基于组态王的流量比值过程控制系统设计.doc

基于组态王的流量比值过程控制系统设计 10-11学年（）开放性实验项目 题目: 基于组态软件的流量比值过程控制系统 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 自 动 化 学生姓名： 田冠枝 学 号： 指导教师：实训地点： 创新实验室 地 点：中原路校区2-417 目 录1 引 言.12 设计目的与要求 . 22.1 设计目的 . 22.2 设计要求 . 23 系统结构设计 . 23.1 控制方案 . 23.2 系统结构流程图 . 34 过程仪表选择 . 44.1流检测传感器 . 44.2电动调节阀 . 44.3水泵. 54.4过程模块 . 55 系统组态设计 . 65.1 组态图. 65.2组态画面 . 75.3 数据字典 . 95.4 应用程序 . 105.5 动画连接 . 126 实验总结 . 137 参考文献 . 15引言随着科学技术的快速发展，人们对过程控制提出了更高的要求，在许多生产过程中，要求两种或两种以上的物料流量成一定的比例关系混合进行反应，对物料比例的要求甚为严格，如果不能满足要求，或是比例失和调，将会导致产品的质量达不到要求，以致造成损失，严重时会导致事故的发生.研究比值控制系统很有必要，提高比值控制系统的精度及水平具有深远的意义。根据系统的工艺要求及实际需要，提出了流量比值控制的设计方案，因为组态王开发监控系统软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点，本设计着重说明了组态王在设计开发流量比值控制系统中的应用。该设计以电动调节阀为中心对控制回路的液体的流量进行比例控制，从而实现对压力流量温度液位等参数的调节。采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，对现场信号进行实时采集，通过与设定值进行比较对调节阀进行控制，并采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块，对信号进行模数或数模转换，采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀对过程进行控制。通过组态王仿真软件进行仿真，设计出能够驱动采集模块，具有友好的人机交互界面，实现了实时监控，有及时的数据显示，图形显示，PID参数手动及自动控制等控制功能，并建立了动画连接，生成了信息报告。实际运行结果表明，系统不仅能按比值关系进行控制，而且具有较强的抗干扰能力。该设计可以用于化工厂，制药等场所。 1 2设计目的与要求2.1 设计目的通过某种组态软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的流量比值单回路过程控制系统。2.2 设计要求1. 根据流量比值单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。2. 根据流量比值单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。3. 根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。4. 运用组态软件，正确设计流量比值单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。5. 提交包括上述内容的课程设计报告。3 系统结构设计3.1 控制方案根据设计要求，系统采用单闭环比值控制。在控制两种物料的比值系统中，起主导作用的物料流量称为主动量，跟随主动量而变化的物料流量称为从动量。设本系统中液体A为主动量，液体B为从动量。将从动量用一个闭环包括进去，而主动量开环。将液体A的流量y1通过比值控制器k作为闭环回路的输入量。所以从动量B的给定是ky1，因为y1开环，故y2要随着y1的变化而变化，即从动量B是一个随动控制系统。23.2 系统结构流程 图3.1 系统原理图上图为系统结构图。当打开液体A的阀门，流量检测传感器测出其流量值，经变送单元送至比值器，比值器的输出与液体B流量测量变送送出的流量值相减，其偏差作为液体B流量控制器的输入值，控制器的输出用来控制调节阀，从而使液体B的流量得到了控制。这就使液体B的流量随液体A的流量变化而变化。其中液体A的电动调节阀是为了方便设置A的流量。流程图如图2.2E-2 图3.2 系统流程图 34 过程仪表选择4.1流量检测传感器本设计采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量00.3m3/h，压力1.6Mpmax,4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。它的优点：1.采用整体焊接结构，密封性能好；2.结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；3.采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；4.仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽；流量转换器采用LDZ-4型电磁流量转换器，与LDS-10S型电磁流量传感器配套使用，输入信号：00.4输出信号：420mA DC，允许负载电阻为0750，基本误差：输出信号量程的0.5%。4.2电动调节阀采用电动调节阀对控制回路的液体的流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电路采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。由输入控制信号420mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，420mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断防止泄漏。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。如下图所示： 4 图 4.1 电动调节阀 4.3水泵采用丹麦格兰富循环水泵。具有噪音低，功耗小，寿命长等优点。220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变送器一起构成恒压供水系统。如下图所示： 图4.2 水泵 54.4过程模块采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块。牛顿7000系列模块体积小，安装方便，可靠性高。D/A模块采用牛顿7024，四通道模拟输出模块，电流输出420mADC，电压输出15VDC，精度14位。使用7024模块的1通道I01作为可控硅的电压控制通道。A/D模块采用牛顿7017，八通道模拟输入模块，电压输入15VDC。使用7024模块的1通道IN1作为A流量信号检测输入通道，7024模块的2通道IN2作为B流量信号检测信号输入通道。通信模块采用牛顿7520。RS232转换485通讯模块。使用RS-232/RS485双向协议转换，转速为300115200bps，可长距离传输。控制回路中电磁阀的开关量输出模块采用牛顿7043，16通道非隔离集电极开路输出模块。最大集电极开路电压30V，每通道输出电流100mA，可直接驱动电磁阀设备。模块如下图所示： 图 4.3 牛顿模块 65 系统组态设计5.1 组态图 5.1 系统组态图 5.2组态画面下图为系统的组态画面： 7 图5.2 开始运行画面 图5.3运行时画面 8 图5.4 实时曲线 本设计共有三个画面：开始运行时画面、运行时画面、实时曲线。开始运行时如图5.2，当我们启动系统后，运行流量比值控制系统，刚开始出现的就是这个画面。开始时下储水桶有水，上面的没水，此时电动及手动调节阀均为关闭状态，为红色，温度值及PID参数为零，无曲线。运行时画面如图5.3，温度值为10，比例系数为50，积分系数为10，微分系数为0，上水槽已经有水，下水槽的水也有所减少，有曲线产生。在运行画面中的两个电动调节阀和两个电磁流量计，两个电动调节阀分别是控制A、B液体的流量，两个电磁流量计分别是测量A、B液体的流量值。当我们启动系统后进入运行我们首先在手动状态下设置A液体的电动调节阀的开度，使A液体得流量稳定，并且打开电动调节阀，然后设置Kp，Ti，Td，Kc，设置这五个参数后，调节阀变为绿色。此时按下自动按钮后进入自动环节，系统按设定好的PID算法得到输出，使A液体的流量与B液体的流量成设定的比例并稳定于此。期间画面也能显示出电动调节阀的开度、流量值，并且管道也能模拟液体的流动。并且在主界面中也能直接观察实时曲线，查看系统的稳定情况。单击退出按钮直接退出系统。实时曲线界面如图5.4，是系统下水槽水减少与上水槽水上升的过程 。 95.3 数据字典根据控制系统的需要建立数据词典，以便确定内存变量与I/O数据，运算数据的关系。只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。本系统中所涉及到的变量的类型主要有与AD，DA设备进行数据交换的I/O实型变量，控制电磁阀开关的I/O离散变量，用于定以开关动画连接的内存离散变量，参于PID运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内存整型变量等。具体的数据词典如下表4.5所示。5.4 应用程序图5.6 PID算法的流程图 本系统的主要的实现是PID算法的实现，根据流量比值单回路控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写语言实现PID控制算法。取采样周期Ts=1s。本系统采用PID位置控制算式，其控制算式如下： 11u(k)=u(k-1)+KP(1+2TTTTD+)e(k)-KP(1+D)e(k-1)+KPDe(k-2)TITTT=u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k-2)a0=KP(1+a1=KP(1+a2=KPTDTTTD+)TIT2TD)T算式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，以u(k)作为计算机的当前输出值，以Kc*PV作为给定值，PV2作为反馈值即AD设备的转换值，e(k)作为偏差。