单闭环管道流量比值控制系统设计

单闭环管道流量比值控制系统单闭环管道流量比值控制系统 过程控制系统课程设计说明书过程控制系统课程设计说明书 专业班级 专业班级 11 级自动化级自动化 1 班班 姓姓 名 名 孙勇孙勇 李自强李自强 周程周程 鲍凯鲍凯 学学 号 号 指导教师 指导教师 陈世军陈世军 设计时间设计时间 2014 年年 6 月月 11 日日 物理与电气工程学院物理与电气工程学院 2014 年年 6 月月 11 日日 摘 要 在现代工业生产过程中 工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一 定的比例关系 一旦比例失调 就会影响生产的正常进行 影响产品质量 浪 费原料 消耗动力 造成环境污染 甚至产生生产事故 实现两个或两个以上 参数符合一定比例关系的控制系统 称为比值控制系统 通常以保持两种或几 种物料的流量为一定比例关系的系统 称之为流 量比值控制系统 这次课程设计的内容就是流量比值过程控制系统 流量测量是比值控制的基础 各种流量计都有一定的适用范围 一般正常 流量选在满量程的 70 左右 必须正确选择使用 在工程上 具体实施比值控 制时 通常有比值器 乘法器或除法器等单元仪表可供选择 相当方便 若采 用计算机控制来实现 只要进行乘法或除法运算即可 我们这次就主要使用计 算机及组态王软件进行设计 关键词 组态王 流量 比值控制系统 目目 录录 1 1 引言引言 1 1 1 11 1 主要内容主要内容 1 1 1 21 2 任务要求任务要求 1 1 2 2 设计方案 设计方案 2 2 2 12 1 设计原理设计原理 2 2 2 22 2 系统原理图系统原理图 2 2 2 32 3 MATLABMATLAB 仿真调试仿真调试 3 3 3 3 硬件设计 硬件设计 4 4 3 13 1 使用仪器使用仪器 4 4 4 4 软件设计 软件设计 7 7 4 14 1 PLCPLC 程序程序 7 7 4 24 2 MCGSMCGS 系统组态设计系统组态设计 1111 4 2 14 2 1 组态图组态图 1111 4 2 24 2 2 静态画面静态画面 1212 4 2 34 2 3 数字字典数字字典 1414 4 2 44 2 4 系统应用程序系统应用程序 1616 4 2 54 2 5 动画连接动画连接 1717 5 5 课程设计总结 课程设计总结 1717 6 6 参考文献 参考文献 1818 1 1 引言 引言 1 11 1 主要内容主要内容 本课程设计是学完 过程控制系统 课程后的一个应用性实践环节 通过 本课程设计的训练 对过程控制工程设计的概念有完整地了解 同时培养综合 应用基础课 专业课所学知识与工程实际知识的能力 通过对过程控制系统的 分析与设计 获得面向工业生产过程系统分析与设计的实践知识 初步掌握过 程控制系统开发和应用的技能 基于组态软件的流量比值过程控制系统通过某种组态软件 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 通过流量传感器将检测到的流量与设定值送入计算机 计算机运用 PID 算法得到相应的控制信号 并将其输出给执行器 然后执行器 调节调节阀 以达到调节流量的控制目的 设计一个具有较美观组态画面和较 完善组态控制程序的流量比值单回路过程控制系统 流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛 它能使系统稳定 精确地 输出 更能实现自动化控制 是过程控制系统的一个典型 本设计针对生产中 两种液体的流量的控制 对其设计了单闭环流量比值控制系统 将液体 A 作为 主流量 液体 B 为副流量进行设计 设计中用到了多个硬件设备 并基于计算 机实现过程的自动控制 1 21 2 任务要求任务要求 根据要求自己设计系统结构 分析系统的特点和系统特性 在实验室连接 系统部件 构造硬件系统 可以自己跳线 连线 并连好对象 控制器 计算 机 但是打开电源之前必须经过指导教师检查 在过程监控计算机上编制相应 监控组态程序 通过对控制器 监控计算机和实验对象的联机调试 执行 观 察结果 达到预期应用功能和控制目的 比较不同方案的应用效果 2了解流量比值控制系统的物理结构 闭环调节系统的数学结果和 PID 控 制算法 页 1 逐一明确各路检测信号到 PLC 的输入通道 包括传感器的原理 连接方 法 信号种类 信号调理电路 引入 PLC 的接线以及 PLC 中的编址 逐一明确从 PLC 到各执行机构的输出通道 包括各执行机构的种类和工 作原理 驱动电路的构成 PLC 输出信号的种类和地址 绘制出流量控制系统的电路原理图 编制 I O 地址分配表 编制 PLC 的程序结合过程控制实验室的现有设备进行调试 要求能在实 验设备上演示控制过程 2 2 设计方案 设计方案 2 12 1设计原理设计原理 比值控制有开环比值控制 单闭环比值控制 双闭环比值控制 串级比值 控制系统和变比值控制系统 开环比值控制是最简单的控制方案 单闭环比值 控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定比值控制在系统运行过程中 