過程控制系統課程設計題 目:基于組態軟件的雙容液位單回路控制系統設計 院系名稱： 電氣工程 專業班級： 自動化 1302 學生姓名： 張倩倩 學 號： 201323020227 指導教師： 閆晶晶 設計地點： 31520 設計時間： 6月27日-7月8日 設計成績： 指導教師： 本欄由指導教師根據大綱要求審核后，填報成績并簽名。過程控制課程設計任務書學生姓名張倩倩專業班級自動化 1302學號201323020227題 目基于組態軟件的雙容液位單回路過程控制系統設計課題性質課程設計課題來源自擬題目指導教師閆晶晶主要內容通過某種組態軟件，結合實驗室已有設備，按照定值系統的控制要求，根據較快較穩的性能要求，采用單閉環控制結構和PID控制規律，設計一個具有較美觀組態畫面和較完善組態控制程序的雙容液位單回路過程控制系統。任務要求1. 根據雙容液位單回路過程控制系統的具體對象和控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。2. 根據雙容液位單回路過程控制系統A/D、D/A和開關I/O的需要，正確選用過程模塊。3. 根據與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉換與通訊模塊。4. 運用組態軟件，正確設計雙容液位單回路過程控制系統的組態圖、組態畫面和組態控制程序。5. 提交包括上述內容的課程設計報告。主要參考資料1 組態王軟件及其說明文件2 邵裕森過程控制工程北京：機械工業出版社20003 過程控制教材4 輔導資料審查意見指導教師簽字： 年 月 日摘要過程控制就是對工業生產過程的自動控制，它采用測量儀表、執行機構和計算機等自動化工具設計控制系統實現生產過程自動化。流量單回路控制系統就是采用計算機、傳感器等設備對水箱的水位進行控制使其帶到預期的狀態。組態王開發監控系統軟件，是新型的工業自動控制系統，它以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統。關鍵詞：過程控制 工業 流量 組態王目 錄1 設計目的12 控制要求13 系統結構設計13.1 控制方案13.2 控制規律23.3 過程儀表及過程模塊23.3.1 液位變送器33.3.2 電動調節閥43.3.3 模擬量采集模塊53.3.4 模擬量輸出模塊63.3.5 通信轉換模塊73.3.6 其他設備73.4 硬件連接84 系統組態設計104.1 組態軟件介紹104.2 系統流程圖114.3 數據詞典124.4 組態畫面124.5 PID 控制算法流程圖134.6 趨勢曲線 14結 論15參 考 文 獻16附錄 程序代碼171 設計目的（1） 加深對過程控制系統基本原理的理解和對過程儀表的實際應用能力。（2） 培養運用組態軟件和計算機設計過程控制系統的實際能力。2 控制要求（1）能根據具體對象及控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。（2）能夠根據過程控制系統A/D、D/A和開關I/O的需要，正確選用模塊。（3） 能根據與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉換與通訊模塊。（4）能運用組態軟件，正確設計過程控制系統的組態圖、組態畫面和組態控制程序。3 系統結構設計3.1 控制方案串級控制系統是一種常見的復雜控制系統，它是根據系統結構命名的。一、基本原理：它是由兩個或者兩個以上的控制器串聯而成的，一個控制器的輸出是另一個控制器的的給定值。二、結構：整個系統包括兩個控制回路，即主回路和副回路。主回路有主控制器、副回路、主對象和主變送器構成；而副回路由副控制器、控制閥、副對象和副變送器構成。三、特點：與簡單控制系統相比，串級控制系統由于在結構上增加了一個副回路，所以有以下特點(1)、對于進入副回路的擾動具有較快、較強的克服能力。(2)、改善主控制器的廣義對象的特性。(3)、對符合和操作條件的變化有一定的自適應能力。(4)、副回路可以按照主回路的需要更精確地控制操縱變量的質量流和能量流。四、應用場合：(1)、用于克服變化劇烈的和幅值大的干擾。(2)、用于時滯較大的對象。(3)、用于容量之后較大的對象。(4)、用于克服對象的非線性。