1、工業過程控制課程設計題 目:基于組態軟件的液位流量串級過程控制系統設計指導教師評語：簽名： 年 月 日 工業過程控制課程設計任務書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，采用雙閉環控制結構和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液位流量串級過程控制系統。任務要求1. 根據液位-流量串級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. 根據液位-流量串級過程控制系統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

2、塊。4. 運用組態軟件，正確設計液位-流量串級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 輔導資料審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日 目 錄1 設計目的與要求11.1設計目的11.2 設計要求12 系統結構設計12.1 控制方案12.2 系統結構23 過程儀表的選擇23.1 液位傳感器23.2 電磁流量傳感器、電磁流量轉換器23.3 電動調節閥33.4 變頻器33.5 水泵43.6 模擬量采集模塊43.7 模擬量輸出模塊43.8 通信轉換模

3、塊43.9 開關電源44 系統組態設計44.1 流程圖與組態圖44.2 組態畫面64.3 數據字典64.4 應用程序74.5 動畫連接84.6 PID控制算法8結 論10參 考 文 獻11附錄121 設計目的與要求1.1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。1.2 設計要求（1）根據液位-流量串級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）根據液位-流量串級過程控制系統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RS48

4、5/RS232轉換與通訊模塊。（4）運用組態軟件，正確設計液位-流量串級過程控制系統的組態圖、組態畫面和組態控制程序。2 系統結構設計2.1 控制方案 在本系統中被控參量有兩個，上水箱液位和管道流量，這兩個參量具有相關聯系，流量的大小可以影響上水箱液位，根據流量與液位的關系，故系統采用串級控制，內環為流量控制，外環為液位控制。內環與外環的控制算法均采用PID算法，PID算法實現簡單，控制效果好，系統穩定性好。外環液位控制器的輸出作為內環流量控制器的設定值，流量控制器的輸出來控制調節閥的大小，來控制管道流量的大小，進而控制上水箱液位。2.2 系統結構系統框圖如圖2.1所示。 圖2.1 計算機控制

5、上水箱液位和流量串級系統控制框圖3 過程儀表的選擇3.1 液位傳感器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、可靠性大大提高?？煞奖愕嘏c其它DDZX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。在零壓力下調整零電位器，使輸出電流為4mA，在滿量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中位水箱的液位進行檢測，采用工業用的DBY

6、G擴散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4-20mA標準信號輸出。3.2 電磁流量傳感器、電磁流量轉換器流量傳感器用來對電動調節閥的主流量和干擾回路的干擾流量進行檢測。根據本系統裝置的特點，采用工業用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量00.3/h，壓力1.6Mpmax，4-20mA標準信號輸出?？膳c顯示，記錄儀表，計算器或調節器配套。避免了渦輪流量計非線性與死區大的致命缺點，確保實驗效果能達到系統的要求。主要優點：(1)采用整體焊接結構，密封性能好；(2)結構簡單可靠，內部無活動部件，幾乎無壓力損壞；(3)采用低頻矩形波勵磁，抗干擾性能好，零點穩定；(4)儀表反應靈敏，輸

7、出信號與流量成線性關系，量程比寬；流量轉換器采用LDZ-4型電磁流量轉換器，與LDS-10S型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：00.4mV輸出信號:420mADC，允許負載電阻為0750歐姆，基本誤差：輸出信號量程的3.3 電動調節閥電動調節閥對控制回路流量進行調節。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調節閥，無需配伺服放大器，驅動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機，運行平穩，體積小，力矩大，抗堵轉，控制精度高?？刂茊卧c電動執行機構一體化，可靠性高，操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調節回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制運轉實現對壓力流量溫度液位等參數的

8、調節，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄露量少的優點。采用PS電子式直行程執行機構，4-20mA閥位反饋信號輸出雙導向單座住塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用柔性彈簧連接，可預置閥門關端力，保證閥門的可靠關斷，防止泄露。性能穩定可靠，控制精度高，使用壽命長等優點。3.4 變頻器三菱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，運行穩定安全可靠，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。可單相或三相供電，頻率可高達200HZ。3.5 水泵采用丹麥格蘭富循環水泵。噪音低，壽命長。功率小，220

