过程控制与仪表课设液压控制系统

中南大考

《过程控制仪表》

课程设计汇报

设计题目•液压控制系统

指导老师

设计者________222222__________

专业班级_________自动化____________

设计日期2023年6月

目录

第一章过程控制仪表课程设计的目的意义....................3

1.1设计目日勺......................................................3

1.2课程在教学计划中的地位和作用................................3

第二章压力控制系统（试验部分）..........................3

2.1控制系统工艺流程.............................................3

2.2控制系统的控制规定...........................................6

2.3系统的试验调试................................................7

第三章液位控制系统工艺流程及控制规定....................9

3.1设计工程分析.................................................9

3.2液位控制系统工艺流程........................................10

3.3设计内容及规定..............................................10

第四章总体设计方案.....................................11

4.1设计思想....................................................11

4.2总体设计流程图..............................................12

第五章硬件设计.........................................13

5.1硬件设计概要.................................................13

5.2硬件选型....................................................13

第六章软件设计.........................................15

6.1控制算法的选择.............................................15

6.2PID控制指令.....................................................15

第七章调试中碰到详细问题与调试措施......................17

7.1调试问题.........................................................17

7.2调试措施........................................................17

第八章收获和体会.......................................18

参照文献.................................................19

第一章设计的目的与意义

1.1设计目的

本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对

《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前

期课堂学习内容的综合应用。其目口勺在于培养我们综合运用理论知识来分析和处

理实际问题日勺能力，使我们通过自己动手对一种工业过程控制对象进行仪表设

计与选型，增进我们对仪表及其理论与设计的深入认识。课程设计的重要任务

是设计工业生产过程常常碰到的压力、流量、液位及温度控制系统，使我们将理

论与实践有机地结合起来。这次我们小组的任务是压力控制系统日勺应用和设计。

1.2课程在教学中的地位与作用

“过程控制仪表”是自动化专业必修的专业课之一，通过课程设计可以让我

们对工业的控制模拟而工业H勺某些控制有了更深一步H勺理解，为我们加深对课程

理论知识的认识和工业应用，因此本课程在教学中起到了融会贯穿的作用，让我

们所学到的东四都联络到的一起，是教学中是不可或缺的I。

第二章压力控制系统

2.1控制系统的工艺流程

该装置有三个互相串联的不一样大小的密封压力容器和针型阀、压力阀、

及流量等检测变送仪器构成，配套口勺仪表屏上安装了控制、显示灯仪表，并配有

带连接信号插座孔德工程模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图2T所示。

--

支路2KM2||石.二丁+。+。.。♦。+。“0P

AS

0

O-

NH

Q3

-

I上L二JU二IW_______w_____w____

图2-1压力装置工艺模/流程图

上图中，标字母方块日勺多种仪表，0为多种仪表的输入、输出信号的单线

接插件日勺插座孔（+、一插孔）。其中:

