計算機課程設(shè)計---基于組態(tài)軟件的液位—流量串級過程控制系統(tǒng)

1、<p>　　成績 </p><p><b>　　《計算機控制技術(shù)》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p>　　題目： 基于組態(tài)軟件的液位—流量串級過程控制系統(tǒng) </p><p><b>　　《計算機控制技術(shù)》</b&g

2、t;</p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　題目：基于組態(tài)軟件的液位-流量串級過程控制系統(tǒng)</p><p><b>　　設(shè)計目的</b></p><p>　　（1）加深對過程控制系統(tǒng)基本原理的理解和對過程儀表的實際應(yīng)用能力。</p><p>

3、　　（2）培養(yǎng)運用組態(tài)軟件和計算機控制技術(shù)的實際能力。</p><p><b>　　設(shè)計要求</b></p><p>　　（1）根據(jù)液位-流量串級過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設(shè)計控制方案，正確選用過程儀表。</p><p>　?。?）根據(jù)液位-流量串級過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。</p>

4、<p>　?。?）根據(jù)與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。</p><p>　?。?）運用組態(tài)軟件，正確設(shè)計液位-流量串級過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。</p><p>　　基于組態(tài)軟件的液位-流量串級過程控制系統(tǒng)</p><p>　　摘要：通過組態(tài)王軟件，結(jié)合已學(xué)知識，按照液位—流量串級過程控制系統(tǒng)的

5、控制要求，根據(jù)快準(zhǔn)穩(wěn)的性能要求，采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計一個較美觀的組態(tài)畫面和較完善的組態(tài)控制程序的液位—流量串級過程控制系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：組態(tài)王；系統(tǒng)組態(tài)；過程儀表</p><p><b>　　引言：</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強化方向發(fā)展，對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)提出了日益

6、增長的要求。在這種情況下，簡單的單回路控制已經(jīng)難以滿足一些復(fù)雜的控制要求。在單回路控制方案基礎(chǔ)上提出的串級控制方案，則對提高過程控制的品質(zhì)有極為明顯的效果。串級控制系統(tǒng)具有單回路控制系統(tǒng)的全部功能，而且還具有許多單回路控制系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點。因此，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量一般都比單回路控制系統(tǒng)好，而且串級控制系統(tǒng)利用一般常規(guī)儀表就能夠?qū)崿F(xiàn)，所以，串級控制是一種易于實現(xiàn)且效果又較好的控制方法。 </p><p>　

7、　本課程設(shè)計課題討論了一個簡單的液位—流量串級控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及步驟。液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的兩個測控參數(shù)，因此本課程設(shè)計課題具有較大的現(xiàn)實意義。</p><p><b>　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p><b>　　1.1控制方案 </b></p><p>　　在本系統(tǒng)中被控參量有兩個，上水箱液

8、位和管道流量，這兩個參量具有相關(guān)聯(lián)系，流量的大小可以影響上水箱液位，根據(jù)流量與液位的關(guān)系，故系統(tǒng)采用串級控制，內(nèi)環(huán)為流量控制，外環(huán)為液位控制。內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法均采用PID算法，PID算法實現(xiàn)簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。外環(huán)液位控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)流量控制器的設(shè)定值，流量控制器的輸出來控制調(diào)節(jié)閥的大小，來控制管道流量的大小，進而控制上水箱液位。</p><p><b>　　1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) <

9、/b></p><p>　　圖1.2控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖1.3 液位單回路控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　控制系統(tǒng)的總體方框圖</p><p>　　圖1.4計算機控制上水箱液位和流量串級系統(tǒng)控制框圖</p><p><b>　　2 過程儀表選擇</b></p>

10、;<p><b>　　2.1液位傳感器</b></p><p>　　液位傳感器用來對上位水箱和下位水箱的液位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG型擴散硅壓力變送器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，采用高品質(zhì)、低功耗精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。可方便地與其它DDZ—X型儀表互換配置，并能直接替換進口同類儀表。效驗的方法時通電預(yù)熱15分鐘后，分別在零壓力和滿量程壓力下檢查輸出電流。在零

11、壓力下調(diào)整零電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為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。液位傳感器用來對上水箱和下位水箱的液位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG型擴散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。</p><p>　　2.2電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器</p><p>　　流量傳感器用來對電動