其比值系数是不变的 串级比值控制系统实现两种物料的比值随第三个参数的 需求而变化 变比值控制系统最终目的是生产过程的结果 物料按比值输出不 是关键 根据设计要求 本系统必须采用单闭环比值控制或双闭环比值控制 本系统采取单闭环控制方案 2 22 2 系统原理图系统原理图 图图 1 1 单闭环流量比值控制系统原理图单闭环流量比值控制系统原理图 页 2 2 32 3 MATLABMATLAB 仿真调试仿真调试 本系统的主要的实现是PID算法的实现 根据流量比值单回路控制系统的 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 取 采样周期Ts 1s 本系统采用PID位置控制算式 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 算式中 Kp 为比例系数 Ti 为积分时间 Td 为微分时间 以 u k 作为计算机 的当前输出值 以 Kc PV 作为给定值 PV2 作为反馈值即 AD 设备的转换值 e k 作为偏差 图 5 PID 控制器 页 3 图 6 仿真结果 3 3 硬件设计 硬件设计 3 13 1 使用仪器使用仪器 3 1 13 1 1 流量计 涡轮流量计 电磁流量计 流量计 涡轮流量计 电磁流量计 1 涡轮流量计 输出信号 频率 测量范围 0 0 6m3 h 接线如图所示 图 2 涡轮流量计 接线说明 传感器的供电电源由 24VDC 开关电源提供 负载为流 量积算变送仪 注 注 使用涡轮流量计时 必须将 24VDC 开关电源打开 2 电磁流量计 输出信号 4 20mA 测量范围 0 0 4 m3 h 图 3 电磁流量计 页 4 接线说明 转换器为交流 220V 供电 X Y 和 A B C 为传 感器和转换器之间的连线 输出信号线直接接控制台上的电 磁流量计信号输出端 3 1 23 1 2 电动调节阀电动调节阀 QSVP20 15N 智能电动单座调节阀 主要技术参数 执行机构型式 智能型直行程执行机构 输入信号 0 10mA 4 20mADC 0 5VDC 1 5VDC 输入阻抗 250 500 输出信号 4 20mADC 输出最大负载 500 信号断电时的阀位 可任意设置为保持 全开 全关 0 100 间 的任意值 电源 220V 10 50Hz 3 1 33 1 3 变频器面板变频器面板 如图所示 变频器型号为三菱 FR S520S 0 4K 型变频调速器 具体 数设置如下表 表 1 三菱变频器参数设置表 A 面板接线端子功能说明 名称 表示设定范围设定值 上限频率 P10 120Hz60Hz 下限频率 P20 120Hz20Hz 扩张功能显示选择 P30 0 1 1 频率设定电流增益 P391 120Hz60Hz RH 端子功能选择 P624 操作模式选择 P790 80 C5C5 输出频率大小 25Hz C6C6 偏置 20 页 5 为了保护变频器各接线端子不因实验时经常装拆线而损坏或丢失 故将其常用的端子引到面板上 1 控制信号输入 可输入外部 0 5V 电压或 4 20mA 电流控制信 号 图 4 变频器面板 2 STF STR 电机的正 反转控制端 SD 与 STF 相连为正转 SD 与 STR 相连时为反转 B 变频器使用说明 本装置中使用变频器时 主要有两种输出方式 一种是直接调面板旋钮输出频率 另一种是用外部 输入控制信号改变变频器输出频率 两种输出方式 具体接线方法如下 1 变频器面板旋钮输出接线方法 SD 与 STF 或 STR 短接 当需要改变输出频率时 旋动面板上的旋钮 顺时针旋可增大输出频率 逆时针旋可减小输出频率 待旋至所需要的 频率时 按变频器上白色的 SET 键 即可选定所需的输出频率 2 变频器外部控制信号控制输出接线方法 SD 与 STF 或 STR RH 两端都短接 在控制信号输入端接入控制信号 正极 负极应对应 不能接错 打开变频器的电源开关即可输出 通 过改变控制信号的大小来改变输出频率 模拟量输入有涡流流量传感器和电磁流量传感器组成 PLC 选 S7 200 系列 中的 226 上位机和下位机的电缆采用 RS 458 通讯电缆 第一路由异步电动 机和水泵构成动力系统 第二路由变频器 电动机和水泵构成动力系统 表 2 端口分配表 输入端子 号 输出端子 号 地址 号 信号名称说明 页 6 1AIW0 第一路供水系统涡流流量传感器 输入 16 位 2AIW2 第二路供水系统电磁流量传感器 输入 16 位 1AQW0输出控制电动调节阀 16 位 2AQW4输出控制变频器 16 位 4 4 软件设计 软件设计 4 14 1 PLCPLC程序程序 页 7 页 8 页 9 页 10 4 24 2 系统组态设计系统组态设计 4 2 14 2 1 组态图组态图 如图 7 所示 主动量液体 A 的测出的流量值 PV 经过比 值器 与 PV2 进行偏差运算 再进行 PID 运算 系统一般在 手动的情况下是不输出值的 若此时输出值 得到的结果不 是预期要的 所以系统在手动的情况下 PID 控制无输出值输 出 我们设计的这个系统在系统运行时默认是手动 只有在 切换到自动的情况 