基于组态软件前馈反馈过程控制系统设计文档良心出品

1、工业过程限制课程设计题目：基于组态软件前馈反响过程限制系统设计指导教师评语：-B工业过程限制课程设计任务书主要内容通过某种组态软件,结合实验室已有设备,根据定值系统的限制要求,根据较快较稳的性能要求,米用单闭环限制结构和PID限制规律,设一个具有较美观组态画面和较完善组态限制程序的前馈反响 单回路过程限制系统.任务要求1 .根据前馈反响单回路过程限制系统的具体对象和限制要求,独立 设计限制方案,正确选用过程仪表.2 .根据前馈反响单回路过程限制系统 A/D、D/A和开关I/O的需要, 止确选用过程模块.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

2、态软件,正确设计前馈反响单回路过程限制系统的组态图、 组态回回和组态限制程序05 .提交包括上述内容的课程设计报告.主要参 考资料1组态王软件及其说明文件2邵裕森.过程限制工程.北京：机械工业出版社20003过程限制教材4熊新民.工业过程限制课程设计指导书M.20215陈夕松,华成英.过程限制系统M.北京：科学出版社,2006审查意见指导教师签字：年 月 日1设计目的 12 限制要求 13系统结构设计 13.1 限制方案 13.2 仪表选择图 23.2.1 流量传感器 23.2.2 过程模块 23.2.3 电动调节阀 33.2.4 其他设备 43.3 系统流程图 53.4 限制规律 54系统组

3、态设计 54.1 组态王简介 54.2 组态软件设计 64.2.1 设备设置 64.2.2 组态画面 64.2.3 变量定义 84.2.4 PID 限制算法 94.2.5 趋势曲线 10总结 12参考文献 13附录脚本程序 141设计目的根据设定的液位对象和其他配置,运用计算机和INTOUC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限制要求在工业过程限制中,实现前馈-反响单回路限制.前馈限制的根本概念使测 取进入过程的干扰包括外界干扰和设定值变化,并按其信号产生适宜的限制 作用去改变操纵变量,使限制变量维持在设定值上.前馈限制器的限制规律

4、取决 于被控对象的特性,按被控对象既定限制规律；反响限制的限制规律采用PID规 律.将前馈与反响有效地结合,运用前馈限制在扰动发生后,及时抑制由主要扰 动引起的被控量所产生的偏差；同时运用反响限制,消除多种扰动对被控量的影 响.3系统结构设计3.1 限制方案本设计通过前馈反响限制系统实现对液位的限制.在前馈反响限制系统中,前馈限制属于开环限制,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,输出限制信号,进行液位调节；反响限制属于闭环限制,通过对液位的测量,及时对液位进行调控.反响环 节通过对液位的监测,将测量

5、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,输出限制型号,进行液位调节. 前馈反响限制原理框图如下：图3.1前馈反响系统框3.2 仪表选择图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,从中央孔节 流改为环状节流.实践证实,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限制系统的数据采集通讯 过程模块.牛顿

6、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15VDC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300115200BPS可长距离传输.图3.2牛顿7000系列模块限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限制回路的水的流量进行调节.采用德国PS公司进口的

7、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,限制精度高.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, 组成最正确调节回路.有输入限制信号 4-20mA及单相电源即可限制运转实现对压 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阀位反响信号输出双导向单 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,预防泄露.稳定性可靠,控 制精度

8、高,使用寿命长等优点.图3.3电动调节阀3.2.4 其他设备在限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关断水平强,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3.3 系统流程图图3.5 前馈反响系统流程图3.4 限制规律前馈反响限制系统是通过 PID限制规律实现对液位限制的最终目的,PID控 制是比例一积分一微分的简称.在工业生产工程自动

9、限制的开展历史中,PID控制是历史最久、生命力最强的根本限制方式.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,即其限制品质对被控对象特性的变化不太敏感.4系统组态设计4.1 组态王简介组态王是在PC机上建立工业限制对象人机接口的一种智能化软件包.该软 件包从工业限制对象中采集数据,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、CO邮件等新技术,

10、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 组态软件设计在WindowsXP环境下,限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,设备限制,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治理是通过对逻辑设备名的治理实现的,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

11、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COM曲口通信, 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

12、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响单回路限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参数观察限制效果.系统主界面如以下图所示：前馈反响限制系统监控图4.1开机画面图4.2前馈反响系统组态图4.2.3 变量定义根据限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限制程序中使用. 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

13、I/O实型变量, 限制电磁阀开关的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内存整型变量等.具体的数据词典如以下图所示:再一1 一T5 CQV1 卡f-IJ/F" ! f 一 dJ电受学图!>JD遮诗声备醛皿皆淀内方书数27给开店向有享善JZ内在黑耨37瞧实时曲嫌内有离散36除手动内存宅数35脸才至内在离加28内行整盟IE出,网络状古内有整理31蛤水葡府由内才筌蛰3B翩酒日超限向耳口型10内方实空5喉岸种由在二型Io内存汇型6FJ万灵世1内存实现a内再上以向与戏型2瞧院返机奥中询内方实里S3冉在:理

14、50向存琪S!El内存£盟52内存工型用撷kl内存室也曦叱1内存三班斓瞧cL.内方实型利出1内存内型叩峪沏向耳或世21麟P内方寰把30口 Y由存实僵25略2的存銮型普嗨Td国存工世23哈TI内寻鼻处22龄11内存实型1总5由¥=加26验M内疔安盟唯UkJ内可宾理T3图4.3数据词典4.2.4 PID限制算法根据前馈反响限制系统的原理,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限制算法.由于温度系统大滞后特点,取采样周期为Ts=20so本系统采用PID位置限制算法,其限制算式如下:TTdu(k) u(k 1) Kp(1-)e(k) Kp(1T i Tu( k 1)

15、 a0e(k) ae(k 1) a?e(k 2)a."(1 -4T i T2 Tda1Kp(1 丁)2Td)e(k1)Kp牛e(k 2)a?KpTd上述算式中,Kp为比例系数,I为积分时间,Td为微分时间,以u(k)作为计算机当前的输出值,以Sp作为给定值,Pv作为反响值,即A/D设备的转换值,e(k) 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在线调 整PID参数.PID限制算法程序流程图如以下图所示：图4.4 PID 限制算法程序流程图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

16、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,以快速反响变量随时间的变化.在前馈反响限制系统中,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u(k),系统给定值Sp和检测反响值Pv0实时趋势曲线和 历史趋势曲线分别如以下图所示：图4.5实时趋势曲线图4.6历史趋势曲线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,由于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,比方说系统的抗干扰

17、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无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

18、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.参考文献1组态王软件及其说明文件2邵裕森.过程限制工程M .北京：机械工业出版社,20003陈夕松,华成英.过程限制系统M.北京：科学出版社,20064何4J庆.工业生产过程限制M.化学工业出版社,20045冯品如.过程限制工程M.中国轻工业出版社,19956熊新民.工业过程限制课程设计指导书M.2021B 付录脚本程序启动时:DO1=0;DO4=0;Ts=1;P1=KpI1=Ti/Ts;D1=Td/Ts;Uk0=0;Uk1=0;Uk2=0;Uk3=0;Uk=0;ek0=0;ek01=0;ek02=0;运行期间：If本站点实时限制=1 VV1=1 ;VV4=1;P1=Kp;I1=Ti/Ts;D1=Td/Ts;Sp1=sp；本站点 liquid-up;If本站点自动=1