1、过程控制系统课程设计题 目: 基于组态软件的液位流量串级控制系统设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 自动 1002 学生姓名： 学 号： 指导教师： 王伟生 设计地点： 31520 设计时间： 2013-6-242013-7-7 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。1学生姓名 毛英杰 专业班级 自动 1002 学号 201046820507题 目 基于组态软件的液位流量串级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，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用双闭环控制结构和 PID 控制规
2、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液位流量串级过程控制系统。任务要求1. 根据液位流量串级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. 根据液位流量串级过程控制系统 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，正确设计液位流量串级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
3、查意见指导教师签字：年 月 日2摘 要随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。在这种情况下，简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求，因此就提出了串级控制方案。串级控制具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有很多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又极好的控制方法。关键词： 控制系统 单回路 串级控制3目 录1 引言 .42 系统结构设计 .42.1 控制方案 .42.2 控制规律 .53 过程控制仪表的选择
4、.53.1 液位传感器 .53.2 电磁流量传感器 电磁流量转换器 .63.3 电动调节阀 .73.4 变频器 .73.5 水泵 .83.6 模拟量采集模块 .83.7 模拟量输出模块 .93.8 通信转换模块 .94 系统组态设计 .94.1 系统工艺流程图 .94.2 组态画面 .104.3 数据字典 .124.4 PID 控制算法 .13设计心得 .15参考文献 .16附录 A 系统脚本程序 .1741 引言过程控制是根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程的自动化。过程控制系统一般由控制器、执行器、被控
5、过程和测量变送环节等组成。在工业过程控制系统中，单回路控制系统约占一半以上，但是单回路控制系统适用于控制要求不高的场合。对于某些控制要求比较高的场合，单回路控制系统却远远不能满足控制要求，因此就提出了串级控制系统。串级控制系统是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。与单回路控制系统相比，串级控制系统在结构上增加了一个副回路，对进入副回路的扰动有很强的抑制作用；同时由于副回路的存在，改善了系统的动态性能，提高了系统的工作频率，并且使系统具有一定的自适应能力。组态软件是应用软件中提供的工具、方法来完成工程中某一
6、具体任务的软件。组态软件提供了监控层的软件平台和开发环境，通过灵活的组态方式，可以快速构建工业自动控制系统监控功能。同时，组态软件具有实时性和多任务性，可以在一台计算机上同时完成数据采集、信号数据处理，数据图像显示、人机对话、历史数据查询等多个任务。本设计利用过程仪表和计算机，结合组态王 6.53 软件设计人机交互界面，设计实现水箱液位流量串级控制系统。同时，在组态软件中实现动画显示、实时曲线显示等功能。2 系统结构设计2.1 控制方案在本系统中，被控参量有两个，上水箱液位和管道流量，这两个参量具有联系，流量的大小可以影响上水箱的液位，根据流量与液位之间的关系，采用液位流量串级控制，系统框图如
7、图 2.1 所示。5计算机 计算机 调节阀 流量流量变送器X 1 ( t ) e ( t )液位变送器液位X 2 ( t ) u ( t ) g ( t ) q ( t ) y ( t )f 1 ( t )f 2 ( t )Z 1 ( t ) Z 2 ( t )图 2.1 液位流量串级控制系统框图在图 2.1 中，副回路为流量控制回路，主回路为液位控制回路。主回路液位控制器的输出作为副回路流量控制器的设定值，副回路流量控制器的输出来控制调节阀的大小，控制管道流量的大小，进而控制上水箱液位。2.2 控制规律本设计采用工业过程控制中最常用的 PID 控制规律。在工程实际中，应用最广泛的调节器控制规
8、律为比例、积分和微分控制，即 PID 控制，其结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了大量丰富的经验。主回路与副回路的控制算法均采用 PID 算法。PID 算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。主回路 PID 的输出做为副回路的输入，副回路跟随主回路的输出。PID 控制的技术成熟，结构灵活，不仅可以实现常规的 PID 调节，而且还可以根据系统要求，采用 PI、PD、带死区的 PID 控制等。PID 控制不需要求出系统的数学模型，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 完全可以代替模拟调节器，并且能够取得比较满意的效果。3 过程控制仪表的选
