流量比值控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、<p>　　工業(yè)過程控制課程設(shè)計任務(wù)書</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 設(shè)計內(nèi)容和要求</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計目的</b></p><p>　　運用組態(tài)軟件“組態(tài)王King View6.05”，結(jié)合工業(yè)

2、過程實驗室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID控制算法，自行設(shè)計，構(gòu)成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定相關(guān)的PID控制參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，最終得到一個具有較美觀組態(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>　　1.2控制要求</b></p><p>　　利用電阻絲加熱器對流經(jīng)加熱罐中的水進行加熱，使用組態(tài)軟件實現(xiàn)控制監(jiān)控，采用合理的控

3、制規(guī)律，使管道中流動的水的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，以達到整體系統(tǒng)穩(wěn)定運行的效果。水溫的測量范圍為0-100℃，測量精度<1%。</p><p><b>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)控制方案</b></p><p>　　為了取得較好的控制效果，基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)在系統(tǒng)

4、設(shè)計時，采用PID控制規(guī)律。通過溫度傳感器將檢測到的實時溫度值與溫度設(shè)定值的差值送入計算機，計算機運用PID算法得到相應(yīng)的控制信號，并將其輸出給執(zhí)行器，然后執(zhí)行器調(diào)節(jié)加熱器，以達到調(diào)節(jié)溫度的控制目的。</p><p>　　2.2 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，測量便送采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計算機，執(zhí)行機構(gòu)

5、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>　　流量比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　3 過程儀表的選擇</p><p>　　3.1 溫度傳感器</p><p>　　檢測水溫的傳感器采用熱電阻Cu50。熱電阻Cu50在-50~150

6、℃測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度之間呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)大，測量精度高，熱補償性好在過程控制領(lǐng)域使用廣泛。系統(tǒng)采用三線制Cu50，溫度信號經(jīng)過變送單元轉(zhuǎn)換成4~20mADC電流信號，便于計算機采集。</p><p><b>　　3.2 加熱器</b></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，輸入控制信號為4-20mA標準電流信

7、號，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，加熱器電阻絲的兩端電壓時0V，輸入20mA電流時，加熱器電阻絲的兩端的電壓時220V。</p><p><b>　　3.3 過程模塊</b></p><p>　　采用牛頓7000系列遠程數(shù)據(jù)采集模塊作為計算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過程模塊。牛頓7000

8、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，電壓輸出1～5VDC，精度14位。使用7024模塊的1通道IO1 作為可控硅的電壓控制通道。</p><p>　　A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸入模塊。電壓輸入1～5VDC。使用7017模塊的4通道IN4作為溫度信號檢測輸入通道。</p>

9、<p>　　通信模塊采用牛頓7520，RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS-485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，速度為300～115200BPS，可長距離傳輸。</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)動電磁閥設(shè)備。</p><p><b>　

10、　3.4 電動調(diào)節(jié)閥</b></p><p>　　采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c電動執(zhí)行機構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA 及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓

11、力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，4-20mA閥位反饋信號輸出雙導(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，使用壽命長等優(yōu)點。</p><p><b>　　3.5 其他設(shè)備</b></p>&l

12、t;p>　　在控制系統(tǒng)回路中所涉及到的設(shè)備還用水泵，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，揚程可達10米，功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，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，關(guān)斷能力強，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。所采用的24V開關(guān)電源最大電流為為2A，滿足系

13、統(tǒng)需要。</p><p><b>　　系統(tǒng)流程圖</b></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>　　4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計</b></p><p>　　4.1 組態(tài)王簡介</p><p>　　組態(tài)王是在PC機上

14、建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能軟件包. 該軟件包從工業(yè)控制對象中采集數(shù)據(jù),并記錄在實時數(shù)據(jù)庫中,同時負責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動畫的方式形象地表示出來. 還可以完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能,并按實際需要生成歷史數(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,采用了多線程、COM組件等新技術(shù),實現(xiàn)了實時多任務(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

15、能儀表、板卡和現(xiàn)場總線等工控產(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,實現(xiàn)各種功能。</p><p><b>　　組態(tài)軟件設(shè)計</b></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。整個監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，總體監(jiān)視，設(shè)備控制，相關(guān)參數(shù)實時在線調(diào)整，顯示實時曲線，歷史曲線等功能。

16、</p><p><b>　　設(shè)備設(shè)置</b></p><p>　　組態(tài)王對設(shè)備的管理是通過對邏輯設(shè)備名的管理實現(xiàn)的，具體講就是每一個實際I/O 設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定一個唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)著該I/O 設(shè)備的生產(chǎn)廠家、實際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計算機的通信方式等信息內(nèi)容。</p><p>　　系統(tǒng)中與上位計算

