基于组态软件的流量单回路过程控制系统设计

1、3河由，求*尊过程控制系统课程设计题 目:基于组态王的流量单回路过程控制系统设计院系名称：电气工程学院专业班级：自动化1105学生姓名：学 号：指导教师：马利冯肖亮设计地点：31625设计时间：20146242014.7.5设计成绩：签名：年 月 日工业过程控制课程设计任务书学生姓名专业班级自动1105学号题 目基于组态王的流量单回路过程控制系统设计课题性质必修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流量单回 路过程控制系统。任务要

2、求1. 根据流量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. 根据流量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，正确设计流量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 考资料1 陈夕松，华成英过程控制系统M 北京：科学出版社，20062 邵裕森过程控制工程M.北京：机械工业出版社，20003 姜重然工控软件组态王简明教程M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007审查意见

3、指导教师签字：年 月日3目录1课程设计的目的及要求31.1设计目的31.2设计要求32系统结构设计32.1控制方案42.2控制结构示意图 42.3系统结构63过程仪表选择63.1液位传感器的选择 63.2电磁流量传感器6电动调节阀的选择63.4 水泵的选择63.5变频器的选择73.6模块的选择74系统组态设计74.1系统组态流程图设计 74.2组态画面设计84.2.1组态画面84.2.2数据词典94.2.3实时曲线94.2.4报警窗口与实时报表 10设计心得111 课程设计的目的及要求1.1 设计目的本课程是在学完 工业过程控制 课程后的一个应用性实践环节。 通过本课 程设计的训练， 学生应对

4、过程控制工程设计的概念有完整地了解， 同时培养学生 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。通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据 较快较稳的性能要求， 采用但闭环控制结构和 PID 控制规律，设计一个具有美观 组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统。1.2 设计要求(1) 根据流量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) 根据流量单回路过程控制系统 A/D、D/A 和开

5、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专换与通讯模 块。(4) 运用组态软件， 正确设计流量但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。16上水箱2系统结构设计HB2.1控制方案下水箱目前工业上常用的控制规律主要有：位式控制、比例控制、比例积分控制 和比例积分微分控制等。简单控制系统一般是单回路控制系统，由于其结构简单 并且能够满足大多数控制质量的要求，因此在生产过程控制中得到了广泛的应 用，是生产过程控制中最基本的一种控制系统。一个单回路反馈系统是由测量变 送器装置、控制

6、器、和被控对象所组成，按流量控制系统,控制系统设计时针流量进行的，当系统安装完成之后，控制效果主要取决于控制器的参数设定整 定。选择合适的比例度、积分时间、微分时水泵是保证和提高系统控制质量的主要 途径。单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输 出变量为流量。单回路 PID控制的被控制量是流量 PV控制量是出水阀、电磁 阀开度。通过调节 PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到 比较好的控制效果。PID调节器构成的闭环控制回路一般原理如图所示图2.1流量单回路控制系统原理图控制规律选择：目前工业上常用的控制规律主要有：比例控制、比例积分控制和比例积分微 分控

7、制等。本方案采用比例积分微分控制。比例控制一一克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。是最基本的控制规 律。但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。使用于滞后较小、负荷变 化不大、允许被控变量存在余差的场合。比例积分控制一一在比例作用下引用积分作用，虽然会使系统的稳定性降 低，但没有余差。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、不允许被控变量存 在余差的场合。比例微分控制一一引入了微分作用， 具有超前控制作用，在被控对象具有较大滞后时，会有效的改善控制质量。但对于滞后小干扰作用频繁， 含有高频噪声的系统，将可能使系统产生振荡，甚至失控。比例积分微分控制 综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适

8、用于容量滞后较大、负荷变化 大、控制要求高的场合。该方案的控制目标是使流量的大小能较好的满足工艺的需求， 通过控制电动 调节阀改变阀门开度，来控制流量的大小。选择阀门开度为控制量，流量为被控 量。控制规律选择PID控制规律。2.2控制结构示意图流量变送器把得到的信号经 A/D模块，把模拟信号转化成数字信号，送入 计算机。此信号与给定值相比较得出偏差，通过D/A模块，把数字信号转化成模拟信号送给系统。系统根据反馈值调节阀门的开度。系统示意图如图2.2所示:图2.2结构组成图工作原理：SP当系统启动后控制水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，PV由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。

9、若还需要（即水位过低），则通过电磁 阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即 流量传感检测器水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其整个原理图如图2.2所示。图2.2系统原理图储水箱水泵2.3系统结构FTFT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。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图2.3图2.3液位单回路控制系统框图3过程仪表选择3.1液位传感器的选择液位传感器用来对上水箱和下水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影 响，采用工业用的DBYGT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

