工業(yè)過程控制

1、工業(yè)過程控制課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級題目課題性質(zhì)項目設(shè)計指導(dǎo)教師主要內(nèi)容選擇一種合適的組態(tài)軟件，使用實驗室現(xiàn)有的過程控制設(shè)備，結(jié)合壓力單回路過程 統(tǒng)。任務(wù)要求1. 根據(jù)壓力單回路過程控制系統(tǒng)的具體被控對象和控制要求，正確選用過程儀表，獨立2. 按說明書正確安裝過程儀表和有關(guān)模塊，并完成系統(tǒng)接線。3. 運用組態(tài)軟件，合理設(shè)計壓力單回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)畫面，編寫組態(tài)控制程序。4. 分步投運系統(tǒng)，正確調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)達到預(yù)期性能。5. 提交包括上述內(nèi)容的課程設(shè)計報告。主要參考資料1 過程控制系統(tǒng)陳夕松，汪木蘭北京：科學(xué)出版社，20052 過程控制項目邵裕森北京：機械工業(yè)出版社，20003

2、 lnTouch HMI9.5應(yīng)用程序開發(fā)基礎(chǔ)課程，Wonderware公司，20064 過程可視化組態(tài)軟件In Touch應(yīng)用技術(shù)馬正午，周德興北京：機械工業(yè)出版社，審查意見系 < 教研室）主任簽字：年 月曰1設(shè)計目的與設(shè)計要求11.1設(shè)計目的11.2設(shè)計要求12系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 12.1 控制方案 12.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖 22.3 控制規(guī)律選擇 22.4 PID 控制算法流程圖 23. 過程儀表選擇 33.1 壓力傳感器 33.2 變頻器 43.3 過程模塊 43.4 電動調(diào)節(jié)閥 53.5 其他設(shè)備 54系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計 54.1 組態(tài)圖 64.2 組態(tài)畫面 64.3 數(shù)據(jù)詞典 74.4

3、應(yīng)用程序 94.5 動畫連接 104.6 趨勢曲線 125 結(jié)論 146 參考文獻 15致謝151設(shè)計目的與設(shè)計要求1.1設(shè)計目的學(xué)會運用組態(tài)軟件“組態(tài)王 King View6.53 ”，并結(jié)合工業(yè)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算法，自行設(shè)計，構(gòu)成壓力單回 路控制系統(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)控制程序的壓力單回路控制系統(tǒng)。1.2設(shè)計要求本系統(tǒng)利用變頻器水泵對管道壓力進行控制，使用組態(tài)軟件實現(xiàn)控制監(jiān)控，采用合理的PID控制規(guī)律，使管道的壓力穩(wěn)定在額定值附近，以達到整體系統(tǒng)穩(wěn)定運行的效果。壓力的測量范圍為0

4、O.IMpa，測量精度v 2%，從而達到控制管道壓力的目的。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1控制方案根據(jù)控制要求，壓力單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是管道的壓力，測量便使 用壓力傳感器，被控參數(shù)是變頻器的功率，控制器是計算機，執(zhí)行器是變頻器 水泵，所以壓力單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1所示。圖2.1壓力單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖根據(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2.2所示。2.3控制規(guī)律選擇根據(jù)壓力單回路控制系統(tǒng)的原理，為了取得較好的控制效果，本系統(tǒng)采用PID位置控制算法，其控制算式如下：u<k) =u(k-1>+Kp(1+ | +>e(k>-Kp(1

5、+ 冋 >e(k-1>+Kp忖 e(k-2>=u(k-1>+aoe(k>-a ie(k-1>+a 2e(k-2>ao=Kp(1+ | +> a i*(1+ 冃 a2二&上式算式中，&為比例系數(shù)，T為積分時間，Td為微分時間，以u<k)作為計算機的當(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。2.4 PID控制算法流程圖PID控制算法流程圖如圖2.3所示。圖2.3 PID控制算法流程圖3.過程儀表選擇3.1壓力傳感器壓力傳感器用來對管道中的壓力進行檢測，采用工業(yè)用的DBYGT散硅壓力變送器，本變送器

6、按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，420mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，采用高品質(zhì)、低功耗精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。可方便地與其他DDZ<X型儀表互換配置，并能直接替換進口同類儀表。檢測方法是通電預(yù)熱15分鐘后分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調(diào)整零電位器, 使輸出電流為4mA在滿程壓力下調(diào)整量程電位器，是輸出電流為 20mA本傳感器精度為 0.5級因為為二線制，故工作時需串24V直流電源。3.2變頻器三菱FR-S520變頻器，4-20mA控制信號輸入，可對流量或壓力進行控制， 該變頻器體積小，功耗小，功能也非常強大，運行穩(wěn)定安全可靠，操作方便， 壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制