PID 才有输出值输出 图 7 系 统组态图 页 11 4 2 24 2 2 静态画面静态画面 图 8 开机界面 页 12 图9 控制界面 图 10 历史曲线界面 本课程设计共设计有三个画面 开机界面 控制界面 历史曲线界面 开 机界面如图 8 所示 当启动系统后 我们进入开机界面 其中上面有系统的名 字 基于组态软件的流量比值过程控制系统 另外还有两个按钮 是 进入 按钮和 退出 按钮 进入按钮是通过 ShowPicture 控制界面 命令语言与控 制界面相连接 其功能是进入控制界面 退出按钮的功能是退出系统 控制界面如图 9 所示 在控制界面中有两个液罐 它们在本设计中只是作 为容器 装 A B 溶液 本设计主要考虑的是流量比值控制 在主界面中还有 一个电动调节阀 若干手动调节阀 两个电磁流量计 一个水泵和若干管道组 成 电动调节阀是控制 A 的流量 两个电磁流量是测量液体的流量值 当我们 启动系统后进入主界面我们设置设定值 比例系数 P 积分系数 Ti 为分析书 Td 比值器大小 Kc 设置这五个参数 此事系统是手动状态 将系统切换到自 动状态 系统按设定好的 PID 算法得到输出 使 A1 流量与 A2 的流量成设定的 比例并稳定于此 期间画面也能显示出测量值 输出值 并且管道也能模拟液 体的流动 并且在主界面中也能直接观察实时曲线 实时曲线包括给定值的曲 线 测量值 1 的曲线 测量值 2 的曲线 通过它可以查看系统的稳定情况 页 13 当我们要观察历史的曲线时 我们可以单击历史曲线按钮 进入历史曲线 界面 历史曲线界面如图 10 所示 历史曲线中也主要包括定值的曲线 测量值 1 的曲线 测量值 2 的曲线 历史曲线中还有两个按钮 返回按钮和退出按钮 返回按钮也是通过 ShowPicture 控制界面 命令语言与控制界面相连接 可以 返回控制界面 退出按钮具有退出系统的功能 4 2 34 2 3 数字字典数字字典 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主要有与 AD DA 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 用于定以开关动画连接的内存离散变 量 参于 PID 运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内 存整型变量等 具体的数据词典如下表所示 表 4 数字字典 变量名变量描述变量类型 ID 连接设 备 寄存器 年内存实型1 月内存实型2 日内存实型3 时内存实型4 分内存实型5 秒内存实型6 日期内存字符串7 时间内存字符串8 用户名内存字符串9 访问权限内存字符串10 启动历史记录内存实型11 启动报警记录内存离散12 启动后台命令 语言 内存离散13 新报警内存离散14 双机热备份内存整型15 毫秒内存实型16 网络状态内存整型17 页 14 液罐 A 液位A 液位内存实型18 液罐 B 液位B 液位内存实型19 A1 测量值显示 A1 流量内存实型20 A2 测量值显示 A2 流量内存实型21 阀门开度电动调节阀的开度大小内存实型24 自动开关自动内存离散25 PVA 液体流量测量值I O 实型22ADAI1 PV2B 液体流量测量值I O 实型23ADAI2 Uk控制电动调节阀输出I O 实型26DAAO0 Sp设定值I O 实型27DAAO1 Kp比例系数内存实型28 Ti积分系数内存实型29 Td微分系数内存实型30 Kc比值器大小内存实型31 T采样周期 内存实型32 PP Kp1内存实型33 TITI Ti T内存实型34 DD Td T内存实型35 Uk0前一次控制调节阀输出内存实型36 ek0现在的偏差内存实型37 ek1前一次偏差内存实型38 ek2前两次偏差内存实型39 q01增量型算法系数 1内存实型40 q02增量型算法系数 2内存实型41 q03增量型算法系数 3内存实型42 Gmax流量计的最大测量值内存实型43 页 15 4 2 44 2 4 系统应用程序系统应用程序 启动时 T 1 TI Ti T D Td T Uk 0 ek0 0 ek1 0 ek2 0 Sp 0 ShowPicture 开机界面 运行时 if 自动 1 T 1 Gmax 100 P Kp TI Ti T D Td T q01 P 1 1 TI D q02 P 1 2 D q03 P D ek0 Kc PV PV2 k q01 ek0 q02 ek1 q03 ek2 Uk0 Uk0 Uk ek2 ek1 ek1 ek0 Sp PV 0 4 4 测量值 1 PV 1 4 Gmax 测量值 2 PV2 1 4 Gmax 阀门开度 Uk 1 4 Gmax 停止时 Uk 0 Sp 0 ek0 0 ek1 0 ek2 0 页 16 4 2 54 2 5 动画连接动画连接 图 11 动画连接界面 当系统启动后 通过开机界面 进入主界面 设定好参数设定值 比例系 数 积分系数 微分系数 比值器大小后 按下自动按钮进入自动状态 系统 输出测量值 1 测量值 2 的数值 画面中的管道模拟液体的流动 它是与电动 调节阀相关联的 只