本控制系統中，被控參量有兩個，上水箱的液位和下水箱的液位，這兩個參量具有相關關系。上水箱的液位可以影響下水箱的液位，根據上下水箱的液位相關關系，故系統采用的串級控制。其中，內環控制上水箱的液位，外環控制下水箱的液位，系統遠行使下水箱的液位跟隨給定值，系統框圖如下圖3.1所示計算機計算機調節閥液位液位液位變送器液位變送器x1(t)z1(t)z2(t)x1(t)e(t)u(t)g(t)f1(t)f2(t)q(t)y(t)圖3.1雙容液位單回路控制系統框圖3.2 控制規律本設計采用的是工業控制中最常用的PID控制規律，內環與外環的控制算法采用PID算法，PID算法實現簡單，控制效果好，系統穩定性好，外環PID的輸出作為內環的輸入，內環跟隨外環的輸出。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。它結構簡單，參數易于調整，在長期的應用中積累了豐富的經驗。其主要特點是：(1)技術成熟；PID調節是連續系統理論中技術最成熟、應用最廣泛的控制方法，它的結構靈活，不僅可實現常規的PID調節，而且還可根據系統的要求，采用PI、PD、帶死區的PID控制等；(2)不需求出系統的數學模型；(3)控制效果好。雖然計算機控制是非連續的，但由于計算機的運算速度越來越快，因此用數字PID完全可代替模擬調節器，并且能得到比較滿意的效果。3.3 過程儀表及過程模塊本設計中共用到了以下過程儀表和過程模塊：3.3.1 液位變送器液位傳感器是用來上位水箱和下位水箱的液位進行檢測，采用工業用的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，采用高品質，低功耗精密器件，穩定性和可靠性大大提高。可方便的與其他DDZIIIX型儀表互換配置，并能直接交換同類儀表。校驗的方法是通電預熱十五分鐘后，分不在零壓力和滿程壓力下檢測輸出電流值。在零壓力下調整零電位器。使輸出電流為4mA，在滿程壓力下調整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級，因為二線制，故工作時需串聯24V直流電源。液位傳感器用來上水位箱和中水位箱的水位進行檢測，采用工業用的DBYG擴散硅壓力變送器，精度為0.5級，二線制420mA標準信號輸出。 圖3.2 液位傳感器圖3.3壓力傳感器3.3.2 電動調節閥調節閥用于調節介質的流量、壓力和液位。根據調節部位信號，自動控制閥門的開度，從而達到介質流量、壓力和液位的調節。調節閥分電動調節閥、氣動調節閥和液動調節閥等。調節閥由電動執行機構或氣動執行機構和調節閥兩部分組成。調節并通常分為直通單座式和直通雙座式兩種，后者具有流通能力大、不平衡辦小和操作穩定的特點，所以通常特別適用于大流量、高壓降和泄漏少的場合。德國PS公司進口的PSL202型智能電動調節閥，PS系列電子式執行機構可以用于對管道的閥門和風門的調節及開與關的控制，其主要特點如下：一體化結構設計，位置變送器和伺服放大器作為兩個獨立部件均可直接裝入執行機構內部，直接接受420mA的控制信號，輸出420mA或者15VDC的閥位反饋信號，具有自診斷功能，使用和調校十分方便。功能模塊式結構設計，通過不同可選擇功能的組合，實現從簡單到復雜的控制，滿足不同的應用要求。結構簡單，體積小巧，重量輕，便于安裝和維護，機械零件全部采用CNC加工部件，工藝精湛。傳動全部采用小齒隙密封齒輪，具有效率高，噪聲低，壽命長和穩定可靠，無需再加油等特點。具有多種運行速度，可以滿足各種控制系統的要求，以保證系統的快速響應及穩定性。PSL系列同閥門的連接采用柔軟盤黃連接，可避免閥桿與輸出軸不同軸給閥門帶來的影響，可預置閥門關斷能力保證閥門的可靠關斷，防止泄露。PSQ系列有轉矩開關保護，可防止因閥門產生過大轉矩而損壞閥桿。驅動電機采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步電機，運行平穩，具有體積小、轉矩大、抗堵轉、控制精度高等特點。可設置分段調節，即由一臺調節器輸出的雙時間比例信號控制兩臺執行機構（412mA對應PSL1的全開全閉，1220mA對應PSL2的全開全閉）閥位反饋元件全密封高精度多圈電位器，具有體積小、精度高、死區小、使用壽命長等特點。行程可調，便于與閥門連接。