7、頻率。可單相或三相供電， 頻率可高達 200Hz。3.3 過程模塊采用牛頓 7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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 溪流模塊體積小，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1 5VDC精度14位。使用7024模塊的1通道101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作為溫度信號檢測輸入通道。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，速度為 3

8、00 115200BPS可長距離傳輸?？刂苹芈分须姶砰y的 開關(guān)量輸出模塊用牛頓 7043，16通道非隔離集電極開路輸入模塊。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。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/0 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1/0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 機的通訊方式等信息內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計算機進行數(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)王軟件項目瀏覽器中，設(shè)置 7017模塊IM 通道和702

9、4模塊I01通道名稱分別為 AD和DA與計算機COM串口通信，通信地址分別為 0 和 13.4 電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(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，啟動電路采用高性能呢個稀土 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。 控制單元與執(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。由輸入控制信號 420mA及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對 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，連線簡單，泄露量少 的優(yōu)點。次啊用PS電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，420mA閥位反饋信號輸出雙

10、導(dǎo)向 單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性可快開特性，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。3.5 其他設(shè)備在控制回路中所涉及到的設(shè)備還有水泵，電磁閥，開關(guān)電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪聲低，壽命長，揚程可達10M功耗小，220V 供電即可。在水泵出水口裝有壓力變頻器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水 系統(tǒng)。所用到的電磁閥的工作電源為DC24V管段能力強，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2A,滿足系統(tǒng)需要。4系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計組態(tài)王是在PC機上建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能軟件包，該軟件

11、 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(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變 化用動畫的方式想象的表示出來，還可以完成變量警報、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/ Windows2000/ Windows XP 中文操作系統(tǒng)平臺，采用了實時多任務(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。4.1組態(tài)圖本壓力單回路系統(tǒng)組態(tài)圖如圖4.1所示。PTD手動自動OUT圖4.1組態(tài)圖4.2組態(tài)畫面本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面

12、主要有開機畫面，系統(tǒng)組成畫面等。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。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)的操作系統(tǒng)提示按鈕等?；趧赢嬤B接，主 界面可實現(xiàn)自動，手動切換，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)觀察控制效果。系統(tǒng)主界面如下圖 4.2所示。sv- PV- CP- - r 1 I a ! |1乂1J |”手動17l* a壓力檢測器：ITJ比例系埶p積分吋間IOff s刪s竺;m做分吋間0圖4.2壓力單回路控制系

13、統(tǒng)組態(tài)圖4.3數(shù)據(jù)詞典根據(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，用于定義開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量，參與運算的內(nèi)存實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型及內(nèi)存整 型變量等。具體的參數(shù)詞典如下表 4-1所示。表4-1變量定義表變量名變量類型ID連接設(shè)備寄存器$用戶名內(nèi)存子付串9$訪問權(quán)限內(nèi)存實型10$啟動歷史記錄內(nèi)存離散11$啟動報警記錄內(nèi)存離散12$啟動后臺命令語言內(nèi)存離散13$新報警內(nèi)存離

14、散14$雙熱機備狀態(tài)內(nèi)存整型15$毫秒內(nèi)存實型16自動開頭內(nèi)存離散21PID內(nèi)存離散22壓力I/O實型23ADAI4Uk1I/O實型24DAAO1P內(nèi)存實型25I內(nèi)存實型26D內(nèi)存實型27sp內(nèi)存實型28ukp內(nèi)存實型29A0內(nèi)存實型30A1內(nèi)存實型31A2內(nèi)存實型32Ekl內(nèi)存實型33Ekl1內(nèi)存實型34Ekl2內(nèi)存實型35Ukl1內(nèi)存實型36Ti內(nèi)存實型37Td內(nèi)存實型38調(diào)整跨度內(nèi)存實型39卷動百分比內(nèi)存實型40Ts內(nèi)存實型42流水移動內(nèi)存離散43移動內(nèi)存整型44位置內(nèi)存實型45位置1內(nèi)存實型46位置2內(nèi)存實型474.4應(yīng)用程序啟動時：本站點T=20。本站點本站點本站點TS。本站點本站點

15、本站點Ts0本站點 本站點本站點u KP=0o本站點u K1=0o本站點e ki=0o本站點e kii=O。本站點eK12=0o運行期間：本站點Tso本站點 自動開關(guān)=1>本站點TS=15o本站點本站點Ti本站點本站點Td本站點a 0 本站點本站點a i 本站點 本站點a 2 本站點 本站點e ki本站點本站點u kp本站點a o本站點Tso本站點Tso本站點 本站點D>o本站點D>o本站點D。本站點溫度。本站點e ki 本站點a i 本站點e kii 本站點a 2 本站點e K12 本站點u ki。本站點本U占點u Kp0本站點本站點e Kiio本站點本站點 e ki。本站

