过程控制系统设计

1、过程控制系统课程设计题目:基于组态软件的双容液位单回路控制系统设计院系名称：电气工程专业班级： 自动化1302学生姓名：张倩倩学 号： 201323020227指导教师：闫晶晶设计地点：31520设计时间： 6 月27日-月8日设计成绩： 指导教师： 本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。过程控制课程设计任务书学生姓名张倩倩专业班级自动化1302学号201323020227题 目基于组态软件的双容液位单回路过程控制系统设计课题性质课程设计课题来源自拟题目指导教师闫晶晶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

2、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双容液位单 回路过程控制系统。任务要求1. 根据双容液位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. 根据双容液位单回路过程控制系统、 和开关的需要，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485232转换与通讯模块。4. 运用组态软件，正确设计双容液位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 组态王软件和其说明文件2 邵裕森过程控制工程北京：机械工业出版社20003 过程控制教材4 辅导资料审查意见指导教师签

3、字：年 月日摘要 过程控制就是对工业生产过程的自动控制， 它采用测量仪表、 执行机构和计 算机等自动化工具设计控制系统实现生产过程自动化。 流量单回路控制系统就是 采用计算机、 传感器等设备对水箱的水位进行控制使其带到预期的状态。 组态王 开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬 件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。关键词 ：过程控制 工业 流量 组态王错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。3 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误!

4、未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。 错误! 未指定书签。目录1 设计目的 . 2 控制要求 . 3 系统结构设计 . 3.1 控制方案 . 3.2 控制规律 . 3.3 过程仪表和过程模块 . 3.3.1 液位变送器 . 3.3.2 电动调节阀 . 3.3.3 模拟量采集模块 . 3.3.4 模拟量输出模块 . 3.3.5 通信转换模块 . 3.3.6 其他设备 . 3.4 硬

5、件连接 . 4 系统组态设计 . 4.1 组态软件介绍 . 4.2 系统流程图 . 4.3 数据词典 . 4.4 组态画面 . 4.5 控制算法流程图 . 4.6 趋势曲线 . 结 论. 参 考 文 献. 附录 程序代码 . 1 设计目的1) 加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力2) 培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力。2 控制要求1)能根据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)能够根据过程控制系统、和开关的需要，正确选用模块。3) 能根据与计算机串行通讯的需要，正确选用 485232 转换与通讯模块。4) 能运用组态软件，正确设计过

6、程控制系统的组态图、组态画面和组态控制 程序。3 系统结构设计3.1 控制方案串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，它是根据系统结构命名的。一、 基本原理： 它是由两个或者两个以上的控制器串联而成的， 一个控制器的输出是 另一个控制器的的给定值。二、结构：整个系统包括两个控制回路，即主回路和 副回路。主回路有主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控 制器、控制阀、副对象和副变送器构成。三、 特点：与简单控制系统相比，串 级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以有以下特点 (1) 、对于进入副 回路的扰动具有较快、 较强的克服能力。 (2) 、改善主控制器的广义对象的特性。 (

7、3) 、对符合和操作条件的变化有一定的自适应能力。 (4) 、副回路可以按照主回 路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。四、应用场合： (1) 、用于 克服变化剧烈的和幅值大的干扰。 、用于时滞较大的对象。（3）、用于容量之 后较大的对象。、用于克服对象的非线性。本控制系统中，被控参量有两个，上水箱的液位和下水箱的液位，这两个参 量具有相关关系。上水箱的液位可以影响下水箱的液位， 根据上下水箱的液位相 关关系，故系统采用的串级控制。其中，内环控制上水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统远行使下水箱的液位跟随给定值，系统框图如下图3.1所示图3.1双容液位单回路控制系统框图3.2控制规律

8、本设计采用的是工业控制中最常用的控制规律，内环与外环的控制算法采用算法，算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环的输出作为内环的输入， 内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、 积分、微分控制，简称控制，又称调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的 应用中积累了丰富的经验。其主要特点是：（1）技术成熟；调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最 广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的调节，而且还可根据系统的 要求，采用、带死区的控制等；（2）不需求出系统的数学模型；（3）控制效果好。 虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字完

