1、 过程控制系统课程设计题 目:基于组态软件的双容液位单回路控制系统设计 院系名称： 电气工程 专业班级： 自动化 1105 学生姓名： 李郡波 学 号： 201123910811 指导教师： 马利 冯肖亮 设计地点： 31520 设计时间： 6 月 26 日-7 月 6 日 设计成绩： 指导教师： 本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。过程控制课程设计任务书学生姓名 李郡波 专业班级 自动化 1105 学号 2011239108011题 目 基于组态软件的双容液位单回路过程控制系统设计课题性质 课题来源 自拟题目指导教师主要内容通过某种组态软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控
2、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双容液位单回路过程控制系统。任务要求1. 根据双容液位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. 根据双容液位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，正确设计双容液位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。主要参考资料1 组态王软件及其说明文件2 邵
3、裕森过程控制工程北京：机械工业出版社 20003 过程控制教材4 辅导资料审查意见指导教师签字：年 月 日摘要过程控制就是对工业生产过程的自动控制，它采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具设计控制系统实现生产过程自动化。流量单回路控制系统就是采用计算机、传感器等设备对水箱的水位进行控制使其带到预期的状态。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。关键词：过程控制 工业 流量 组态王目 录1 设计目的 .12 控制要求 .13 系统结构设计 .13.1 控制方案 .13.2 控制规律 .23.3 过程仪表及过程模块
4、.23.3.1 液位变送器 .33.3.2 电动调节阀 .43.3.3 变频器 .53.3.4 水泵 .63.3.5 模拟量采集模块 .73.3.6 模拟量输出模块 .73.3.7 通信转换模块 .73.3.8 开关电源 .83.4 硬件连接 .84 系统组态设计 .104.1 组态软件介绍 .104.2 系统流程图 .114.3 数据词典 .124.4 组态画面 .124.5 动画连接 .134.6 PID 控制算法流程图 .14结 论 .15参 考 文 献 .16附录 程序代码 .171 设计目的（1） 加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。（2） 培养运用组态软件和
5、计算机设计过程控制系统的实际能力。2 控制要求（1）能根据具体对象及控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。（2）能够根据过程控制系统 A/D、D/A 和开关 I/O 的需要，正确选用模块。（3） 能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）能运用组态软件，正确设计过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。3 系统结构设计3.1 控制方案串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，它是根据系统结构命名的。一、基本原理：它是由两个或者两个以上的控制器串联而成的，一个控制器的输出是另一个控制器的的给定值。二、结构：整个系统包括两个控制回路，即主回路和副
6、回路。主回路有主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控制器、控制阀、副对象和副变送器构成。三、 特点：与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以有以下特点(1)、对于进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力。(2)、改善主控制器的广义对象的特性。(3)、对符合和操作条件的变化有一定的自适应能力。(4)、副回路可以按照主回路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。四、应用场合：(1)、用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰。(2)、用于时滞较大的对象。(3)、用于容量之后较大的对象。(4)、用于克服对象的非线性。本控制系统中，被控参量有两个，上水箱的液位和下水
7、箱的液位，这两个参量具有相关关系。上水箱的液位可以影响下水箱的液位，根据上下水箱的液位相关关系，故系统采用的串级控制。其中，内环控制上水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统远行使下水箱的液位跟随给定值，系统框图如下图 3.1所示图 3.1 双容液位单回路控制系统框图3.2 控制规律本设计采用的是工业控制中最常用的 PID 控制规律，内环与外环的控制算法采用 PID 算法，PID 算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环 PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。它结构简单，参数易
8、于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。其主要特点是：(1)技术成熟；PID 调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的 PID 调节，而且还可根据系统的要求，采用 PI、PD、带死区的 PID 控制等；(2)不需求出系统的数学模型；(3)控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字 PID 完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。计算机 计算机 调节阀 液位 液位液位变送器液位变送器x1(t)z1(t) z2(t)x1(t) e(t) u(t) g(t)f1(t) f2(t)q(t) y(t) 3.3 过程
9、仪表及过程模块本设计中共用到了以下过程仪表和过程模块：3.3.1 液位变送器液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG 扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。可方便的与其他 DDZIIIX 型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。在零压力下调整零电位器。使输出电流为4mA，在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为 20mA。本传感器精度为 0.5 级，因为二线制，故工作时需串联 24V 直流电源。液位传感器用来上水位箱和中水位箱的水位进行
10、检测，采用工业用的 DBYG 扩散硅压力变送器，精度为 0.5 级，二线制 420mA 标准信号输出。图 3.2 液位传感器图 3.3 压力传感器3.3.2 电动调节阀调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。德国 PS 公司进口的 PSL202 型智能电动调节阀，PS 系列电子式执行机构可
11、以用于对管道的阀门和风门的调节及开与关的控制，其主要特点如下：一体化结构设计，位置变送器和伺服放大器作为两个独立部件均可直接装入执行机构内部，直接接受 420mA 的控制信号，输出 420mA 或者 15VDC的阀位反馈信号，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。功能模块式结构设计，通过不同可选择功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同的应用要求。结构简单，体积小巧，重量轻，便于安装和维护，机械零件全部采用 CNC 加工部件，工艺精湛。传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高，噪声低，寿命长和稳定可靠，无需再加油等特点。具有多种运行速度，可以满足各种控制系统的要求，以保证系统的快速响应及稳定性
12、。PSL 系列同阀门的连接采用柔软盘黄连接，可避免阀杆与输出轴不同轴给阀门带来的影响，可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断，防止泄露。PSQ系列有转矩开关保护，可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步电机，运行平稳，具有体积小、转矩大、抗堵转、控制精度高等特点。可设置分段调节，即由一台调节器输出的双时间比例信号控制两台执行机构（412mA 对应 PSL1 的全开全闭，1220mA 对应PSL2 的全开全闭）阀位反馈元件全密封高精度多圈电位器，具有体积小、精度高、死区小、使用寿命长等特点。行程可调，便于与阀门连接。全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠
13、，使用时间长。电器部件布线严谨并传动部件完全隔离，提高执行机构运行性的可靠。图 3.4 电动调节阀3.3.3 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流
14、小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。三菱 FR-S520 变频器，4-20 控制输入信号，可对流量或者压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或者三相供电，频率可高达 200HZ。图 3.5 变频器3.3.4 水泵水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力 , 即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。这里采用丹麦格兰富循环水泵。不会影响教师授课减少麻烦。功耗低，220V 供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。