16、點 u kp<1000>本站點ukp<0>本站點u ki=0o 本站點u ki 本站點u kp o本站點 Uki=1000。關(guān)閉時：本站點 u KP=0。本站點 u K1=0。本站點 e K1=0。本站點 e K11=0。本站點 eK12= 0 。4.5 動畫連接打開主界面，雙擊“開始”按鈕，出現(xiàn)如圖 4.3 的動畫連接畫面。在按下時左邊打溝，點擊“確定”，出現(xiàn)命令語言輸入窗口，在該窗口中輸入圖4.4所示的命令，再點擊“確定”，就完成了“開始”按鈕的動畫連接設(shè)置。這 樣，點擊“開始”后，系統(tǒng)就開始運行。打開主界面，雙擊目前溫度值下面的框，出現(xiàn)如圖 4.3 所示的動畫連接

17、畫 面。在模擬值輸出左邊打鉤，出現(xiàn)模擬值輸出連接畫面。點擊表達式框右邊的 問號，選擇變量“當(dāng)前溫度”。輸出格式中設(shè)置整數(shù)位數(shù)為2，小數(shù)位數(shù)為 1，顯示格式設(shè)置為十進制，最后點擊“確定”。這樣，變量“當(dāng)前溫度”的動畫 連接設(shè)置就完成了。幣!對索環(huán)S3;按徭 上旦對第名稱；|Gr*phl3S22左初 1 570 SJS 60 貳度161扳示文本|尿性吏優(yōu) 廠J'-ajj.瘢隔性1JL4>S廠水平移動權(quán)測S輟出QjJjHj uj權(quán)歸保護動畫百箱fiVtA廠 才奠也值鶴人按下時廠更鍛值輸人i&動?xùn)樰斎?廠水平算紀(jì)時KCTwtm =Ctrl I Shi ft垂言i"；H4

18、.3動畫連接圖4.4開始按鈕命令語言輸入窗口其它動畫連接與此類似，指示輸入命令不同，一次完成動畫連接就完成了系統(tǒng)的整體動畫連接。4.6趨勢曲線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的繪制 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，顯示某查詢時間和改 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。在壓力單回路控制系統(tǒng)中，趨勢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 時曲線和歷史趨勢曲線分別如

19、下圖 4.6和圖4.7所示。圖4.6實時趨勢曲線圖4.7歷史曲線5 結(jié)論通過本次壓力單回路過程控制系統(tǒng)設(shè)計，首先我感覺掌握一種開發(fā)軟件對 系統(tǒng)設(shè)計的重要性，使我對這個組態(tài)王軟件有了一定的認(rèn)識，學(xué)習(xí)和使用了它 的一些強大的功能。其次，也是我更深刻的認(rèn)識了在學(xué)習(xí)一個新的工具軟件不 能急于求成，一步一步的學(xué)起，才能更好的掌握這款軟件。再次，我對項目設(shè) 計中儀表的選擇， PID 值的設(shè)定，系統(tǒng)的調(diào)試等都有了全新的認(rèn)識。 盡管我們的設(shè)計方案離實際應(yīng)用要求還相差一段距離，但是只有去做了這樣一 件事情才知道其中的苦與樂，才能知道自己的不足，才能提高自己。這次課程 設(shè)計中遇到了很多困難，我們通過網(wǎng)絡(luò)查閱了大量

20、資料，查參考書了解了許多 專業(yè)開發(fā)人員的經(jīng)驗，覺得獲益非淺。在設(shè)計的過程中，不但豐富了知識、鍛 煉了能力，而且養(yǎng)成了好的思維習(xí)慣，一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。我們認(rèn)為如果要 做一個好的項目師，經(jīng)驗、知識的儲備是必要的，但更多的是要依據(jù)客戶的要 求不斷完善產(chǎn)品，不斷挑戰(zhàn)自我。其次，要做好一個課程設(shè)計，就必須做到：在設(shè)計程序之前，對所用工業(yè) 系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該有哪些資源；要有一個清晰的思路 和一個完整的軟件流程圖；在設(shè)計程序時，不能妄想一次將整個程序設(shè)計好， 反復(fù)修改、不斷改進是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，這樣 為資料的保留和交流提供了方便。在這次的課程設(shè)計中，我真正的意識到，在 以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當(dāng)中，學(xué)習(xí) 組態(tài)王軟件更是如此，理論知識只有在不斷地運用過程中才能提高，這就是這 次課程設(shè)計的最大收獲。最后，希望學(xué)校以后能有更多的類似設(shè)計，為我們提供更多練習(xí)的