溫度單回路過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)一個(gè)具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路過程控制系統(tǒng)。</p><p>　任務(wù)要求1. 根據(jù)溫度單回路過程控制系統(tǒng)的具體對(duì)象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過程儀表。2.

2、 根據(jù)溫度單回路過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。3. 根據(jù)與計(jì)算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4. 運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)溫度單回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。5. 提交包括上述內(nèi)容的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　主要參考資料[1] 組態(tài)王軟件及其說明文件[2] 邵裕森．過程控制工程．北京：機(jī)械工業(yè)出版社2000[3] 過程控

3、制教材[4] 輔導(dǎo)資料</p><p>　審查意見指導(dǎo)教師簽字：年 月 日</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　溫度控制，在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開單片機(jī)的應(yīng)用。將單片機(jī)控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制

4、系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。</p><p>　　溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。本文以它為例進(jìn)行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果。</p><p>　　現(xiàn)代自動(dòng)控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度

5、，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方

6、面取得了很大的進(jìn)展。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感器對(duì)某處進(jìn)行溫度檢測(cè)，而且我們可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測(cè)，如果對(duì)此原理圖稍加改進(jìn)，我們還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)和控制。</p><p><b>　　1　設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　運(yùn)用組態(tài)軟件“組態(tài)王King View6.05”，結(jié)合工業(yè)過程

7、實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID算法，自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定現(xiàn)相關(guān)的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，最終得到一個(gè)具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　2　控制要求</b></p><p>　　利用電阻絲加熱器對(duì)流經(jīng)加熱罐中的水進(jìn)行加熱，使用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)控制監(jiān)控，采用合理的控制規(guī)律，是管

8、道中流動(dòng)水的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，以達(dá)到整體系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的效果。水溫的測(cè)量范圍為0—100℃，測(cè)量精度＜1%。</p><p><b>　　3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是水的溫度，測(cè)量便采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計(jì)算機(jī)，執(zhí)

9、行器是加熱器，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。</p><p><b>　　3.2　儀表選擇　</b></p><p>　　3.2.1　 溫度傳感器　</p><p>　　測(cè)量水溫的傳感器采用電熱阻Cu50。熱電阻Cu50在—50～150℃測(cè)量范圍內(nèi)電熱阻和溫度之間呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)越大，測(cè)量精度越高，熱補(bǔ)償性好，在過程控制領(lǐng)域使

10、用廣泛。系統(tǒng)采用三線制Cu50，溫度信號(hào)經(jīng)過變送單元轉(zhuǎn)換成4～20mADC電流信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)采集。</p><p>　　3.2.2　加熱器　</p><p>　　采用電阻絲作為加熱器件，采用可控硅移相觸發(fā)單元調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，輸入控制信號(hào)為4—20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，其移相觸發(fā)與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓來控制加熱器電阻絲的兩端電壓，從而控制加熱罐的溫度。輸入4mA電流時(shí)，加熱器

11、電阻絲的兩端溫度為0V，輸入為20mA電流時(shí)，加熱器電阻絲的兩端溫度為220V。</p><p>　　3.2.3　過程模塊 </p><p>　　采用牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過程模塊。牛頓7000系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高。</p><p>　　D/A模塊采用牛頓7024，四通道模擬輸出模塊，電流輸出4～20mADC，

12、電壓輸出1～5VDC，精度14位。使用7024模塊的1通道I01作為可控硅的電壓控制通道。</p><p>　　A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸出模塊，電壓輸入1～5VDC。。使用7024模塊的4通道IN4作為溫度信號(hào)檢測(cè)輸入通道。</p><p>　　通信模塊采用牛頓7520，RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，速度為300～115200BPS

13、，可長(zhǎng)距離傳輸。</p><p>　　控制回路中電磁閥的開關(guān)量輸出模塊采用牛頓7043，16通道非隔離集電極開路輸出模塊。最大集電極開路電壓30V，每通道輸出電流100mA，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥設(shè)備。</p><p>　　3.2.4　電動(dòng)調(diào)節(jié)閥　</p><p>　　采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)控制回路的水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國(guó)PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，無需配伺

14、服放大器，驅(qū)動(dòng)電路采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。由輸入控制信號(hào)4～20mA及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡(jiǎn)單，泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4～20mA閥位反饋信號(hào)輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥

15、門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　3.2.5　其他設(shè)備　</p><p>　　在控制回路中所涉及到的設(shè)備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關(guān)電源等。</p><p>　　水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長(zhǎng)，揚(yáng)程可達(dá)10米，功耗小，220V即可供電，在水泵出水口裝有壓力

