程如 图 2 所示 FT HB 计算机 上水箱 储水箱 下水箱 FT 水泵 流量单回路控制系统 图 2 流量单回路控制系统流程图 2 4 系统方案图系统方案图 在各个检测点安装压力变送器 流量计 调度阀等设备 该系统主界面如图所示 PLC 技术与工程应用课程设计 4 图 3 系统主页面 2 5 系统结构系统结构 过程控制系统由四大部分组成 分别为控制器 调节器 被控对象 测量变送 本次设 计流量回路控制 即为闭环控制系统 如下图 4 所示 计算机 控制器 电动 调节阀 管道 流量检测 传感器 PV SP PV1 图 4 流量单回路控制系统框图 2 6 PID 控制算法控制算法 图 5 PID 闭环控制图 1 PID 是一个闭环控制算法 因此要实现 PID 算法 必须在硬件上具有闭环控制 就是得有 反馈 比如控制一个电机的转速 就得有一个测量转速的传感器 并将结果反馈到控制路线 PLC 技术与工程应用课程设计 5 上 下面也将以转速控制为例 2 PID 是比例 P 积分 I 微分 D 控制算法 但并不是必须同时具备这三种算法 也可以 是 PD PI 甚至只有 P 算法控制 我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有 P 控制 将 当前结果反馈回来 再与目标相减 为正的话 就减速 为负的话就加速 现在知道这只是 最简单的闭环控制算法 3 比例 P 积分 I 微分 D 控制算法各有作用 比例 反应系统的基本 当前 偏差 e t 系数大 可以加快调节 减小误差 但过大 的比例使系统稳定性下降 甚至造成系统不稳定 积分 反应系统的累计偏差 使系统消除稳态误差 提高无差度 因为有误差 积分 调节就进行 直至无误差 微分 反映系统偏差信号的变化率 e t e t 1 具有预见性 能预见偏差变化的趋势 产生超前的控制作用 在偏差还没有形成之前 已被微分调节作用消除 因此可以改善系统 的动态性能 但是微分对噪声干扰有放大作用 加强微分对系统抗干扰不利 积分和微分都不能单独起作用 必须与比例控制配合 4 控制器的 P I D 项选择 5 公式 数值 pid 的计算 6 问题 Kp Ti Td 三个参数的设定是 PID 控制算法的关键问题 一般说来编程时只能设定 他们的大概数值 并在系统运行时通过反复调试来确定最佳值 因此调试阶段程序须得能随 时修改和记忆这三个参数 7 参数的自整定 在某些应用场合 比如通用仪表行业 系统的工作对象是不确定的 不 同的对象就得采用不同的参数值 没法为用户设定参数 就引入参数自整定的概念 实质就 是在首次使用时 通过 N 次测量为新的工作对象寻找一套参数 并记忆下来作为以后工作的 依据 8 PID 流程图 PLC 技术与工程应用课程设计 6 图 6 PID 流程图 3 流量监控系统中仪器的选择流量监控系统中仪器的选择 3 1 液位传感器液位传感器 液位传感器是一种测量液位的压力传感器 静压投入式液位变送器 液位 计 是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理 采用国外先进的隔离 型扩散硅敏感元或陶瓷电容压力敏感传感器 将静压转换为电信号 再经过温 度补偿和线性修正 转化为标准电信号 一般为 4 20mA 1 5DC 液位传感器 用来对上水位水箱的压力检测 压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的 压力进行检测 3 2 电磁流量传感器电磁流量传感器 电磁流量传感器的根据法拉第电磁感应定律设计的 在测量管轴线和磁场 磁力线相互垂直的管壁上安装一对检测电极 当导电液体沿测量管在交变磁场 中 与磁力线成垂直方向运动时 导电液体切割磁力线产生感应电动势 流量 传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路干扰流量进行检测 3 3电动调节阀电动调节阀 电动调节阀对控制回路流量进行调节 采用智能电动调节阀 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 PLC 技术与工程应用课程设计 7 及单相电源即可控制与转实现对压力流量温度压力等参数的调节 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 4变频器变频器 西门子 M440 适用于各种变速驱动装置 由于它具有高度的灵活性因而可以 在广泛的领域得到应用 它尤其适合用于吊车和起重系统 立体仓储系统 食 品 饮料和烟草工业以及包装工业的定位系统 这些应用对象要求变频器具有比 常规应用更高的技术性能和更快的动态响应 4 流量监控系统组态设计流量监控系统组态设计 4 1 工艺流程图和系统组态的设计工艺流程图和系统组态的设计 A D FT 计算机 D A U k IO0 自 动 手动 PV IN2 LSP 图 7 工艺流程图 图 8 系统组态图设计 4 2 系统数据库的建立和组态画面系统数据库的建立和组态画面 1 数据库的建立 见下表 变量名变量类型ID连接设备寄存器 S 年内存实型1 S 月内存实型2 S 日内存实型3 PLC 技术与工程应用课程设计 8 S 时内存实型4 S 分内存实型5 S 秒内存实型6 S 日期内存字符串7 S 时间内存字符串8 PV1I O 实型9AD 通讯AI1 UKI O 实型10DA 通讯AO1 SV内存实型11 PV内存实型12 EK内存实型13 OP1内存实型14 K1内存实型15 D1内存实型16 MX内存实型17 Q0内存实型18 Q1内存实型19 Q2内存实型20 EK1内存实型21 EK2内存实型22 TS内存实型23 II内存实型24 2 系统的主界面 1 未调试动态显示画面 PLC 技术与工程应用课程设计 9 图 9 动态显示图一 2 调试动态显示界面 图 10 动态显示图二 3 PID 调节画面 PLC 技术与工程应用课程设计 10 图 11 PID 调节画面 3 报警画面如下图 图 12 报警画面 5 总结总结 经过一个多星期的努力 终于把关于力控流量监控系统的设计告一段落 过 程有惊喜也有失落 可谓曲折 在此期间我遇到了很多一时无法解决的难题 在 上课的时候似乎听懂了 但当我真正去做的时候却感到了着实的棘手 这就是典 型的眼高手低 通过对这些问题的解决 让我充分认识到了以前自己在学习上实 践中的不足 同时也认识到我们的工作是一个团队工作 团队需要个人 个人也 离不开团队 必须发扬团结协作精神 在这次设计中也让我认识到仅仅知道