17、機進行數(shù)據(jù)交換的外部設(shè)備主要是是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IO1通道名稱分別為AD和DA，與計算機COM1串口通信，通信地址分別為0和1。通信參數(shù)的設(shè)置如下表所示：</p><p>　　4.2.2 組態(tài)畫面</p><p>　　本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有開機畫面，系統(tǒng)組成畫面等。</p>

18、;<p>　　開機畫面主要顯示課題題目，制作人姓名，班級等相關(guān)信息。畫面上設(shè)置有兩個提示按鍵，分別提示操作員進入主界面或退出操作系統(tǒng)等。開機界面如下圖3所示。</p><p>　　系統(tǒng)主界面主要繪制的是控制系統(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?；趧赢嬤B接，主界面可實現(xiàn)自動，手動操作切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實時曲線框以方便操作員在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)觀察控

19、制效果。系統(tǒng)主界面如下圖4所示。 </p><p><b>　　變量定義</b></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與AD，DA設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的I/O實型變量，控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定以開關(guān)動畫連接的內(nèi)

20、存離散變量，參于PID運算的內(nèi)存實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下圖5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，運用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實現(xiàn)PID控制算法。由于溫度系統(tǒng)大滯后特點，取采樣周期Ts=20s。</p><p>　　本系統(tǒng)采用P

21、ID位置控制算式，其控制算式如下：</p><p>　　上述算式中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間，Td為微分時間，以u(k)作為計算機的當前輸出值，以sp作為給定值，pv作為反饋值即AD設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，e(k)作為偏差。在組態(tài)王畫面中，設(shè)置PID參數(shù)調(diào)整框依據(jù)實時曲線在線調(diào)整PID參數(shù)如下圖所示。 </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

22、腳本程序。</p><p>　　4.2.5 趨勢曲線</p><p>　　趨勢曲線有實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。在組態(tài)王中通過圖庫可方便地繪制曲線畫面, 在趨勢曲線中可顯示系統(tǒng)運行時各個主要變量的歷史記錄,可以查詢以前任意時段的歷史記錄,還可設(shè)定查詢的時間范圍,顯示某查詢時間和該時間所對應(yīng)的被控變量值等。實時趨勢曲線可以自動卷動, 以快速反應(yīng)變量隨時間的變化。在溫度單回路控制系統(tǒng)中，趨勢

23、曲線所要表達的三個參數(shù)分別為計算機依據(jù)PID控制算法的輸出值u(k),系統(tǒng)給定值sp和檢測反饋值pv。實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線分別如下圖所示。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　PID腳本程序</b></p><p><b>　　啟動時：</b></p>

24、;<p>　　\\本站點\Ts=20;</p><p>　　\\本站點\I=\\本站點\Ti/\\本站點\Ts;</p><p>　　\\本站點\D=\\本站點\Td/\\本站點\Ts;</p><p>　　\\本站點\ukp=0;</p><p>　　\\本站點\uk1=0;</p><p>　　\\本

25、站點\ek1=0;</p><p>　　\\本站點\ek11=0;</p><p>　　\\本站點\ek12=0;</p><p><b>　　運行期間：</b></p><p>　　if(\\本站點\自動開關(guān)==1)</p><p>　　{ \\本站點\Ts=15;</p>&l

26、t;p>　　\\本站點\I=\\本站點\Ti/\\本站點\Ts;</p><p>　　\\本站點\D=\\本站點\Td/\\本站點\Ts;</p><p>　　\\本站點\a0=\\本站點\P*(1+1/\\本站點\I+\\本站點\D);</p><p>　　\\本站點\a1=\\本站點\P*(1+2*\\本站點\D);</p><p>

27、;　　\\本站點\a2=\\本站點\P*\\本站點\D;</p><p>　　\\本站點\ek1=\\本站點\sp-\\本站點\溫度;</p><p>　　\\本站點\ukp=\\本站點\a0*\\本站點\ek1-\\本站點\a1*\\本站點\ek11+\\本站點\a2*\\本站點\ek12+\\本站點\uk11;</p><p>　　\\本站點\uk11=\\本站

28、點\ukp;</p><p>　　\\本站點\ek12=\\本站點\ek11;</p><p>　　\\本站點\ek11=\\本站點\ek1;</p><p>　　if(\\本站點\ukp<1000)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(\\本站點\ukp<

29、;0)</p><p>　　{\\本站點\uk1=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else{\\本站點\uk1=\\本站點\ukp;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b><

30、/p><p>　　else{\\本站點\uk1=1000;}</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　關(guān)閉時：</b></p><p>　　\\本站點\ukp=0;</p><p>　　\\本站點\uk1=0;</p><p>