9、V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構成恒壓供水系統。3.6 模擬量采集模塊模擬量采集模塊選用的是A/D牛頓7017模塊8路模擬電壓（15V）3.7 模擬量輸出模塊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（420mA）電壓（15V）信號均可3.8 通信轉換模塊通訊模塊選用485/232轉換牛頓7520模塊，轉換速度極高（300115KHz），232口可長距離傳輸。3.9 開關電源DC24V的開關電源，最大電流為2A，滿足實驗的要求。4 系統組態設計4.1 流程圖與組態圖系統流程圖如圖4.1所示。圖4.1 系統流程圖系統組態圖如圖4.2所示。圖4.2 系統

10、組態圖4.2 組態畫面4.3 數據字典變量名變量類型連接設備寄存器液位1I/O實型A/DAI0流量I/O實型A/DAI2閥1I/O離散D/AAI1閥2I/O離散D/AAI3泵內存實型電磁閥I/O實型D/AAI5Kp內存整型Ti內存整型Td內存整型SP內存整型U內存整型PV內存整型Kp1內存整型Ti1內存整型Td1內存整型SP1內存整型U1內存整型PV1內存整型頻率I/O實型D/AAO24.4 應用程序 if(流量<SP)頻率=頻率+(Kp/20+1)*1;流量=頻率+電磁閥-55;PV=流量;U=頻率+30;else頻率=頻率-(Kp/20+1)*1;流量=頻率+電磁閥-55;PV=流量

11、;U=頻率+30;if(液位1<SP1)電磁閥=電磁閥+(Kp/20+1)*1;液位1=電磁閥+流量-30;PV1=液位1;U1=電磁閥+40;else電磁閥=電磁閥-(Kp/20+1)*1;液位1=流量+電磁閥-30;PV1=液位1;U1=電磁閥+40;if(液位1>SP1-10)閥2=1;液位3=液位1+流量-50;else閥2=0;液位3=液位3-3;4.5 動畫連接4.6 PID控制算法根據液位流量串級控制系統的原理，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。本系統采用PID位置控制算式，其控制算式如下： 上述算式中，Kp為比例系數，Ti為積分時間，T

12、d為微分時間，以u(k)作為計算機的當前輸出值，以sp作為給定值，pv作為反饋值即AD設備的轉換值e(k)作為偏差。PID控制算法流程圖如圖4.3所示。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4.3 PID控制算法流程圖結 論經過本次課程設計，我對工業過程控制系統的開

13、發控制流程有了全面的了解，初步了解了PID控制規律在實際控制工程中的應用，很好的做到了理論與實踐的結合，進一步加深了對PID控制算法理解，除此之外，還對在實際工程中應用極為廣泛的組態王軟件，這位我們以后的工作打下了良好的基礎。通過本次課程設計，讓我了解了工業過程控制系統的組成和一般的設計步驟。在工業過程控制系統設計過程中，首先要有系統的控制方案和系統結構，其中系統的控制方案在整個設計過程中非常重要，所以要仔細認真的設計，然后就是對各種傳感器和各個模塊的選擇，最后就是對系統進行組態設計。在這次設計中運用了組態王這個組態軟件，借助這次課程設計讓我對組態王有了一定的了解，而且讓我對組態的相關知識有了

14、一定的了解。通過這次課程設計，讓我對工業過程控制有了更深的理解，理解了以前很多沒弄懂得東西。參 考 文 獻1 熊新民.工業過程控制課程設計指導書，2008年2 陳夕松，汪木蘭.過程控制系統.北京：科學出版社，2005年3 邵裕森.過程控制工程.北京:機械工業出版社，2000年4 姜重然工控軟件組態王簡明教程M哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007.11謝新民,具有專家系統的PID自適應調節器J自動化與儀器儀表，1992(4)4-7.附錄PID腳本程序啟動時：本站點Ts=20;本站點I=本站點Ti/本站點Ts;本站點D=本站點Td/本站點Ts;本站點ukp=0;本站點uk1=0;本站點ek1=0;本站點ek11=0;本站點ek12=0;運行期間：if(本站點自動開關=1) 本站點Ts=15; 本站點I=本站點Ti/本站點Ts; 本站點D=本站點Td/本站點Ts; 本站點a0=本站點P*(1+1/本站點I+本站點D); 本站點a1=本站點P*(1+2*本站點D); 本站點a2=本站點P*本站點D; 本站點ek1=本站點sp-本站點溫度; 本站點ukp