C：控制器。该装置配有三个单回路调整器Q、C2、C3,控制输出信号为4

-20mA,每个调整器设有三对插座孔。其中：PV孔位测量值输入，SV孔为外设

定输入或阀位反馈信号输入，0孔为调整器输出。

R：记录仪为无纸3通道，R3孔为3号通道。每个通道有两个插座孔，其中

上孔接变送流来日勺信号，下孔接到其他仪表作为输入信号，注意不能接错。

PT：压力变送器。压力变送器为LSYB,1#一一3#输入量程均为0——80Kpa,

变送输出为4——20mAo

VL：电子式电动阀为电子小流量调整阀，电动调整阀输入4——20mA电流信

号，对应阀门输出开度0—100%o

FT：流量计。流量计是一种为LGJ-6型玻璃浮子流量计，输入流量为0——

3m*3/h,无信号变送输出，只有浮子指示。

V1-2和11-2：两路电压电流转化器。其中VI为第1路电压输入信号端，H

为第1路串流输出信号端，V2为第2路电压输入信号端，12为第二路电流输出

信号端，。上孔接电压/电流转换器来的正信号，下孔接电压/电流转换器的负信

号，不能接错。

由图2-1可见，压缩空气分两路进入压力容器。支路1为控制通道，压缩空

气经减压调整为200KFa,通过调整阀口勺流量可由玻璃转子流量计指示，经1#罐

和针阀R1（可调电阻）、2#罐和针阀R3最终排放入大气。支路2为扰动通道，

压缩空气经减压调整为60kpa,通过调整阀口勺流量也可由玻璃转子流量计指示，

进入1#罐、2#罐或3#罐的通路由截止阀Fl、F2及F3控制，相称于扰动的加入

位置可以选择。

本装置有三个检测变量，可以从中选择一至二位被控变量。有两个可控制欧I

变量（两个经调整阀的压缩空气的流量），一般，支路一流量作为操作变量通路,

支路2则作为扰动输入通路。在确定被被控量、操作变量、重要扰动和控制方案

后，只要在模拟控制流程图上日勺插座孔进行不一样日勺连接，就能以便、迅速地构

成不一样的控制回路。

2.2控制系统的控制规定

本试验采用压力串级控制系统。

主变量采用3#的气缸压力，副变量为1#气缸压力的压力串级控制系统，为

了提高控制质量，可以选择3#气缸压力位主被控变量，1#气缸压力位副被控变

量的串级控制方案，把支路1通道的阀前压力波动和F1扰动纳入副回路。其带

控制点的工艺流程图和方块图如图2-2与2-3所示。

图2-23#罐压力简朴控制系统H勺带控制点的工艺流程图

2-33#气缸压力串级控制系统的方框图

通过外界值来确定来测试此系统H勺线性可控区。

规定：1、超调量不超过5机

2、稳态误差不超过2机

在符合此条件的工作区则就认为是线性工作区。

2.3系统的试验调试

参数的设定

1、主控制器

一级参数设定：

将预算周期TO设为3s

PID参数先设定为P=100、1=50、D=6

二级参数设定

PID作用方式选为反作用Fl=l

PID输出显示F3=l

控制方式选择IN2=0

输出下限PIDL=O

输出上限PTDH=100

2、副控制器

将预算周期TO设为3s

PID参数先设定为P=100>1=50、D=6

二级参数设定

PID作用方式选为反作用Fl=l

PID输出显示F3=0

控制方式选择IN2=2

输出下限PIDL=O

输出上限PIDH=100

线性区的测试

为了使其线性可控性高，我们应当调整其控制参数PID,通过多次调试其成

果为

主控制器P=200、1=50、D=05

副控制器P=16L4、1=60、D=20

测得数据为

给定25354050

值

测量

值

有上可知线性可控区为25—50Kpa

第三章压力控制系统工艺流程及控制规定

3.1设计工程分析

这次设计是以一经典工业生产过程一一煤气脱硫工艺过程进行分析•，并对

其中的一种参数（如温度、压力、流量、液位）没计其控制系统。

其中煤气脱硫工艺的流程图如下

1Mt废液去煤场

进工段的导热油

出丁段的辱热油

煤气去疏氨工段

怫大气

颈冷塔持污水去机械厂

化气水泳清槽！

冷款或风工段来的厚余噂水!

