基于组态软件前馈反馈过程控制系统设计.doc

工业过程控制工业过程控制 课程设计课程设计 题题 目目 基于组态软件前馈反馈过程控制系统设计基于组态软件前馈反馈过程控制系统设计 指导教师评语指导教师评语 签名 签名 年年 月月 日日 工业过程控制课程设计任务书工业过程控制课程设计任务书 主要内容主要内容 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前 馈反馈单回路过程控制系统 任务要求任务要求 1 根据前馈反馈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 根据前馈反馈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 正确设计前馈反馈单回路过程控制系统的组态图 组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 主要参主要参 考资料考资料 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 2000 3 过程控制教材 4 熊新民 工业过程控制课程设计指导书 M 2008 5 陈夕松 华成英 过程控制系统 M 北京 科学出版社 2006 审查意见审查意见 指导教师签字 年 月 日 目 录 1 设计目的 1 2 控制要求 1 3 系统结构设计 1 3 1 控制方案 1 3 2 仪表选择图 2 3 2 1 流量传感器 2 3 2 2 过程模块 2 3 2 3 电动调节阀 3 3 2 4 其他设备 4 3 3 系统流程图 5 3 4 控制规律 5 4 系统组态设计 5 4 1 组态王简介 5 4 2 组态软件设计 6 4 2 1 设备设置 6 4 2 2 组态画面 6 4 2 3 变量定义 8 4 2 4 PID 控制算法 9 4 2 5 趋势曲线 10 总 结 12 参 考 文 献 13 附录 脚本程序 14 1 1 设计目的设计目的 根据设定的液位对象和其他配置 运用计算机和 INTOUCH 组态软件 设计 一套监控系统 并通过调试使得水箱液位维持恒定或保持恒定或保持在一定误 差范围内 2 控制要求控制要求 在工业过程控制中 实现前馈 反馈单回路控制 前馈控制的基本概念使测 取进入过程的干扰 包括外界干扰和设定值变化 并按其信号产生合适的控制 作用去改变操纵变量 使控制变量维持在设定值上 前馈控制器的控制规律取 决于被控对象的特性 按被控对象既定控制规律 反馈控制的控制规律采用 PID 规律 将前馈与反馈有效地结合 运用前馈控制在扰动发生后 及时抑制由主 要扰动引起的被控量所产生的偏差 同时运用反馈控制 消除多种扰动对被控 量的影响 3 系统结构设计系统结构设计 3 1 控制方案控制方案 本设计通过前馈反馈控制系统实现对液位的控制 在前馈反馈控制系统中 前馈控制属于开环控制 在设计中经过对主流量 的检测 及时的针对主要扰动进行液位的偏差抑制 当流量测量值较预定值发 生波动 即时通过计算机进行 PID 计算 输出控制信号 进行液位调节 反馈控制属于闭环控制 通过对液位的测量 及时对液位进行调控 反馈 环节通过对液位的监测 将测量值与给定值进行比较 形成偏差后 通过 A D 传输给计算机 进行预先设定的 PID 计算 输出控制型号 进行液位调节 前馈反馈控制原理框图如下 2 计算机控制器电动调节阀液位 流量传 感器 液位变 送器 f t q t I t X t e t 图 3 1 前馈反馈系统框 3 2 仪表选择仪表选择图图 3 2 1 流量传感器 流量传感器采用 V 锥体流量计 V 锥体在流场中产生的节流效应 通过检 测上下游压差来测量流量 与普通节流件相比 它改变了 节流布局 从中心孔 节流改为环状节流 实践证明 V 锥形流量计与其它流量仪表相比 具有长期 精度高 稳定性好 受安装条件局限小 耐磨损 测量范围宽 压损小 适合 脏污介质等优点 3 2 2 过程模块 采用牛顿 7000 系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯 过程模块 牛顿 7000 系列模块体积小 安装方便 可靠性高 D A 模块采用牛顿 7024 四通道模拟输入模块 电压输入 1 5VDC 使用 7017 模块的 4 通道 IN4 作为温度信号检测输入通道 通信模块采用牛顿 7520 RS232 转换 485 