全部電器元件均采用世界名牌產品，質量可靠，使用時間長。電器部件布線嚴謹并傳動部件完全隔離，提高執行機構運行性的可靠。圖3.4 電動調節閥3.3.3 模擬量采集模塊模擬量輸入模塊可測量多通道交流電壓、電流輸入信號。測量精度：0.2級。16位A/D循環采樣，采樣速率：3000次/S；1.2倍量程可正確測量，過載2倍量程輸入1S不損壞；隔離電壓1000VDC。模擬量輸出模塊輸出標準電流信號，可用于驅動繼電器、開關等。這用A/D牛頓7017模塊8路模擬電壓（1-5V）3.3.4 模擬量輸出模塊 D/A牛頓7024模塊4路模擬輸出，電流(420mA) 電壓（15V）信號均可。3.3.5 通信轉換模塊485/232轉換牛頓7520模塊，轉換速度極高（300115KHz），232口可長距離傳輸。 圖3.7 牛頓模塊示意圖3.3.6 其他設備 在控制系統回路中所涉及的設備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環水泵，噪音低，壽命長，揚程可達10米，功率小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可以構成恒壓供水系統。所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，關斷能力強，使用方便，結構簡單。所采用的24V開關電源最大電流是2A，可以滿足系統的需要。4 系統組態設計4.1 組態軟件介紹隨著工業自動化水平的迅速提高，計算機在工業領域的廣泛應用，人們對工業自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設備和過程監控裝置在工業領域的應用，使得傳統的工業控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發傳統的工業控制軟件時，當工業被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統的源程序，導致其開發周期長；已開發成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致它的價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若原來的編程人員因工作變動而離去時，則必須同其他人員或新手進行源程序的修改，因而更是相當困難。通用工業自動化組態軟件的出現為解決上述實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為它能夠很好地解決傳統工業控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據自己的控制對象和控制目的的任意組態，完成最終的自動化控制工程。組態（Configuration）為模塊化任意組合。通用組態軟件主要特點有（1）延續性和可擴充性。用通用組態軟件開發的應用程序，當現場（包括硬件設備或系統結構）或用戶需求發生改變時，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級；（2）封裝性（易學易用），通用組態軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術（甚至不需要編程技術），就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能；（3）通用性，每個用戶根據工程實際情況，利用通用組態軟件提供的底層設備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O Driver、開放式的數據庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據和曲線并存、具有多媒體功能和網絡功能的工程，不受行業限制。 最早開發的通用組態軟件是DOS環境下的組態軟件，其特點是具有簡單的人機界面（MMI）、圖庫、繪圖工具箱等基本功能。隨著Windows的廣泛應用，Windows環境下的組態軟件成為主流。與DOS環境下的組態軟件成為主流。與DOS環境下的組態軟件相比，其最突出的特點是圖形功能有了很大的增強。