面的下小

循环上水回而

蒸氧装置来再

的浓氨水生

低海卜女塔

冷凝酸民工段

来的煤气I脱硫珞

放硫槽

SWJS

废液槽

）蒸汽

反应植W

蒸汽

事故槽

冷凝水谭而

■3103

进工段的反竭空气

图1脱点工艺流程图

HPF脱硫工艺流程

HPF法脱硫是国内新开发的技术，它是以氨为碱源液相催化氧化脱硫新工艺，

采用的催化剂HPF是一种复合催化剂，它对脱硫和再生过程均有催化作用。所产废

液完全可以回兑到炼焦煤中，从而大大简化了工艺流程。脱硫、脱鼠效率较高，

一般可到达塔后煤气含IkSWlOOmg/nf,含HCNW300mg/n?。

HPF法脱硫的工艺流程是:鼓风机后日勺煤气进入预冷塔与塔顶喷洒日勺冷却水

逆向接触,被冷却为30C,冷却水从塔下部用泵抽出，送外冷落被低温水冷至28℃

送回塔顶循环喷洒。采用部分剩余氨水更新循环冷却水，多出循环水返回机械化

氨水澄清槽。

预冷后H勺焦炉煤气通过两台并联的脱硫塔，从塔顶喷淋脱硫液以吸取煤气中

的H?S、HCN（同步吸取氨，以补充脱硫脱氟过程中消耗的氨）。脱H2s后的煤气送入

洗涤工段。

两台并联欧I脱硫塔均有自己独立时再生系统，吸取了H2S、HCNH勺溶液从塔溜

出，经液封槽进入各自独立的反应槽，再经溶液循环泵送入再生塔。同步由空气

压缩机送来H勺压缩空气鼓入再生塔底部,溶液在塔内即得到再生。再生后溶液经

液位调整器返回各自对应的脱硫塔循环使用。

浮于再生塔顶的硫泡沫运用位差流入泡沫槽，硫泡沫经泡沫泵送入戈尔摸过

滤器分离,清液流入反应槽，硫膏经压缩空气压榨成硫饼装袋外销。为防止脱流液

盐类积累影响脱硫效果，排出少许废液送往配煤。

3.2压力控制系统工艺流程

本次课程设计选择口勺参数一一压力，对其进行控制系统口勺设计。其控制工艺

流程图如3~1o

再生塔

图3-1压力控制工艺流程图

3.3设计内容及规定

1、理解煤气脱硫工艺过程的工艺流程和控制规定;

2、理解压力控制在整个工作流程中的作用。

3、设计其工业生产过程中压力控制系统（包括控制系统日勺软硬件日勺总体设计，

如参数检测变送器、控制器、执行器及调整阀日勺选型和控制算法的程序设计及控

制系统参数整定）；

4、完毕对压力的系统调试试验；

5、提交课程设计汇报一份，论述系统设计思想利方案，包括对所选用工业生产

过程的工艺分析，控制规定、总体方案设计。

第四章总体设计方案

4.1设计思想

通过对煤气脱硫过程及压力控制部分的分析，由于其只需一种检测量，即

预冷塔内液面的位置，因此采用单回路控制就可以满足生产日勺规定。其中单回路

的压力控制系统日勺方框图4-1

扰动f

偏差Pli入气量1被控制量PT

变化应U

绐定量PTs*电f阀*----二4”二容二卜-------

反馈PTf

A/D液位变送器.