通讯模块 使用 RS 232 RS 485 双向协议转换 速度为 300 115200BPS 可长距离传输 3 图 3 2 牛顿 7000 系列模块 控制回路中电磁阀的开关量输出模块采用牛顿 7043 16 通道非隔离集电极 开路输出模块 最大集电极开路电压 30V 每通道输出电流 100mA 可直接驱动 电磁阀设备 3 2 3 电动调节阀 采用电动调节阀对控制回路的水的流量进行调节 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 材料制造的同步电动机 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 泄露量少的优点 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 稳 定性可靠 控制精度高 使用寿命长等优点 4 图 3 3 电动调节阀 3 2 4 其他设备 在控制系统回路中所涉及的设备还有水泵 变频器 电磁阀 开关电源等 水泵采用丹麦格兰富循环水泵 噪音低 寿命长 杨成可达 10 米 功率小 220V 供电即可 在水泵出水口装有压力变送器 与变频器一起可以构成恒压供 水系统 所用到的电磁阀的工作电源为 DC24V 关断能力强 使用方便 结构 简单 所采用的 24V 开关电源最大电流是 2A 可以满足系统的需要 图 3 4 水泵 5 3 3 系统流程图系统流程图 FT HB 计算机 FT 水泵 下水箱 上水箱 储水箱 图 3 5 前馈反馈系统流程图 3 4 控制规律控制规律 前馈反馈控制系统是通过 PID 控制规律实现对液位控制的最终目的 PID 控制是比例 积分 微分的简称 在工业生产工程自动控制的发展历史中 PID 控制是历史最久 生命力最强的基本控制方式 PID 算法具有以下的优点 1 原理简单 使用方便 2 适应性强 3 鲁棒性强 即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感 4 系统组态设计系统组态设计 4 1 组态王简介组态王简介 组态王是在 PC 机上建立工业控制对象人机接口的一种智能化软件包 该软 件包从工业控制对象中采集数据 并记录在实时数据库中 同时负责把数据的 6 变化用动画的方式形象地表示出来 还可以完成变量报警 操作记录 趋势曲 线等监控功能 并按实际需要生成历史数据文件 它以 Windows 98 Windows 2000 Windows XP 中文操作系统为操作平台 采用了多线程 COM 组件等新技术 实现了实时多任务 它具有丰富的图库及图库开发工具 支持各种主流的 PLC 智能仪表 板卡和现场总线等工控产品 有一种类似 C 语言的编程环境 便于处理各种算法和操作 还内嵌了许多函数供用户调用 实现各种功能 4 2 组态软件设计组态软件设计 在 Windows XP 环境下 控制系统软件以组态王 6 01 作为开发平台 整个 监控系统实现数据采集 总体监视 设备控制 相关参数实时在线调整 显示 实时曲线 历史曲线等功能 4 2 1 设备设置 组态王对设备的管理是通过对逻辑设备名的管理实现的 具体讲就是每一 个实际 I O 设备都必须在组态王中指定唯一的一个逻辑名称 此逻辑设备名就 对应这该 I O 设备的生产厂家 实际设备名称 设备通信方式 设备地址 与 上位计算机的通信方式等信息的内容 系统中与上位计算机进行数据交换的外部设备主要是 A D 设备 牛顿 7017 模块和 D A 设备 牛顿 7024 模块 在组态王软件工程浏览器中 设置 7017 模 块 IN4 通道和 7024 模块和 I O1 通道名称分别为 AD 和 DA 与计算机 COM1 串口 通信 通信地址分别为 0 和 1 通信参数的设置如下表所示 表 4 1 通信参数设置表 设置项推荐值 波特率9600 数据位长度 位7 停止位产度 位1 奇偶校验位偶校验 4 2 2 组态画面 本系统绘制的组态画面主要有开机画面 系统组成画面等 开机画面主要 7 显示课题题目 制作人姓名 班级等相关信息 画面上设置有两个提示按键 分别提示操作员进入主界面或推出操作系统等 系统主界面主要绘制的是前馈反馈单回路控制系统的工艺组成图 包括水 箱 管道 流量计和阀门等设备以及相关的操作提示按钮等 基于动画连接 主界面可实现自动 手动操作的切换 以及显示 PID 参数整定框和实时曲线框 以方便操作员在线调整 PID 