10、的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。3.2 电磁流量传感器电磁流量传感器是对通过流量计水流流量实时监控，能够很准确地测定 水流的流量。采用德国西门子KXV616型电磁流量传感器，测量准确、可靠性高、 操作作简便等。3.3电动调节阀的选择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

11、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，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿 命长等特点。3.4水泵的选择丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长，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 变频器的选择三菱FR-S520变频器，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，可外 加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或三相供电，

12、频率可高达200Hz。3.6 模块的选择本控制过程主要有 A/D 转化模块、 D/A 转化模块和开关 I/O 模块。过程模块 采用目前最新的牛顿 7000 系列远程数据采集模块和组态软件组成。 A/D 模块采用nudan7017; D/A模块采用nudan7024;通讯模块采用nudan7520。系统安装接线设计I/O 接线 :实验中DA模块中100 为控制调节阀开度的控制通道，101 为可控硅的电压控制通道，102 为变频器的控制通道。AD模块中IN1为水箱液位的检测，IN5 是阀位反馈信号检测，IN6 是水泵出中水位信号检测 组态设计4 系统组态设计4.1 系统组态流程图设计 根据测试要求

13、，首先打开系统启动按钮，选择进入手动或自动状态（默认 进入手动状如果进入手动状态，则打开阀门，可以设定给定值 SP 和阀门开度控 制 Uk0 来控制水箱水位，手动控制直到达到工艺要求;如果选择自动状态，打 开所有阀门，设定给定SP调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三 个参数进而控制阀门开度，直到上水箱液位恒定。控制流程图如图 4.1 所示。4.2组态画面设计421组态画面衣和1彌直卿口 良E 率H1画宙匸觸国OnuI 二二二二二：:hfciSSWti * 三门 1 丰瑯二 |: a -ri ti.i - .tani.saiiikiUbJUikJi:F 为弟谢时；：；：才：；2血；：

14、I i I I I I .1 I r i. F i . iii naai itaj 11 niilaai:图4.2组态总体画面422数据词典r 广 1 4X内供跑4W17:r/n 也?1喙上!箱讥宜ZZi/ngJZ31怜謎Z4股二；L垢也伫1怜沁西2&内常期2?金储;HS皿闹11I/Eh26&丄扌粕注ESI 3討血禹赴甜嚎上.治土 F圖门卜;1输世扌冊iM詔迪砺呵.笹扯闽TMMft则斟哉骚鮭计内J：F到I!卫动咼节同內年也V&SE)!驗手印Ji/iffii!PJ-TJE3!吟2L円你埜帝虹1鱼囁i内钉出内良J内EJ円耘疋缺內年注！闻皿j内年記内捍怠内邯超炀皿二內邙斑53心旳心图4.3数据词典4

15、.2.3实时曲线& G叭云来血:F 仃；！ ； 1 j j * ；交料口】择剤LLj XE-|厨库:也：B匱站1岂助巧SB _1 4.4实时曲线424报警窗口与实时报表耳血 吋片fllft耒于WTnIT些诃期i霜盯niII 厲*31 3Tfi115-iCG 耶T im!5 03：43 2C6上出西Et 0H.-ju/crrTOi15 O3：43 ：:&i上水番3E 0|5l i Lfi 43. JEBifl/nrjDi15.03:42 B1&上加EIW-3Iidli ag.上水輕液恆监测WiWEis 03! ms yyTih*soLi. )T/：a15 . OS 竝.沖 1H/CfffOJ15

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18、 i 4ES下.帰fe! !iv1“渥回主界面| 時-咖 1： : JU时蛀函理a*:14.5报警窗口实时报表与命令语言设计心得本设计是基于组态软件的流量单回路控制系统的设计， 也就是利用组态软件 进行对控制系统的开发和设计。 首先，应当了解什么是组态软件， 组态软件的功 能和特性， 因为自己毕竟是第一次接触这种设计软件。 还要了解组态软件的各方 面构成，自学组态软件的设计方法。 其次，自己需要确定液位单回路控制系统的 控制方案，与同组成员认真商量讨论后，确定比较好的控制方案。再次，认真绘 制出控制系统 的示意图。然后，根据控制系统的示意图在软件开发系统的页面 上绘制出控制系统的仿真系统图。 最后，调整系统图的各方面构成， 使之能够整 洁、合理、美观实用。输入合理的设定值、积分系数、比例系数、微分系数等。 分别进行手动控制和自动控制，得出比较合理的实时曲线。在设计系统的的时候， 还是有很多不明白的东西， 我就和我的同组成员认真 的讨论，然后得出了比较好的控制方案和设计方法。 同时掌握了组态王软件的使 用方法，知道了最基本的实验步骤和如何设计一个完好的过程控制系统。 明白了 许多控制系统中的控制规律和利用 PID 控制算法时的参数的设定方法等， 还明白 了如何选择合适的实验设备和