1、單閉環管道流量比值控制系統 過程控制系統課程設計說明書專業班級： 11級自動化1班 姓 名： 孫勇 李自強 周程 鮑凱 學 號： 080311009 080311022 080311035 080311047 指導教師： 陳世軍 設計時間: 2014年6月11日 物理與電氣工程學院2014年 6 月 11 日摘 要在現代工業生產過程中，工藝上常需要兩種或兩種以上的物料流量保持一定的比例關系，一旦比例失調，就會影響生產的正常進行，影響產品質量，浪費原料，消耗動力，造成環境污染，甚至產生生產事故。實現兩個或兩個以上參數符合一定比例關系的控制系統，稱為比值控制系統。通常以保持兩種或幾種物料的流量為一

2、定比例關系的系統，稱之為流量比值控制系統，這次課程設計的內容就是流量比值過程控制系統。 流量測量是比值控制的基礎。各種流量計都有一定的適用范圍（一般正常流量選在滿量程的70%左右），必須正確選擇使用。在工程上，具體實施比值控制時，通常有比值器、乘法器或除法器等單元儀表可供選擇，相當方便。若采用計算機控制來實現，只要進行乘法或除法運算即可，我們這次就主要使用計算機及組態王軟件進行設計。關鍵詞：組態王；流量；比值控制系統目 錄1、引言11.1主要內容11.2任務要求12、設計方案22.1設計原理22.2系統原理圖22.3 MATLAB仿真調試33、硬件設計43.1使用儀器44、軟件設計74.1 P

3、LC程序74.2 MCGS系統組態設計114.2.1組態圖114.2.2靜態畫面124.2.3數字字典144.2.4系統應用程序164.2.5動畫連接175、課程設計總結176、參考文獻181、引言1.1主要內容本課程設計是學完過程控制系統課程后的一個應用性實踐環節。通過本課程設計的訓練，對過程控制工程設計的概念有完整地了解，同時培養綜合應用基礎課、專業課所學知識與工程實際知識的能力。通過對過程控制系統的分析與設計，獲得面向工業生產過程系統分析與設計的實踐知識，初步掌握過程控制系統開發和應用的技能。基于組態軟件的流量比值過程控制系統通過某種組態軟件，結合實驗室已有設備，按照定值系統的控制要求，

4、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，通過流量傳感器將檢測到的流量與設定值送入計算機，計算機運用PID算法得到相應的控制信號，并將其輸出給執行器，然后執行器調節調節閥，以達到調節流量的控制目的。設計一個具有較美觀組態畫面和較完善組態控制程序的流量比值單回路過程控制系統。流量比值控制系統在實際生產中應用十分廣泛，它能使系統穩定，精確地輸出，更能實現自動化控制，是過程控制系統的一個典型。本設計針對生產中兩種液體的流量的控制，對其設計了單閉環流量比值控制系統，將液體A作為主流量，液體B為副流量進行設計，設計中用到了多個硬件設備，并基于計算機實現過程的自動控制。1.2任務要求根據

5、要求自己設計系統結構，分析系統的特點和系統特性，在實驗室連接系統部件、構造硬件系統。可以自己跳線、連線，并連好對象、控制器、計算機，但是打開電源之前必須經過指導教師檢查。在過程監控計算機上編制相應監控組態程序。通過對控制器、監控計算機和實驗對象的聯機調試、執行、觀察結果，達到預期應用功能和控制目的，比較不同方案的應用效果。2 了解流量比值控制系統的物理結構，閉環調節系統的數學結果和PID控制算法。逐一明確各路檢測信號到PLC的輸入通道，包括傳感器的原理，連接方法，信號種類，信號調理電路，引入PLC的接線以及PLC中的編址。逐一明確從PLC到各執行機構的輸出通道，包括各執行機構的種類和工作原理，

6、驅動電路的構成，PLC輸出信號的種類和地址。繪制出流量控制系統的電路原理圖，編制I/O地址分配表。編制PLC的程序結合過程控制實驗室的現有設備進行調試，要求能在實驗設備上演示控制過程。2、設計方案 2.1設計原理比值控制有開環比值控制、單閉環比值控制、雙閉環比值控制、串級比值控制系統和變比值控制系統。開環比值控制是最簡單的控制方案。單閉環比值控制和雙閉環比值控制是實現兩種物料流量間的定比值控制在系統運行過程中其比值系數是不變的。串級比值控制系統實現兩種物料的比值隨第三個參數的需求而變化。變比值控制系統最終目的是生產過程的結果，物料按比值輸出不是關鍵。根據設計要求，本系統必須采用單閉環比值控制或