12、調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進行檢測。根據(jù)本系統(tǒng)裝置的特點，采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量0—0.3/h，壓力1.6Mpmax，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出?？膳c顯示，記錄儀表，計算器或調(diào)節(jié)器配套。避免了渦輪流量計非線性與死區(qū)大的致命缺點，確保實驗效果能達到系統(tǒng)的要求。主要優(yōu)點：</p><p>　　(1)采用整體焊接結(jié)構(gòu)，密封性能好；</p><p>

13、;　　(2)結(jié)構(gòu)簡單可靠，內(nèi)部無活動部件，幾乎無壓力損壞；</p><p>　　(3)采用低頻矩形波勵磁，抗干擾性能好，零點穩(wěn)定；</p><p>　　(4)儀表反應(yīng)靈敏，輸出信號與流量成線性關(guān)系，量程比寬；</p><p>　　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：0—0.4mV輸出信號:4—20mADC，允

14、許負(fù)載電阻為0—750歐姆，基本誤差：輸出信號量程的0.5%。</p><p>　　LDZ-4A型矩形波電磁流量轉(zhuǎn)換器可與各種規(guī)格的電磁流量變送器（89年起新產(chǎn)品改稱傳感器 下同）配套，用于測量導(dǎo)電液體或液固兩相流體的體積流量。轉(zhuǎn)換器將來自變送器的低電平毫伏信號轉(zhuǎn)換為與流量成正比的0～10mA DC或4～20mA DC標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，供顯示、記錄、積算、自動控制和調(diào)節(jié)用。 </p><p&

15、gt;　　其特點：采用低頻三值矩形波勵磁及采樣放大技術(shù)，抗干擾能力強；零點穩(wěn)定，工作可靠；耗電量小，成套儀表耗電量約為30VA，與變送器的口徑大小無關(guān)。</p><p>　　主要技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　輸入信號：0.4～4mV(三值波)</p><p>　　輸出信號：0～10mA DC（負(fù)載電阻：0～

16、1.5kΩ）</p><p>　　4～20mA DC（負(fù)載電阻：0～750Ω）</p><p>　　精度：輸出電流精度0.5級</p><p>　　電源：220V 50Hz</p><p>　　激磁電流：<0.5A<

17、;/p><p>　　環(huán)境條件：溫度-10～55℃；溫度<85%</p><p><b>　　2.2電動調(diào)節(jié)閥</b></p><p>　　電動調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，特點：</p><p>　　一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，位置變送器和伺服放大器做為兩個獨立部件均可直接裝入

18、執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部，直接接受4-20mA控制信號，輸出4-20mA或1-5VDC閥位反饋信號，具有自診斷功能，使用和調(diào)校十分方便。</p><p>　　功能模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過不同可選功能的組合，實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的控制，滿足不同應(yīng)用要求。</p><p>　　(3)結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，重量輕，便于安裝和維護，機械零件全部采用CNC加工制作，工藝精湛。</p><p>　　

19、傳動全部采用小齒隙密封齒輪，具有效率高、噪聲低、壽命長、穩(wěn)定可靠、無需再加油等特點。</p><p>　　具有多種運行速度，可滿足各種控制系統(tǒng)的要求，以保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)及穩(wěn)定性。 (6)PSL系列同閥門的連接采用柔性盤簧連接，可避免閥桿與輸出軸不同軸給閥門帶來的影響，可預(yù)置閥門關(guān)斷力保證閥門的可靠關(guān)斷，防止泄漏。</p><p>　　PSQ系列有轉(zhuǎn)矩開關(guān)保護，可防止因閥門產(chǎn)生過大

20、轉(zhuǎn)矩而損壞閥桿。</p><p>　　(8)驅(qū)動電機采用高性能稀土磁性材料制作的高速同步電機，運行平穩(wěn)。具有體積小、力矩大、抗堵轉(zhuǎn)、控制精度高等特點。</p><p><b>　　2.3變頻器</b></p><p>　　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，功率小，功能非常強大，運行穩(wěn)定安

21、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頻率?？蓡蜗嗷蛉喙╇?，頻率可高達200HZ。</p><p><b>　　2.4 水泵</b></p><p>　　采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長。功率小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。</p><p>　　2.5 模擬量采集