9、全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。3.3过程仪表和过程模块本设计中共用到了以下过程仪表和过程模块：液位变送器液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件， 稳定性和可靠性大大提高。可方便的与其他一型仪表互换配置，并能直接交换同 类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输 出电流值。在零压力下调整零电位器。使输出电流为4，在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为20。本传感器精度为0.5级,因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。液位传感器用来上水位箱和中水位 箱的

10、水位进行检测，采用工业用的扩散硅压力变送器，精度为0.5级，二线制420标准信号输出。图3.2液位传感器图3.3压力传感器电动调节阀调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀 门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动 调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分 组成。调节并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不 平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场 合。德国公司进口的202型智能电动调节阀，系列电子式执行机构可以用于对管 道的阀门和风门的调节和开与关的控制，其

11、主要特点如下：一体化结构设计，位置变送器和伺服放大器作为两个独立部件均可直接装入 执行机构内部，直接接受420的控制信号，输出4 20或者1 5的阀位反馈 信号，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。功能模块式结构设计，通过不同 可选择功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同的应用要求。 结构简单，体积小巧，重量轻，便于安装和维护，机械零件全部采用加工部件， 工艺精湛。传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高，噪声低，寿命长和稳定 可靠，无需再加油等特点。具有多种运行速度，可以满足各种控制系统的要求， 以保证系统的快速响应和稳定性。系列同阀门的连接采用柔软盘黄连接，可避免阀杆与输出轴不同轴给阀

12、门带来的影响，可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断，防止泄露。系列有转矩开关保护，可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆。 驱动电机采用高性能稀土磁 性材料制作的高速度同步电机，运行平稳，具有体积小、转矩大、抗堵转、控制 精度高等特点。可设置分段调节，即由一台调节器输出的双时间比例信号控制两 台执行机构（412对应1的全开全闭，12 20对应2的全开全闭）阀位反馈元 件全密圭寸高精度多圈电位器，具有体积小、精度高、死区小、使用寿命长等特点。 行程可调，便于与阀门连接。全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠，使 用时间长。电器部件布线严谨并传动部件完全隔离，提高执行机构运行性的可靠。图3.4电动调

13、节阀模拟量采集模块模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。测量精度：0.2级 16位循环采样，采样速率：3000次；1.2倍量程可正确测量，过载 2倍量程输 入1S不损坏；隔离电压1000。模拟量输出模块输出标准电流信号，可用于驱动 继电器、开关等。这用牛顿7017模块8路模拟电压（1-5V）模拟量输出模块牛顿7024模块4路模拟输出，电流（4 20）电压（1 5V）信号均可通信转换模块485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300115），232 口可长距离传输。* 八图3.7牛顿模块示意图3.3.6 其他设备在控制系统回路中所涉和的设备还有水泵，变频器，电磁阀，开关电源

14、等。 水泵采用丹麦格兰富循环水泵，噪音低，寿命长，扬程可达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24V,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。4 系统组态设计4.1 组态软件介绍随着工业自动化水平的迅速提高， 计算机在工业领域的广泛应用， 人们对工 业自动化的要求越来越高， 种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应 用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。 在开发传统的工业控 制软件时， 当工业被控对象一旦有变动， 就必须修改其控制系

15、统的源程序， 导致 其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使 用率很低， 导致它的价格非常昂贵； 在修改工控软件的源程序时， 倘若原来的编 程人员因工作变动而离去时， 则必须同其他人员或新手进行源程序的修改， 因而 更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了 一种崭新的方法， 因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题， 使 用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工 程。组态（）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有（ 1）延续性和可扩 充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统

16、结构）或 用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（ 2） 封装性（易学易用） ，通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方 法包装起来， 对于用户，不需掌握太多的编程语言技术 （甚至不需要编程技术） ， 就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（ 3）通用性，每个用户根据 工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（、智能仪表、智能模块、板 卡、变频器等）的 、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画 效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、 具有多媒体功能和网络功能的工程， 不受行业限制。最早开发的通用组态软件是环境下的组态软件， 其特点是具

