基于組態(tài)軟件的液位-流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目: 基于組態(tài)軟件的流量比值過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系名稱： 自動(dòng)化 專業(yè)班級(jí)： 1002 學(xué)生姓名： 秦凱新 學(xué) 號(hào)： 201046820427 指導(dǎo)教師： 王偉生 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 31520 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2013/7/2 設(shè)計(jì)成績(jī)： 指導(dǎo)教師： 本欄由指導(dǎo)教師根據(jù)大綱要求審核后，填報(bào)成績(jī)并簽名。1 摘要隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)過(guò)程控制提出了更高更新的要求，在許多生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種或兩種以上的物料流量成一定的比例關(guān)系混合進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于物料比例的要求就變得甚為嚴(yán)格，如果比例不能滿足要求，或是比例失調(diào)，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)不到要求，以致造成損失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生

2、。例如在制藥過(guò)程中，為增加藥效，需要對(duì)其中成分藥物加注入劑，生產(chǎn)工藝要求藥物和注大劑混臺(tái)后的含量必須符合要求的比例，否則會(huì)使藥效降低而達(dá)不到要求。研究比值控制系統(tǒng)很有必要，提高比值控制的精度及水平具有深遠(yuǎn)的意義。關(guān)鍵字：物料流量 比例 比值控制系統(tǒng) 深遠(yuǎn)的意義 目 錄引言11設(shè)計(jì)目的與要求11.1 設(shè)計(jì)目的11.2 設(shè)計(jì)要求22系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22.1 控制方案22.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程23 過(guò)程儀表選擇33.1 流量檢測(cè)傳感器33.2 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥43.3 水泵43.4 過(guò)程模塊54 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)64.1 工藝流程圖64.2組態(tài)畫(huà)面64.3 數(shù)據(jù)字典94.4 應(yīng)用程序114.5 動(dòng)畫(huà)連接135實(shí)驗(yàn)總結(jié)

3、146 參考文獻(xiàn)14 引言在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中，經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進(jìn)行生產(chǎn)，如果比例失調(diào)，輕則造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，重則會(huì)造成生產(chǎn)事故或發(fā)生人身傷害，給企業(yè)帶來(lái)較大的損失。實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng),稱為比值控制系統(tǒng).由于過(guò)程工業(yè)中大部分物料都是以氣態(tài),液態(tài)或混合的流體狀態(tài)在密閉管道,容器中進(jìn)行能量傳遞與物質(zhì)交換,所以保持兩種或幾種物料的比例實(shí)際上是保持兩種或幾種物料的流量比例關(guān)系,因此比值控制系統(tǒng)一般是指流量比值控制系統(tǒng).該設(shè)計(jì)以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為中心對(duì)控制回路的液體的流量進(jìn)行比例控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)。采用工業(yè)用的LDS-10S型電

4、磁流量傳感器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)與設(shè)定值進(jìn)行比較對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，并采用牛頓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(guò)程模塊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換，采用德國(guó)PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制。通過(guò)組態(tài)王仿真軟件進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)出能夠驅(qū)動(dòng)采集模塊，具有友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控，有及時(shí)的數(shù)據(jù)顯示，圖形顯示，PID參數(shù)手動(dòng)及自動(dòng)控制等控制功能，并建立了動(dòng)畫(huà)連接，生成了信息報(bào)告。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)不僅能按比值關(guān)系進(jìn)行控制，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。該設(shè)計(jì)可以用于化工廠，制藥等場(chǎng)所。 1設(shè)計(jì)目的與要求1.1 設(shè)計(jì)目的通過(guò)某種組態(tài)軟件，結(jié)

5、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(huà)面和較完善組態(tài)控制程序的流量比值單回路過(guò)程控制系統(tǒng)。 1.2 設(shè)計(jì)要求1. 根據(jù)流量比值單回路過(guò)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(guò)程儀表。2. 根據(jù)流量比值單回路過(guò)程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開(kāi)關(guān)I/O的需要，正確選用過(guò)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)流量比值單回路過(guò)程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫(huà)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。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2