16、變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。</p><p>　　所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，管段能力強(qiáng)，使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。所采用的24V開關(guān)電源最大電流為2A，滿足系統(tǒng)需要。</p><p>　　3.3　系統(tǒng)流程圖　</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)組成框圖和組成的儀表單元，得到系統(tǒng)流程圖如圖2所示。</p><p><b>

17、　　圖2 系統(tǒng)流程圖</b></p><p><b>　　4　系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)　</b></p><p>　　4.1　組態(tài)王簡(jiǎn)介　　</p><p>　　組態(tài)王是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象人機(jī)接口的一種智能軟件包，該軟件包從工業(yè)控制對(duì)象中采集數(shù)據(jù)，并記錄在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動(dòng)畫的方式想象得表示出來，還可以完成變量警報(bào)

18、、操作記錄、趨勢(shì)曲線等監(jiān)視功能，并按實(shí)際需要生成歷史數(shù)據(jù)文件，它以Windows 98/Windows 2000/Windows XP中文操作系統(tǒng)為操作平臺(tái)，采用了多線程、COM組態(tài)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)。它具有豐富的圖庫及圖庫開發(fā)工具，支持各種主流PLC、智能儀表、板卡和現(xiàn)場(chǎng)總線等工控產(chǎn)品；有一種類似C語言的編程環(huán)境，便于處理各種算法和操作，還內(nèi)嵌了許多函數(shù)供用戶調(diào)用，實(shí)現(xiàn)各種功能。</p><p>　　4

19、.2　組態(tài)軟件設(shè)計(jì)　</p><p>　　在Windows XP環(huán)境下，控制系統(tǒng)軟件以組態(tài)王6.01作為開發(fā)平臺(tái)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，總體監(jiān)視，相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)在線調(diào)整，顯示實(shí)時(shí)曲線，歷史曲線等功能。</p><p>　　4.2.1　設(shè)備設(shè)置　</p><p>　　組態(tài)王對(duì)設(shè)備的管理是通過對(duì)邏輯設(shè)備名的管理實(shí)現(xiàn)的，具體將就是每一個(gè)實(shí)際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定

20、一個(gè)唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對(duì)應(yīng)著該I/O的生產(chǎn)廠家、實(shí)際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計(jì)算機(jī)的通訊方式等信息內(nèi)容。</p><p>　　系統(tǒng)中與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換外部的設(shè)備主要是AD設(shè)備牛頓7017模塊和DA設(shè)備牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中，設(shè)置7017模塊IN4通道和7024模塊i01通道名稱分別為AD和DA，與計(jì)算機(jī)COM1串口通信，通信地址分別為0和1。</p>

21、;<p>　　通信參數(shù)的設(shè)置如下表所示：</p><p>　　表1 通信參數(shù)的設(shè)置表</p><p>　　4．2．2 組態(tài)畫面　　</p><p>　　本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有開機(jī)畫面，系統(tǒng)組成畫面等。</p><p>　　開機(jī)畫面主要顯示課題題目，制作人姓名，班級(jí)等相關(guān)信息。畫面上設(shè)置有兩個(gè)提示按鍵，分別提示操作員進(jìn)入主界

22、面或退出操作系統(tǒng)等。</p><p>　　系統(tǒng)主界面主要繪制的溫度單回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，加熱罐和閥門等設(shè)備以及相關(guān)的操作提示按鈕等。基于動(dòng)畫連接，主界面可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)，手動(dòng)切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實(shí)時(shí)曲線框以方便操作員在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)觀察控制效果。系統(tǒng)主界面如下圖3所示。</p><p>　　圖3 溫度單回路控制系統(tǒng)組態(tài)圖</p><p>

23、;　　4.2.3　變量定義　　</p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典，以便確定內(nèi)存變量與I/O數(shù)據(jù)，運(yùn)算數(shù)據(jù)的關(guān)系。只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。本系統(tǒng)中所涉及到的變量的類型主要有AD，DA設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的I/O實(shí)型變量，控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定以開關(guān)動(dòng)畫連接的內(nèi)存離散變量，參于PID運(yùn)算的內(nèi)存實(shí)型變量和實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)畫效果所用到的內(nèi)存實(shí)型及內(nèi)存整型變量等。具體的