7、雙閉環比值控制，本系統采取單閉環控制方案。2.2 系統原理圖 圖1 單閉環流量比值控制系統原理圖2.3 MATLAB仿真調試本系統的主要的實現是PID算法的實現，根據流量比值單回路控制系統的原理，運用組態王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實現PID控制算法。取采樣周期Ts=1s。本系統采用PID位置控制算式，其控制算式如下：算式中，Kp為比例系數，Ti為積分時間，Td為微分時間，以u(k)作為計算機的當前輸出值，以Kc*PV作為給定值，PV2作為反饋值即AD設備的轉換值，e(k)作為偏差。 圖5 PID控制器 圖6 仿真結果3、硬件設計3.1使用儀器3.1.1流量計（渦輪流量計、電磁流量計）

8、1）、渦輪流量計：輸出信號：頻率，測量范圍：00.6m3/h接線如圖所示： 圖2 渦輪流量計接線說明：傳感器的供電電源由24VDC開關電源提供，負載為流量積算變送儀。注：使用渦輪流量計時，必須將24VDC開關電源打開。2)、電磁流量計：輸出信號：420mA，測量范圍：00.4 m3/h 圖3 電磁流量計 接線說明：轉換器為交流220V供電，X、Y和A、B、C為傳感器和轉換器之間的連線，輸出信號線直接接控制臺上的電磁流量計信號輸出端。3.1.2 電動調節閥QSVP20-15N智能電動單座調節閥主要技術參數：執行機構型式：智能型直行程執行機構輸入信號：010mA/420mADC/05VDC/15V

9、DC輸入阻抗：250/500輸出信號：420mADC輸出最大負載：<500信號斷電時的閥位：可任意設置為保持/全開/全關/0100%間的任意值電源：220V±10%/50Hz 3.1.3 變頻器面板 如圖所示，變頻器型號為三菱FR-S520S-0.4K型變頻調速器，具體數設置如下表： 表1 三菱變頻器參數設置表名稱表示設定范圍設定值上限頻率P10-120Hz60Hz下限頻率P20-120Hz20Hz擴張功能顯示選擇P300，11頻率設定電流增益P391-120Hz60HzRH端子功能選擇P624操作模式選擇P790-80C5C5輸出頻率大小25HzC6C6偏置20%A 面板接線

10、端子功能說明：為了保護變頻器各接線端子不因實驗時經常裝拆線而損壞或丟失，故將其常用的端子引到面板上。（1） 控制信號輸入：可輸入外部05V電壓或420mA電流控制信號。 圖4 變頻器面板 （2） STF、STR：電機的正、反轉控制端，SD與STF相連為正轉，SD與STR相連時為反轉。B 變頻器使用說明：本裝置中使用變頻器時，主要有兩種輸出方式：一種是直接調面板旋鈕輸出頻率，另一種是用外部輸入控制信號改變變頻器輸出頻率。兩種輸出方式具體接線方法如下：（1） 變頻器面板旋鈕輸出接線方法：SD與STF（或STR）短接，當需要改變輸出頻率時，旋動面板上的旋鈕，順時針旋可增大輸出頻率，逆時針旋可減小輸出

11、頻率。待旋至所需要的頻率時，按變頻器上白色的SET鍵，即可選定所需的輸出頻率。（2） 變頻器外部控制信號控制輸出接線方法：SD與STF（或STR）、RH兩端都短接，在控制信號輸入端接入控制信號（正極、負極應對應，不能接錯），打開變頻器的電源開關即可輸出。通過改變控制信號的大小來改變輸出頻率。模擬量輸入有渦流流量傳感器和電磁流量傳感器組成，PLC選S7200系列中的226，上位機和下位機的電纜采用RS458通訊電纜。第一路由異步電動機和水泵構成動力系統，第二路由變頻器、電動機和水泵構成動力系統。表2 端口分配表輸入端子號輸出端子號地址號信號名稱說明1AIW0第一路供水系統渦流流量傳感器輸入16位

12、2AIW2第二路供水系統電磁流量傳感器輸入16位1AQW0輸出控制電動調節閥16位2AQW4輸出控制變頻器16位4、軟件設計4.1 PLC程序4.2 系統組態設計 4.2.1 組態圖如圖7所示，主動量液體A的測出的流量值PV經過比值器，與PV2進行偏差運算，再進行PID運算。系統一般在手動的情況下是不輸出值的，若此時輸出值，得到的結果不是預期要的，所以系統在手動的情況下PID控制無輸出值輸出，我們設計的這個系統在系統運行時默認是手動，只有在切換到自動的情況PID才有輸出值輸出。 圖7 系統組態圖4.2.2 靜態畫面 圖8 開機界面 圖9 控制界面 圖10 歷史曲線界面本課程設計共設計有三個畫面