6、.1 控制方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)采用單閉環(huán)比值控制。在控制兩種物料的比值系統(tǒng)中，起主導(dǎo)作用的物料流量稱為主動(dòng)量，跟隨主動(dòng)量而變化的物料流量稱為從動(dòng)量。設(shè)本系統(tǒng)中液體A為主動(dòng)量，液體B為從動(dòng)量。將從動(dòng)量用一個(gè)閉環(huán)包括進(jìn)去，而主動(dòng)量開(kāi)環(huán)。將液體A的流量Y1通過(guò)比值控制器K作為閉環(huán)回路的輸入量。所以從動(dòng)量B的給定是KY1，因?yàn)閅1開(kāi)環(huán)，Y2要隨著Y1的變化而變化，即從動(dòng)量B是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程 圖2.1 系統(tǒng)原理圖上圖為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)打開(kāi)液體A的閥門，流量檢測(cè)傳感器測(cè)出其流量值，經(jīng)變送單元送至比值器，比值器的輸出與液體B流量測(cè)量變送送出的流量值相減，其偏差作為液體B流量控制器的輸

7、入值，控制器的輸出用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥，從而使液體B的流量得到了控制。這就使液體B的流量隨液體A的流量變化而變化。其中液體A的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是為了方便設(shè)置A的流量。流程圖如圖2.2 圖2.2 系統(tǒng)流程圖3 過(guò)程儀表選擇3.1 流量檢測(cè)傳感器本設(shè)計(jì)采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量00.3m3/h，壓力1.6Mpmax,4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。可與顯示，記錄儀表，積算器或調(diào)節(jié)器配套。它的優(yōu)點(diǎn)：1.采用整體焊接結(jié)構(gòu)，密封性能好；2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，內(nèi)部無(wú)活動(dòng)部件，幾乎無(wú)壓力損失；3.采用低頻矩形波勵(lì)磁，抗干擾性能好，零點(diǎn)穩(wěn)定；4.儀表反應(yīng)靈敏，輸出信號(hào)與流量成線性關(guān)系，量程比

8、寬；流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ-4型電磁流量轉(zhuǎn)換器，與LDS-10S型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號(hào)：00.4輸出信號(hào)：420mA DC，允許負(fù)載電阻為0750，基本誤差：輸出信號(hào)量程的±0.5%。3.2 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)控制回路的液體的流量進(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(wú)需配伺服放大器，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)420mA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

9、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)，420mA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(kāi)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)斷防止泄漏。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。如下圖所示：圖 3.1 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥示意圖3.3 水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。具有噪音低，功耗小，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變送器一起構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。如下圖所示： 圖3.2 水泵示意圖 3.4 過(guò)程模塊采用牛頓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(guò)程模塊。牛頓700

10、0系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高。D/A模塊采用牛頓7024，四通道模擬輸出模塊，電流輸出420mADC，電壓輸出15VDC，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。A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸入模塊，電壓輸入15VDC。使用7024模塊的1通道IN1作為A流量信號(hào)檢測(cè)輸入通道，7024模塊的2通道IN2作為B流量信號(hào)檢測(cè)信號(hào)輸入通道。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，轉(zhuǎn)速為300115200bps，可長(zhǎng)距離傳輸?？刂苹芈分须姶砰y的開(kāi)關(guān)量輸出模塊采用牛頓7043，16通道非隔離集電極開(kāi)路

11、輸出模塊。最大集電極開(kāi)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。模塊如下圖所示： 圖 3.3 牛頓模塊4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)4.1 工藝流程圖圖4.1系統(tǒng)組態(tài)圖4.2組態(tài)畫(huà)面下圖為系統(tǒng)的組態(tài)畫(huà)面： 圖4.2 控制系統(tǒng)開(kāi)機(jī)畫(huà)面圖4.3控制系統(tǒng)主界面畫(huà)面 圖4.4 控制系統(tǒng)主界面運(yùn)行畫(huà)面本設(shè)計(jì)共有三個(gè)畫(huà)面：控制系統(tǒng)開(kāi)機(jī)畫(huà)面、控制系統(tǒng)主界面畫(huà)面、控制系統(tǒng)主界面運(yùn)行畫(huà)面。開(kāi)始運(yùn)行時(shí)如圖4.2，點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)按鈕，才能進(jìn)入系統(tǒng)。 運(yùn)行時(shí)畫(huà)面如圖4.3，比例系數(shù)為26，積分系數(shù)為36，微分系數(shù)為89，有曲線產(chǎn)生。在運(yùn)行畫(huà)面中的兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和兩個(gè)電磁流量計(jì)，兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥分別是控制A、B液體的