9、择3.1 液位传感器液位传感器用来对水箱液位进行测量检测，采用工业用的 DBYG 扩散硅压6力传感器。DBYG 扩散硅压力传感器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性和可靠性高，可以方便的与其他 DDZX 型仪表互换配置。DBYG 扩散硅压力传感器如图 3.1 所示。图 3.1 DBYG 扩散硅压力传感器使用时，要对其进行校验。校验的方法是通电预热 15 分钟后，分别在零压力和满量程压力下检测输出电流。在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA；在满量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，因为采用二线制，因此工作时需要串接 24V 直流电
10、源。3.2 电磁流量传感器 电磁流量转换器流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本系统装置的特点，选用工业用的 LDS10S 型电磁流量传感器，其公称直径为 10mm，流量 00.3 /h，压力为 1.6Mpamax，420mA 标准信号输出。3m该传感器采用整体焊接结构，密封性能良好，结构简单可靠，内部无活动部件，抗干扰性能好，零点稳定。另外，可与显示、记录仪表、计算器或者调节器配套，避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点。流量转换器采用 LDZ4 型电磁流量转换器，与 LDS10S 型电磁流量传感器配套使用。其输入信号为 00.4mV，输出信号为 420mA
11、DC，允许负载电阻为 0750，基本误差为输出信号量程的 0.5%。73.3 电动调节阀电 动 调 节 阀 用 于 对 控 制 回 路 的 流 量 进 行 调 节 ， 本 设 计 选 用 PSL202 型的 智 能 电 动 调 节 阀 ， 无 需 配 置 伺 服 放 大 器 。 驱 动 电 机 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 ， 外形 如 图 3.2 所 示 。图 3.2 PSL202 型 的 智 能 电 动 调 节 阀控 制 电 路 与 电 动 执 行 机 构 一
12、 体 化 ， 可 靠 性 好 ， 操 作 方 便 ， 并 可 以 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 流 量 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 ，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
13、 断 力 ， 保 证 阀 门 的 可 靠 关 断 ， 防 止 泄 露 。3.4 变频器本 系 统 选 用 三 菱 FRS520 变 频 器 ， 输 入 控 制 信 号 为 420mA， 可 以对 流 量 或 者 压 力 进 行 控 制 。 该 变 频 器 具 有 体 积 小 ， 功 率 小 ， 功 能 强 大 ， 运 行稳 定 安 全 可 靠 等 优 点 。 同 时 ， 可 以 外 加 电 流 控 制 ， 也 可 以 通 过 自 身 旋 钮 控 制频 率 ， 可 以 单 相 或 者 三 相 供 电 ， 频 率 高 达 200Hz， 如 图 3.3 所 示 。8图 3.3 变 频 器3.5 水泵
14、采 用 丹 麦 格 兰 富 循 环 水 泵 ， 如 图 3.4 所 示 。 该 水 泵 噪 音 低 ， 寿 命 长 ，功 率 小 。 同 时 ， 支 持 220V 电 压 供 电 ， 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 。图 3.4 丹 麦 格 兰 富 循 环 水 泵3.6 模拟量采集模块本系统采用牛顿 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、输出和通讯过程模块。牛顿 7000 系列模块体积小，安装方便，可靠性高等9优点，其外形如图 3.5 所示。图 3.5 牛顿 7000 系列模块模拟量采集模块
15、采用牛顿 7017，该模块为八通道模拟输入模块，电压输入为 15VDC。在连接过程中，使用 7024 模块的 1 通道 IN1 作为上水箱液位信号检测输入通道。3.7 模拟量输出模块模拟量输出模块采用牛顿 7024，该模块为四通道模拟输出模块，电流输出为 420mADC，电压输出为 15VDC。同时，使用 7024 模块的 1 通道 I01 作为管道流量的电压控制通道。3.8 通信转换模块通信模块采用牛顿 7520，RS232 转换 485 通讯模块。使用 RS-232/RS485双向协议转换，转换速度为 300115200bps，可以进行长距离传输。4 系统组态设计4.1 系统工艺流程图水箱液位流量串级控制系统的工艺流程图如图 4.1 所示。副回路为流量检测，主回路为液位检测。主回路控制器的输出做为副回路控制器的设定值，副回路控制器的输出去控制调节阀，改变管道内水的流量，进而控制上水箱的液位。