13、：開機界面、控制界面、歷史曲線界面。開機界面如圖8所示，當啟動系統后，我們進入開機界面，其中上面有系統的名字“基于組態軟件的流量比值過程控制系統”，另外還有兩個按鈕，是“進入”按鈕和“退出”按鈕，進入按鈕是通過ShowPicture("控制界面")命令語言與控制界面相連接，其功能是進入控制界面，退出按鈕的功能是退出系統。控制界面如圖9所示，在控制界面中有兩個液罐，它們在本設計中只是作為容器，裝A、B溶液，本設計主要考慮的是流量比值控制。在主界面中還有一個電動調節閥，若干手動調節閥，兩個電磁流量計，一個水泵和若干管道組成，電動調節閥是控制A的流量，兩個電磁流量是測量液體的流量

14、值。當我們啟動系統后進入主界面我們設置設定值，比例系數P，積分系數Ti，為分析書Td，比值器大小Kc，設置這五個參數，此事系統是手動狀態，將系統切換到自動狀態，系統按設定好的PID算法得到輸出，使A1流量與A2的流量成設定的比例并穩定于此。期間畫面也能顯示出測量值，輸出值，并且管道也能模擬液體的流動。并且在主界面中也能直接觀察實時曲線，實時曲線包括給定值的曲線，測量值1的曲線，測量值2的曲線，通過它可以查看系統的穩定情況。當我們要觀察歷史的曲線時，我們可以單擊歷史曲線按鈕，進入歷史曲線界面，歷史曲線界面如圖10所示。歷史曲線中也主要包括定值的曲線，測量值1的曲線，測量值2的曲線，歷史曲線中還有

15、兩個按鈕，返回按鈕和退出按鈕，返回按鈕也是通過ShowPicture("控制界面")命令語言與控制界面相連接，可以返回控制界面，退出按鈕具有退出系統的功能。4.2.3 數字字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主要有與AD，DA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，用于定以開關動畫連接的內存離散變量，參于PID運算的內存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表所示。表4 數字字典變量

16、名變量描述變量類型ID連接設備寄存器$年內存實型1$月內存實型2$日內存實型3$時內存實型4$分內存實型5$秒內存實型6$日期內存字符串7$時間內存字符串8$用戶名內存字符串9$訪問權限內存字符串10$啟動歷史記錄內存實型11$啟動報警記錄內存離散12$啟動后臺命令語言內存離散13$新報警內存離散14$雙機熱備份內存整型15$毫秒內存實型16$網絡狀態內存整型17液罐A液位A液位內存實型18液罐B液位B液位內存實型19A1測量值顯示A1流量內存實型20A2測量值顯示A2流量內存實型21閥門開度電動調節閥的開度大小內存實型24自動開關自動內存離散25PVA液體流量測量值I/O實型22ADAI1P

17、V2B液體流量測量值I/O實型23ADAI2Uk控制電動調節閥輸出I/O實型26DAAO0Sp設定值I/O實型27DAAO1Kp比例系數內存實型28Ti積分系數內存實型29Td微分系數內存實型30Kc比值器大小內存實型31T采樣周期 內存實型32PP=Kp1內存實型33TITI=Ti/T內存實型34DD=Td/T內存實型35Uk0前一次控制調節閥輸出內存實型36ek0現在的偏差內存實型37ek1前一次偏差內存實型38ek2前兩次偏差內存實型39q01增量型算法系數1內存實型40q02增量型算法系數2內存實型41q03增量型算法系數3內存實型42Gmax流量計的最大測量值內存實型434.2.4

18、系統應用程序啟動時：T=1;TI=Ti/T;D=Td/T;Uk=0;ek0=0;ek1=0;ek2=0;Sp=0;ShowPicture("開機界面");運行時：if(自動 = 1)T=1;Gmax=100;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;k=q01*ek0-q02*ek1+q03*ek2+Uk0;Uk0=Uk;ek2=ek1;ek1=ek0;Sp=PV*0.4+4;測量值1=( PV-1 )/4*Gmax;測量值2=( PV2-1 )/4*Gmax;閥門開度=

19、( Uk-1)/4*Gmax;停止時：Uk=0;Sp=0;ek0=0;ek1=0;ek2=0;4.2.5 動畫連接 圖11 動畫連接界面當系統啟動后，通過開機界面，進入主界面，設定好參數設定值，比例系數，積分系數，微分系數，比值器大小后，按下自動按鈕進入自動狀態。系統輸出測量值1，測量值2的數值，畫面中的管道模擬液體的流動，它是與電動調節閥相關聯的，只要電動調節閥是有開度的，管道就能模擬液體的流動，流量計示數，調節閥開度等也在圖中顯示，如圖11中所示。實時曲線中設定值，測量值1，測量值2，隨著示數的變化而變化，按下歷史曲線按鈕可以進入歷史曲線界面，按下退出按鈕可以退出系統，本次設計基本實現了流量比值的