12、流量，兩個(gè)電磁流量計(jì)分別是測(cè)量A、B液體的流量值。當(dāng)我們啟動(dòng)系統(tǒng)后進(jìn)入運(yùn)行我們首先在手動(dòng)狀態(tài)下設(shè)置A液體的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使A液體得流量穩(wěn)定，并且打開(kāi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，然后設(shè)置Kp，Ti，Td，Kc，設(shè)置這五個(gè)參數(shù)后，調(diào)節(jié)閥變?yōu)榫G色。此時(shí)按下自動(dòng)按鈕后進(jìn)入自動(dòng)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)按設(shè)定好的PID算法得到輸出，使A液體的流量與B液體的流量成設(shè)定的比例并穩(wěn)定于此。期間畫(huà)面也能顯示出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度、流量值，并且管道也能模擬液體的流動(dòng)。并且在主界面中也能直接觀察實(shí)時(shí)曲線，查看系統(tǒng)的穩(wěn)定情況。單擊回主界面直接退出系統(tǒng)。4.3 數(shù)據(jù)字典根據(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

13、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(jìn)行數(shù)據(jù)交換的I/O實(shí)型變量，控制電磁閥開(kāi)關(guān)的I/O離散變量，用于定以開(kāi)關(guān)動(dòng)畫(huà)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(huà)效果所用到的內(nèi)存實(shí)型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下表4.5所示。變量名變量描述變量類型ID連接設(shè)備寄存器Uk控制B電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸出I/O實(shí)型21DAAO0FVA液體流量測(cè)量值I/O實(shí)型22ADAI1FV2B液體流量測(cè)量值I/O實(shí)型23ADAI2自動(dòng)開(kāi)關(guān)手動(dòng)/自動(dòng)內(nèi)存離散24比例系數(shù)比例系數(shù)內(nèi)存實(shí)型26積分系數(shù)積分系數(shù)內(nèi)存實(shí)型27微分系數(shù)微分系數(shù)內(nèi)存實(shí)型2

14、8比值器系數(shù)比值器大小內(nèi)存實(shí)型29設(shè)定值輸出A電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小內(nèi)存實(shí)型30A流量測(cè)量值顯示A流量?jī)?nèi)存實(shí)型31B流量測(cè)量值顯示B流量?jī)?nèi)存實(shí)型32B閥門開(kāi)度顯示B電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度內(nèi)存實(shí)型33q01增量型算法系數(shù)1內(nèi)存實(shí)型34q02增量型算法系數(shù)2內(nèi)存實(shí)型35q03增量型算法系數(shù)3內(nèi)存實(shí)型36T采樣周期 內(nèi)存實(shí)型37ek0現(xiàn)在的偏差內(nèi)存實(shí)型38ek1前一次偏差內(nèi)存實(shí)型39ek2前兩次偏差內(nèi)存實(shí)型40PP=Kp1內(nèi)存實(shí)型42TITI=Ti/T內(nèi)存實(shí)型43 DD=Td/T內(nèi)存實(shí)型44Gmax電磁流量計(jì)的最大測(cè)量值內(nèi)存實(shí)型45Uk0前一次控制B電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸出內(nèi)存實(shí)型46 表4.5 數(shù)據(jù)字典 4.4 應(yīng)用