22、模塊</p><p>　　模擬量采集模塊選用的是A/D牛頓7017模塊，8路模擬電壓（1—5V）</p><p>　　2.6 模擬量輸出模塊</p><p>　　模擬量輸出模塊選用的是D/A牛頓7024模塊，4路模擬輸出，電流（4—20mA），電壓（1—5V）信號均可</p><p>　　2.7 通信轉(zhuǎn)換模塊</p><p

23、>　　通訊模塊選用485/232轉(zhuǎn)換牛頓7520模塊，轉(zhuǎn)換速度極高（300—115KHz），232口可長距離傳輸。</p><p><b>　　2.8 開關(guān)電源</b></p><p>　　DC24V的開關(guān)電源，最大電流為2A，滿足實驗的要求。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計</b></p>

24、<p>　　3.1流程圖與組態(tài)圖</p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)流程圖</b></p><p><b>　　系統(tǒng)組態(tài)圖</b></p><p><b>　　3.2組態(tài)畫面</b></p><p><b>　　3.3數(shù)據(jù)字典</b>&

25、lt;/p><p><b>　　3.4 程序</b></p><p><b>　　啟動時：</b></p><p>　　\\本站點\Ts=20;</p><p>　　\\本站點\I=\\本站點\Ti/\\本站點\Ts;</p><p>　　\\本站點\D=\\本站點\Td/\\本

26、站點\Ts;</p><p>　　\\本站點\ukp=0;</p><p>　　\\本站點\uk1=0;</p><p>　　\\本站點\ek1=0;</p><p>　　\\本站點\ek11=0;</p><p>　　\\本站點\ek12=0;</p><p><b>　　運行期間：

27、</b></p><p>　　if(\\本站點\自動開關(guān)==1)</p><p>　　{ \\本站點\Ts=15;</p><p>　　\\本站點\I=\\本站點\Ti/\\本站點\Ts;</p><p>　　\\本站點\D=\\本站點\Td/\\本站點\Ts;</p><p>　　\\本站點\a0=\\

28、本站點\P*(1+1/\\本站點\I+\\本站點\D);</p><p>　　\\本站點\a1=\\本站點\P*(1+2*\\本站點\D);</p><p>　　\\本站點\a2=\\本站點\P*\\本站點\D;</p><p>　　\\本站點\ek1=\\本站點\sp-\\本站點\溫度;</p><p>　　\\本站點\ukp=\\本站點\

29、a0*\\本站點\ek1-\\本站點\a1*\\本站點\ek11+\\本站點\a2*\\本站點\ek12+\\本站點\uk11;</p><p>　　\\本站點\uk11=\\本站點\ukp;</p><p>　　\\本站點\ek12=\\本站點\ek11;</p><p>　　\\本站點\ek11=\\本站點\ek1;</p><p>　　

30、if(\\本站點\ukp<1000)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(\\本站點\ukp<0)</p><p>　　{\\本站點\uk1=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else{\\本站點\uk

31、1=\\本站點\ukp;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else{\\本站點\uk1=1000;}</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　關(guān)閉時

32、：</b></p><p>　　\\本站點\ukp=0;</p><p>　　\\本站點\uk1=0;</p><p>　　\\本站點\ek1=0;</p><p>　　\\本站點\ek11=0;</p><p>　　\\本站點\ek12=0;</p><p>　　3.5 PID控制

33、算法</p><p>　　根據(jù)液位—流量串級控制系統(tǒng)的原理，運用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實現(xiàn)PID控制算法。</p><p>　　本系統(tǒng)采用PID位置控制算式，其控制算式如下：</p><p>　　上述算式中，Kp為比例系數(shù)，Ti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e(k)&

34、lt;/p><p>　　作為偏差。PID控制算法流程圖如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 PID控制算法流程圖</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　通過本次本次的計算機控制技術(shù)課程設(shè)計，對工業(yè)的液位—流量串級過程控制系統(tǒng)的開發(fā)控制流程有了比較基本的了解，初步了解了PID控制規(guī)律在實際

35、工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，很好的把理論與實踐相結(jié)合，進一步加深了對PID控制算法的理解，結(jié)合之前所學(xué)的組態(tài)王軟件，進行模擬控制，更加深刻的理解液位—流量串級過程控制系統(tǒng)控制流程。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 王建華，《計算機控制技術(shù)》，高等教育出版社，2009年</p><p>　　[1] 王樹青