17、有简单的人机界 面（）、图库、绘图工具箱等基本功能。随着的广泛应用，环境下的组态软件成 为主流。 与环境下的组态软件成为主流。 与环境下的组态软件相比， 其最突出的 特点是图形功能有了很大的增强。 国外许多优秀通用组态软件是在英文状态下开 发的，它具有应用时间长、 用户界面不理想、 不支持或不免费支持国内普遍使用 的硬件设备、 组态软件本身费用和组态软件培训费用高昂等因素， 这些也正是国 内通用组态软件在国内不能广泛应用的原因。 随着国内计算机水平和工业自动化 程度的不断提高， 通用组态软件的市场需求日益增大。 近年来， 一些技术力量雄 厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。4

18、.2 系统流程图系统流程图如图 4.1 所示：图 4.1 系统流程图4.3 数据词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 涉和到的变量的类型重要有与、 设备进行数据交换的实型变量， 控制电磁阀开关 的离散变量， 用于定义开关动画连接的内存离散变量， 参与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 下图 4.3 所示I-1交呈电国-1吏酸星C怪捋邊*総$芳曲頷旳?矣型10卷乳专瓷右亍号11騷号吕E活二1213儈倚捋餐K戸辛常龜刚1曙炖151

19、6.空？网塔序苦172122KR-屮23卷嗝幵宴芒产莖型2425丸存吾洙26tihyan:屋蹙至27STM齐J8&主回販例葢愆迥舷型2030爲惑型31驗酉一回空比匹融冉疗突型32r能目一回遷匡昔黑魏33i4卷主回苗忙罢03S耀壬口律诧若136騷主回劉晅芒氐型37一三幸二言K丢型38绻盂冃茅氓圭1齐亦型対40縦唾1離制量41円序宾型42琉水流呈K小43直刘间44-vr图4.3数据词典4.4组态画面在液位一液位控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测 量对象的液位并对其进行归一化等处理；控制器是整个控制系统的核心，它根据 设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到

20、期望的设 定值。单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不 能满足生产更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。组态画面如图4.4所示，其设计原理可见图4.1系统流程图。图4.4 组态画面4.5控制算法流程图图 控制算法流程图4.6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

21、数分别为计算机 依据算法的输出值uk，系统给定值Sp和检测反馈值R。实时趋势曲线和历史 趋势曲线分别如下图4-5、4-6所示:设计心得通过本设计我先从一个纯理论者转变成了一个问题者， 认识到了实际工作中 细节很多也很复杂， 我们以后认识东西不要单从知识下手， 还要联系实际应用中 所要熟悉的问题。在研究此课题期间，我真正接触了很多有着求知欲的同学，我和同学讨论的 各方面都影响着我的设计过程， 在遇到问题时都能一次又一次的尝试， 直到把问 题解决为止， 实在解决不了的话， 同学不是直接告诉我答案， 而是引导我自己去 找到解决的方法， 增强了自己的解决问题的能力。 在整个系统的设计过程中， 花 费时

22、间最多的是硬件的调试， 调试时遇到了大量的错误， 最后在老师和同学的帮 助下终于调试通过， 使整个电路可正常工作。 通过不断的纠正错误， 我深刻地体 会到在设计过程中， 需要反复实践， 其过程很可能相当烦琐， 有时还特别想放弃， 此时更加需要静下心来，仔细查找原因。总之，这次设计我更加知道了一件事情， 不是仅靠自己就能完成的， 还要联 系以前的理论，结合自己的实际，开创出自己的解决问题的整体策略。并且学会了如何去设计一个过程控制系统， 掌握了基本的设计步骤。 了解到， 一般情况下，它都要经过一下几个步骤：认知被控对象、设计控制方案、选择控 制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画 面、设计数据词典等，直到最后的动画链接成功，并达到控制要求。经过以上步 骤