國外許多優秀通用組態軟件是在英文狀態下開發的，它具有應用時間長、用戶界面不理想、不支持或不免費支持國內普遍使用的硬件設備、組態軟件本身費用和組態軟件培訓費用高昂等因素，這些也正是國內通用組態軟件在國內不能廣泛應用的原因。隨著國內計算機水平和工業自動化程度的不斷提高，通用組態軟件的市場需求日益增大。近年來，一些技術力量雄厚的高科技公司相繼開發出了適合國內使用的通用組態軟件。4.2 系統流程圖系統流程圖如圖4.1所示：圖4.1 系統流程圖4.3 數據詞典根據控制系統的需要建立數據詞典，以便確定內存變量與I/O數據，運算數據的關系。只有在數據詞典中定義的變量才能在系統的控制程序中使用。本系統中所涉及到的變量的類型重要有與A/D、D/A設備進行數據交換的I/O實型變量，控制電磁閥開關的I/O離散變量，用于定義開關動畫連接的內存離散變量，參與PID運算的內存型實型變量和實現各種動畫效果所用到的內存實型或內存整型變量等。具體的數據詞典如下圖4.3所示圖4.3 數據詞典4.4 組態畫面在液位液位PID控制系統中，以液位為被控量。其中，測量電路主要功能是測量對象的液位并對其進行歸一化等處理；PID控制器是整個控制系統的核心，它根據設定值和測量值的偏差信號來進行調節，從而控制雙容水箱的液位達到期望的設定值。 單回路調節系統可以滿足大多數工業生產的要求，只有在單回路調節系統不能滿足生產更高要求的情況下，才采用復雜的調節系統。 組態畫面如圖4.4所示，其設計原理可見圖4.1系統流程圖。圖4.4 組態畫面4.5 PID 控制算法流程圖取sp , pv形成偏差e(k)取a0 , e(k)做乘法取a1 , e(k-1)做乘法取a2 , e(k-2)做乘法做a2e(k-2)減a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)+u(k-1)輸出u(k)數據傳送：u(k)u(k-1)數據傳送：e(k)e(k-1)e(k-1) e(k-2)圖 PID控制算法流程圖4.6 趨勢曲線趨勢曲線有實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。在組態王中通過圖庫可方便地繪制曲線畫面，在趨勢曲線中可顯示系統運行時各個主要變量的歷史記錄，可以查詢遺愛按任意時段的歷史記錄，還可設定查詢的時間范圍，顯示某查詢時間和該時間所對應的被控變量值等。實時趨勢曲線可以自動卷動，以快速反應變量隨時間的變化。在前饋反饋控制系統中，趨勢曲線所要表達的三個參數分別為計算機依據PID算法的輸出值，系統給定值和檢測反饋值。實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線分別如下圖4-5、4-6所示：設計心得通過本設計我先從一個純理論者轉變成了一個問題者，認識到了實際工作中細節很多也很復雜，我們以后認識東西不要單從知識下手，還要聯系實際應用中所要熟悉的問題。在研究此課題期間，我真正接觸了很多有著求知欲的同學，我和同學討論的各方面都影響著我的設計過程，在遇到問題時都能一次又一次的嘗試，直到把問題解決為止，實在解決不了的話，同學不是直接告訴我答案，而是引導我自己去找到解決的方法，增強了自己的解決問題的能力。在整個系統的設計過程中，花費時間最多的是硬件的調試，調試時遇到了大量的錯誤，最后在老師和同學的幫助下終于調試通過，使整個電路可正常工作。通過不斷的糾正錯誤，我深刻地體會到在設計過程中，需要反復實踐，其過程很可能相當煩瑣，有時還特別想放棄，此時更加需要靜下心來，仔細查找原因。總之，這次設計我更加知道了一件事情，不是僅靠自己就能完成的，還要聯系以前的理論，結合自己的實際，開創出自己的解決問題的整體策略。并且學會了如何去設計一個過程控制系統，掌握了基本的設計步驟。了解到，一般情況下，它都要經過一下幾個步驟：認知被控對象、設計控制方案、選擇控制規律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、設計系統流程圖和組態圖、設計組態畫面、設計數據詞典等，直到最后的動畫鏈接成功，并達到控制要求。經過以上步驟，我對整個過程控制系統的設計有了很深的體會，也學會了很多與設計相關的知識。 參 考 文 獻1 邵裕森. 過程控制工程M. 北京:機械工業出版社