15、程序 圖4.5 PID算法的流程圖本系統(tǒng)的主要的實(shí)現(xiàn)是PID算法的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)流量比值單回路控制系統(tǒng)的原理，運(yùn)用組態(tài)王所提供的類似于C語(yǔ)言的程序編寫(xiě)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)PID控制算法。取采樣周期Ts=1s。本系統(tǒng)采用PID位置控制算式，其控制算式如下： 算式中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，以u(píng)(k)作為計(jì)算機(jī)的當(dāng)前輸出值，以Kc*PV作為給定值，PV2作為反饋值即AD設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，e(k)作為偏差。具體程序如下啟動(dòng)時(shí):本站點(diǎn)T=1;本站點(diǎn)TI=本站點(diǎn)積分系數(shù)/本站點(diǎn)T;本站點(diǎn)D=本站點(diǎn)微分系數(shù)/本站點(diǎn)T;本站點(diǎn)Uk=0;本站點(diǎn)ek0=0;本站點(diǎn)ek1=0;本站點(diǎn)ek2=0;本站點(diǎn)設(shè)定值=

16、0;運(yùn)行時(shí)：if(自動(dòng)開(kāi)關(guān) = 1) T=1; 本站點(diǎn)Gmax=100; 本站點(diǎn)P=本站點(diǎn)比例系數(shù); 本站點(diǎn)TI=本站點(diǎn)積分系數(shù)/T; 本站點(diǎn)D=本站點(diǎn)微分系數(shù)/T; 本站點(diǎn)q01=P*(1+1/TI+D); 本站點(diǎn)q02=P*(1+2*D); 本站點(diǎn)q03=P*D; 本站點(diǎn)ek0=本站點(diǎn)比值器系數(shù)*本站點(diǎn)PV1-本站點(diǎn)PV2; 本站點(diǎn)Uk=q01*本站點(diǎn)ek0+q02*本站點(diǎn)ek1+q03*本站點(diǎn)ek2+本 站點(diǎn)Uk0; 本站點(diǎn)Uk0=本站點(diǎn)Uk; ek2=ek1; ek1=ek0; /Sp=本站點(diǎn)設(shè)定值*0.4+4; 本站點(diǎn)A流量測(cè)量值=(本站點(diǎn)FV1-1 )/4*Gmax; 本站點(diǎn)B流量

17、測(cè)量值=(本站點(diǎn)FV2-1 )/4*Gmax; 本站點(diǎn)B閥門開(kāi)度=(本站點(diǎn)Uk-1)/4*Gmax; 停止時(shí)本站點(diǎn)Uk=0;本站點(diǎn)ek0=0;本站點(diǎn)ek1=0;本站點(diǎn)ek2=0;本站點(diǎn)設(shè)定值=0;4.5 動(dòng)畫(huà)連接當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)入主界面，設(shè)定好參數(shù)后，進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)。畫(huà)面中的管道模擬液體的流動(dòng)，它是與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥相關(guān)聯(lián)的，只要電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是有開(kāi)度的，管道就能模擬液體的流動(dòng)。方塊中的值為系統(tǒng)的相應(yīng)實(shí)時(shí)值，它們分別與流量測(cè)量值、閥門開(kāi)度相關(guān)聯(lián)。矩形條中填充的紅色反應(yīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，它與方塊中的值是相對(duì)應(yīng)的，能比較直觀的反應(yīng)閥門的開(kāi)度。5實(shí)驗(yàn)總結(jié)根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)總結(jié)一下幾點(diǎn):1:這次課程設(shè)計(jì)從不會(huì)組態(tài)王到學(xué)會(huì)組態(tài)王,總共花了兩天時(shí)間,在這兩天的時(shí)間里,我從最基礎(chǔ)畫(huà)一個(gè)按鈕,到整個(gè)比值系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畫(huà)面.一點(diǎn)一點(diǎn)跟著視頻教程學(xué)起來(lái).真是很不容易.2:學(xué)會(huì)用數(shù)據(jù)詞典,實(shí)現(xiàn)用變量關(guān)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果,另外,通過(guò)應(yīng)用程序的編寫(xiě),可實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的設(shè)定,以及比值器的設(shè)定,也是本次課設(shè)學(xué)會(huì)的.3:課設(shè)是理論與實(shí)踐的結(jié)合,以后就不會(huì)對(duì)PID 算法陌生