24、參數(shù)詞典如下表所示。</p><p>　　4.2.4 PID 控制算法　　</p><p>　　根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理，運(yùn)用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實(shí)現(xiàn)PID控制算法。由于溫度系數(shù)大滯后特點(diǎn)，去采樣周期。</p><p>　　本系統(tǒng)采用PID位置控制算法，其控制算式如下：</p><p>　　上述算式中，為比例系數(shù)，為

25、積分時(shí)間，為微分時(shí)間，以 作為計(jì)算機(jī)的當(dāng)前輸出值，以sp作為給定值，pv作為反饋值即AD設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，作為偏差。</p><p>　　在組態(tài)王畫面中，設(shè)置PID參數(shù)調(diào)整框依據(jù)實(shí)時(shí)曲線調(diào)整PID參數(shù)如下所示：</p><p>　　PID控制算法程序流程圖如圖7所示，附錄1為具體的PID控制算法腳本程序。</p><p>　　4.2.5　PID 控制算法流程圖　<

26、/p><p>　　圖4　 PID控制算法流程圖</p><p>　　PID控制算法流程圖如圖4所示，附錄Ⅰ為具體的PID控制算法腳本程序。</p><p>　　4.2.6　溫度單回路控制過程　　</p><p>　　根據(jù)溫度單回路控制系統(tǒng)的原理,其控制過程如下圖所示:</p><p>　　如下圖5所示: 閥門1打開,水泵啟

27、動(dòng),閥門2關(guān)閉,加熱器對(duì)液體進(jìn)行加熱,溫度計(jì)儀表對(duì)液體溫度進(jìn)行檢測(cè)，反饋給調(diào)節(jié)閥門1進(jìn)行調(diào)節(jié),使液體溫度能又快又穩(wěn)達(dá)到給定值．</p><p>　　圖5　溫度單回路控制過程組態(tài)圖</p><p>　　如下圖5所示：是液體溫度高于給定值時(shí)的控制過程．閥門1打開，閥門2打開，水泵啟動(dòng)，對(duì)加熱器進(jìn)行加水，使加熱器液體溫度下降到給定值．</p><p>　　圖6　溫度單回路

28、控制過程組態(tài)圖</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　PID腳本程序</b></p><p><b>　　啟動(dòng)時(shí)：</b></p><p>　　\\本站點(diǎn)\Ts=20;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\I=\\本站點(diǎn)\Ti

29、/\\本站點(diǎn)\Ts;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\D=\\本站點(diǎn)\Td/\\本站點(diǎn)\Ts;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ukp=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\uk1=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek1=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek11=0;</p><p>

30、;　　\\本站點(diǎn)\ek12=0;</p><p><b>　　運(yùn)行期間：</b></p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\自動(dòng)開關(guān)==1)</p><p>　　{ \\本站點(diǎn)\Ts=15;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\I=\\本站點(diǎn)\Ti/\\本站點(diǎn)\Ts;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\D

31、=\\本站點(diǎn)\Td/\\本站點(diǎn)\Ts;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\a0=\\本站點(diǎn)\P*(1+1/\\本站點(diǎn)\I+\\本站點(diǎn)\D);</p><p>　　\\本站點(diǎn)\a1=\\本站點(diǎn)\P*(1+2*\\本站點(diǎn)\D);</p><p>　　\\本站點(diǎn)\a2=\\本站點(diǎn)\P*\\本站點(diǎn)\D;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek1=\\本站

32、點(diǎn)\sp-\\本站點(diǎn)\溫度;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ukp=\\本站點(diǎn)\a0*\\本站點(diǎn)\ek1-\\本站點(diǎn)\a1*\\本站點(diǎn)\ek11+\\本站點(diǎn)\a2*\\本站點(diǎn)\ek12+\\本站點(diǎn)\uk11;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\uk11=\\本站點(diǎn)\ukp;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek12=\\本站點(diǎn)\ek11;</p>&l

33、t;p>　　\\本站點(diǎn)\ek11=\\本站點(diǎn)\ek1;</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\ukp<1000)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\ukp<0)</p><p>　　{\\本站點(diǎn)\uk1=0;</p><p><b

34、>　　}</b></p><p>　　else{\\本站點(diǎn)\uk1=\\本站點(diǎn)\ukp;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else{\\本站點(diǎn)\uk1=1000;}</p><p><

35、b>　　}</b></p><p><b>　　關(guān)閉時(shí)：</b></p><p>　　\\本站點(diǎn)\ukp=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\uk1=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek1=0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek11=0;</p><