参数观察控制效果 系统主界面如下图所示 图 4 1 开机画面 8 图 4 2 前馈反馈系统组态图 4 2 3 变量定义 根据控制系统的需要建立数据词典 以便确定内存变量与 I O 数据 运算 数据的关系 只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用 本 系统中所涉及到的变量的类型重要有与 A D D A 设备进行数据交换的 I O 实型 变量 控制电磁阀开关的 I O 离散变量 用于定义开关动画连接的内存离散变 量 参与 PID 运算的内存型实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或 9 内存整型变量等 具体的数据词典如下图所示 图 4 3 数据词典 4 2 4 PID 控制算法 根据前馈反馈控制系统的原理 运用组态王所提供的类似于 C 语言的程序 编写语言实现 PID 控制算法 由于温度系统大滞后特点 取采样周期为 Ts 20s 本系统采用 PID 位置控制算法 其控制算式如下 012 0 1 2 2 1 1 1 1 2 1 1 2 1 2 1 ddd ppp i d p i d p d p TTTT u ku kKe kKe kKe k TTTT u ka e ka e ka e k TT aK TT T aK T T aK T 10 上述算式中 为比例系数 为积分时间 为微分时间 以作为计算 p K i T d T u k 机当前的输出值 以作为给定值 作为反馈值 即 A D 设备的转换值 P S v P 作为偏差 在组态王画面中 可以通过设置 PID 参数调整框依据实时曲线 e k 在线调整 PID 参数 PID 控制算法程序流程图如下图所示 取Sp Pv形成偏差 e k 取a0 e k 做乘法 取a1 e k 1 做乘法 取a2 e k 2 做乘法 做a2e k 2 减a1e k 1 做a2e k 2 a1e k 1 a0e k 做a2e k 2 a1e k 1 a0e k u k 1 输出u k 数据传送 u k u k 1 数据传输 e k e k 1 E k 1 e k 2 返回 开始 图 4 4 PID 控制算法程序流程图 4 2 5 趋势曲线 趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线 在组态王中通过图库可方便地 绘制曲线画面 在趋势曲线中可显示系统运行时各个主要变量的历史记录 可 以查询遗爱按任意时段的历史记录 还可设定查询的时间范围 显示某查询时 11 间和该时间所对应的被控变量值等 实时趋势曲线可以自动卷动 以快速反应 变量随时间的变化 在前馈反馈控制系统中 趋势曲线所要表达的三个参数分 别为计算机依据 PID 算法的输出值 系统给定值和检测反馈值 实时 u k P S v P 趋势曲线和历史趋势曲线分别如下图所示 图 4 5 实时趋势曲线 图 4 6 历史趋势曲线 12 总总 结结 通过本次设计与实践 我学到了很多东西 课本上学到的只是理论 只 有实践才能真正发现问题的所在 因为实践才是检验真理的唯一标准 我在此 次设计中收获很多 首先 我们要考虑很多方面 比如说系统的抗干扰性及可靠性是我们的 首要考虑 细心的分析每一个元器件在系统中的作用 再看看换了其他的元器 件效果如何 会不会对系统造成影响 即使有现成的原理图也要知道其中的每 一个元件到底有什么用 还有为什么选择它 其次 就是要进行技术经济学分 析 看看我们的 投资 是不是值得 它包括硬件分析与软件分析 硬件方面 主要是看总的实物金额 软件方面就是那些往往被人们所忽视的人力与精力投 入 这会使我们的思维更加周密 考虑问题更加全面 除此之外 更重要的是学会了解决问题的方法 在实验前做好预习 提早 发现问题 从而查阅相关资料来解决问题 在查资料的过程中 我们能学到一 些书本外扩展内容 这些内容更加深了我们对课本知识的掌握 同时也开阔了 我们的视野 拓展了我们的知识面 所以提前预习是非常重要的 无论是理论 课还是实验课都一样 13 参参 考考 文文 献献 1 组态王软件及其说明文件 2 邵裕森 过程控制工程 M 北京 机械工业出版社 2000 3 陈夕松 华成英 过程控制系统 M 北京 科学出版社 2006 4 何衍庆 工业生产过程控制 M 化学工业出版社 2004 5 冯品如 过程控制工程 M 中国轻工业出版社 1995 6 熊新民 工业过程控制课程设计