图4T压力单回路控制系统

压力控制系统由二列四个部分构成：1被控对象一一密闭的压力容器，2电

动阀，3压力变送器和4PID智能调整器等。它们连结成控制系统H勺方框图如上

图。

图4-1中被控对象是三个互相串联的不一栏大小日勺密闭压力容器，被调参

数是密闭压力容器的压力，调整参数是流入密闭压力容器日勺气流量Q,密闭压力

容器压力由压力变送器检测得到压力反馈信号PTf,它和压力设定信号PTS进行

比较，得到偏差信号PH,调整器对输入偏差PTI进行PID运算，输出变化量Y

控制信号，控制电动调整阀门的阀位，变化调整参数Q,使被调参数PT保持在

设定值。其中f为扰动量。

4.2总体设计流程图

总体方案设计流程图如下

当系统运行时.，压缩空气进入管道，之前管道上PIC控制滞设有气体压力给定量，以

保证系统内气压力稳定。当检测到管道内压力不小于给定值时，PIC控制器会控制电动

阀将阀门调小，从而使管道内压强减小，反之，PIC控制器会控制电动阀将阀门

调大，从而使管道内压强增大。

第五章硬件设计

5.1硬件设计概要

该系统硬件设计重要包括检测单元、执行单元和拴制单元的设计。运用工业控

制计算机（IPC）作为上位机，运用MCGS软件作为程序开发平台，下位机采用可

编程序控制器（三菱FX2N—16MPLC）,构成一种压力过程控制监控系统（如图

5.1）0

L.八411

图5.1压力过程监控系统

5.2硬件选型

压力变送器

压力变送器日勺被测介质日勺两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采

用大气压或真空，作用在b元件（即敏感元件）H勺两侧隔离膜片上，通过隔离

片和元件内日勺填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧

绝缘片上的电极各构成一种电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片

产生位移，其位移量却压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解

调环节，转换成与压力成正比日勺信号。

选择压力变送器所需要日勺参数

1、压力量程范围

2、是选择智能还是模拟

3、与否要带表头显示（指针、数码管、液晶）

4、精度等级

5、测量欧J介质

电动调整阀

1.电动调整阀选用重要控制参数为：公称直径、设计公称压力、介质容许

温度范围、流量系数等。

2.对于规定流量和启动高度成正比例关系日勺严格场所，应选用专用调整阀。

球阀和蝶阀一般粗调时可以选用。

3.阀门的J密封性能是考核阀门质量优劣的I重要指标之一。阀门的密封性能

重要包括两个方面，即内漏和外漏。内漏是指阀座与关闭件之间对介质到达H勺密

封程度。外漏是指阀杆填料部位的泄露，中口垫片部位H勺泄露以及阀体因铸造缺

陷导致日勺泄露。外漏是不容许发生欧I。

4.调整阀理想流量特性有快开、抛物线、线性、等比例四种，需根据实际

工作流量特性选择具有合适流量特性的调整阀。

三菱FX2NPLC

PLC特点有诸多，重要列举如下：

1可靠性高，抗干扰能力强PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用

严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进口勺抗干扰技术，具有很高口勺可靠性。

2配套齐全，功能完善，合用性强现代PLC大多具有完善日勺数据运算能

力，可用于多种数字控制领域。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,

使用PLC构成多种控制系统变得非常轻易。

3易学易用，深受工程技术人员欢迎

4系统的设计、建造工作量小，维护以便，轻易改造

5.体积小，重量轻，能耗低

第六章软件设计

6.1控制算法的选择

PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已经有50数年历史,

目前仍然是应用最广泛啊工业控制器。PID控制器简朴易懂，使用中不需精确的

系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)构成。其输入

e(t)与输出u(t)的J关系为

/

u(t)=kp(^((/)+1/+Tr)*de(l)/dl)

o

因此它日勺传递函数为：

G(s)=U(s)/E(s)=A。(1+1/区*s)+/*s)

其中,kp为比例系数：1为积分时间常数；TD为微分时间常数

6.2PID控制指令

PIDSIS2S3S4

PID控制在PLC中既可用PID硬件模块实现，也可用软件实现。软件措施就是

根据PID算法编制控制程序或直接调用PID指令，后者较以便，但不是所有PLC都

支持。三菱FX2N系列PLC提供了PID控制指令，且其参数设置灵活，使用以便。其

中S1表达设定值所在的数据寄存器；S2表达测量值所在的数据寄存器；S4表达输

出值所在的数据寄存器；S3〜S3+6表达PID指令中控制参数设置所需的数据寄存

器，其分派如下：

S3采样时间(ms)

S3+1动作方向(ACT)

S3+2输人滤波常数(a；

S3+3比例增益(K)

53+4积分时间(TJ(x100ms)

S3+5微分增益(K)

S3+6微分时间(TD)(x10ms)

为了得到最优PID控制，系统运行开始时设定S3+：(ACT)的第4位为0N,启动PID

参数的自整定过程“在整定就是根据开始时容器压力变化的状况自适应地调整

PID控制的重要参数(比例增益、微分时间、积分时间等)。当自整定开始时的测

定值到目的值的变化量变化1/3时，自整定过程结束，系统进入PTD控制。

6.3程序流程图

如右图所示

其中，打开特殊功能模块、数据输入、PID控制以及数据输出部分均由PLC控制。

第六章调试中碰到详细问题与调试措施

6-1调试问题

本次试验调试时为压力控制系统，选用日勺是压力串级控制系统，这次调试试

验总体上还算顺利，不过在调试期间也出现了许多的问题，不过也在老师的指导

和全体组员日勺努力下得以顺利处理。碰到问题重要有如下：

1、接线设计错误

接线之前老师让我们自己设计接线，不过由于准备时就日勺局限性，导致设计

的线路出现某些问题。例如将外设定输入孔与孔测量输入没有弄清晰之间日勺区

别，但在老师的讲解下，我们随机明白，得以在接线线路设计对日勺。

2、设计参数日勺错误

开始调试，不过数据都不对的，检查了线路不过没发现问题，最终检查了一

下设置参数，发现二级参数中的控制方式选择日勺错误在副控制器中应当选择单路

输入PID控制即IN2=0,不过一开始选择日勺是IN2=2。

3、超调量太大

减少比例系数Kp或者增大积分时间Ti亦或者增大微分时间Td°

4、系统反应时间太长

我们加大了系数，问题得以处理。

5、稳定误差大

增大了积分时Ti,合适减小了比例系数即。

6-2调试措施

使用先比例，后积分，再微分的整定环节。

1、首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观测对应的系统响应,

直到得到反应快，超调小的