具体程序如下 启动时 T=1;TI=Ti/T;D=Td/T;Uk=0;ek0=0;ek1=0;ek2=0;Sp=0;ShowPicture("开机画面"); 运行时：if(自动开关 = 1)T=1;Gmax=100;12 P=Kp;TI=Ti/T;D=Td/T;q01=P*(1+1/TI+D);q02=P*(1+2*D);q03=P*D;ek0=Kc*PV-PV2;Uk=q01*ek0-q02*ek1+q03*ek2+Uk0;Uk0=Uk; ek2=ek1; ek1=ek0;Sp=设定值*0.4+4;A流量测量值=( PV-1 )/4*Gmax;B流量测量值=( PV2-1 )/4*Gmax;B阀门开度=( Uk-1)/4*Gmax; 停止时Uk=0;Sp=0;ek0=0;ek1=0;ek2=0; 5.5 动画连接动画连接图即如图5.3当系统启动后，进入主界面，设定好参数后，进入自动状态。画面中的管道13模拟液体的流动，它是与电动调节阀相关联的，只要电动调节阀是有开度的，管道就能模拟液体的流动。方块中的值为系统的相应实时值，它们分别与流量测量值、阀门开度相关联。矩形条中填充的红色反应电动调节阀的开度，它与方块中的值是相对应的，能比较直观的反应阀门的开度。 6实验总结在这次课程设计中学到很多东西，是第一次在没有老师教给我们软件怎么用，完全靠自己根据软件的使用说明书及查阅的相关资料，看着步骤一点点做出来的。当然做的过程也非常的不容易，不过却也是充满乐趣的。刚开始做的时候我们的管道都是用矩形框做出来的，管道与管道之间还选了图库里的管道作为接口，还花了很长时间把接口对齐，对的脖子都是疼的。后来在翻看一些相关资料时才发现管道是直接通过工具栏中的立体管道画出来的，有趣的是当你的，当你 的划线的方向不一致时，管道里的溶液流动的方向也是不一样的。设计中的难点就在建立动态链接那块，因为不同的器件对变量的要求不一样，而我们又不太清楚究竟什么样的器件需要建立什么样的变量与之对应，而且有的变量在定义为I/O型时，会选择寄存器，这时就总会出现错误，后来我们只能试着改变变量的类型，查看一些关于变量定义的相关资料，后来才修改好了。还有一个难点就是曲线，刚开始做的时候做出来的曲线就一条直线，后来才知道需要修改编的程序，但编程时程序稍有不对的地方，或者程序单从程序的角度看没有什么问题，但却会造成管道的溶液的不流动，花了很长的时间不断的调试修改程序，终于达到了理想的效果，在画面属性中编程时自己还犯了一个非常低级的错误，刚开始以为画面属性就是针对某个专门对象的设置呢，后来做时不断修改每个器件的画面属性，发现它是针对全局的。不管道路如何艰难吧，最后总算做出来了，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。其实CAD感觉还没组态王好学，可能是组态王软件带的使用说明还有些例子很详细吧，以前大一上工程制图时CAD本来就没学多少，现在确实是忘的一干二净了，又翻看了些关于CAD的资料，勉强把程序流程图，系统原理图，还有系统14组态图画了出来，它和组态王学习的时间差不多，自我感觉组态王好用多了，不过CAD的用处还是很广泛的。设计中感觉很浪费的就是我们花了很长的时间在组态王的画面的美观方面的，后来问过老师以后才知道不需要彩印的，如果不彩印的话，画面太花打印出来的效果也不好，就又把颜色大部分都换成黑白的了。流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型。本设计针对生产中两种液体的混合的控制，对其设计了单闭环流量比值控制系统，将液体A作为主流量，液体B为副流量进行设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于计算机实现过程的自动控制。在这次课程设计中收获颇多，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。设计过程中，了解了一些从前没有多少接触的硬件设备，如电动调节阀、电磁流量计。经过本次课程设计，我对工业过程 控制系统的开发控制流程有了全面的了解，初步了解了PID控制规律在实际控制工程中的应用，很好的做到了理论与实践的结合，进一步加深了对PID控制算法理解，除此之外，还对在实际工程中应用极为广泛的组态王软件有了很深的了解， 相信对下年的找工作奠定了良好的基础 。7 参考文献1 组态王软件使用说明及其例证文件2 陈夕松 汪木兰 过程控制系统.北京：科学出版社 20103 王亚民 陈青 组态软件设计与开发.西安：西安电子科技大学出版社 20034曹立学 基于组态软件的计算机液位串机控制系统设计 J工业控制计算机，20085韩军 冯辉 双闭环比值控制系统应用实例J.宁夏石油化工, 20046覃贵礼 组态软件控制技术.北京：北京理工大学 20077潘苏蓉 冯申 Auto CAD 2008教程与应用实例 机械工业出版社 20098张云杰 Auto CAD 2006 基础与实例教程 电子工业出版社 2006 15