基于组态软件的流量比值过程控制系统设计工业过程控制课程设计大学论文.docx

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基于组态软件的流量比值过程控制系统设计工业过程控制课程设计大学论文

工业过程控制

课程设计

题目:

基于组态软件的流量比值过程控制系统设计

院系名称：

电气工程学院

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

设计地点：

设计时间：

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。

工业过程控制课程设计任务书之十二

学生姓名

专业班级

学号

题目

基于组态软件的流量比值过程控制系统设计

课题性质

工程设计

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，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的流量比值单回路过程控制系统。

任务要求

1.根据流量比值单回路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.根据双容液位单回路过程控制系统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，正确设计双容液位单回路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2000

[3]过程控制教材

[4]辅导资料

审查意见

指导教师签字：

年月日

摘要

在现代工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。

通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之为流 量比值控制系统，这次课程设计的内容就是流量比值过程控制系统。

流量测量是比值控制的基础。

各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70%左右），必须正确选择使用。

在工程上，具体实施比值控制时，通常有比值器、乘法器或除法器等单元仪表可供选择，相当方便。

若采用计算机控制来实现，只要进行乘法或除法运算即可，我们这次就主要使用计算机及组态王软件进行设计。

关键字：

组态王流量比值控制系统

目录

1绪论1

2设计目的与要求1

2.1设计目的1

2.2控制要求1

3系统结构设计2

3.1控制方案2

3.2控制规律3

4过程仪表选择4

4.1液位变送器4

4.2电动调节阀5

4.3变频器6

4.4水泵7

4.5模拟量采集模块8

4.6模拟量输出模块8

4.7通信转换模块8

4.8开关电源9

5系统组态设计9

5.1组态软件介绍9

5.2系统组态图10

5.3历史曲线11

5.3数据字典12

6结论14

设计心得15

参考文献16

1绪论

在石油炼制，化工及其他工业生产过程中，要求两种或两种以上的物料按照一定的比例混合或参加反应，一旦物料的配比失调，就会严重影响产品的产量和质量，有时还会引起事故。

在工业生产上实现两个或两个以上物料符合一定比例关系的控制叫做比值控制系统，通常把保持两种或几种物料流量为一定比例关系的系统称为流量比值控制系统。

在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，该物料一般为贵重或者流量不可控制的，这种物料称之为主物料，表示这种物料的变量称为主动量，在流量比值控制系统中主动量也称主流量，用G1表示；另一种物料按照主流量进行配比，在控制过程中随主流量而变化，因而称为从物料，表征其特征的变量称之为从动量，用G2表示，在流量比值控制系统中也称之为副流量。

一般情况下，总以生产中的主要物料为主流量，或者以不可控物料作为主流量，用改变可控物料及副流量来实现它们之间的比值关系。

2设计目的与要求

2.1设计目的

通过组态王软件，结合实验设备，按照定制系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制结构程序的流量比值单回路过控制系统。

2.2控制要求

1.根据流量比值单回路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.根据流量比值单回路过程控制系统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，正确设计流量比值单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。

3系统结构设计

3.1控制方案

单闭环流量比值控制系统，图2.1为单闭环流量比值控制方案，由副流量的控制部分看，是一个随动的闭环控制回路，而主流量的控制则是开环的。

主流量G1经过比值运算后使输出信号与输入信号成一定比例，并作为副流量调节器的设定信号值。

图3.1单闭环流量比值控制方案

在稳定状态下，主流量和副流量满足工艺要求的比值，即K=G2/G1为一常数，当主流量负荷发生变化时，其流量信号经过变送器到比值器，比值器则按预先设定好的比值使输出成比例的变化，即成比例的改变了副流量调节器的设定值，则G2经过调节作用自动跟随G1变化，使得在新稳态下比值K保持不变，当副流量由于扰动作用而改变时，因为主流量不变，即FC调节器的设定值不变，这样，对于副流量的扰动，闭合回路相当于一个定值系统加以克服，使工艺要求的流量比值不变。

图3.2流量单闭环比值控制系统流程图

单闭环比值控制系统的优点是不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身干扰对比值的影响，因此得到广泛的使用，尤其适用于主流量在工艺上不允许进行控制的场合。

3.2控制规律

流量比值控制系统采用的为PID控制规律，PID控制是比例－积分－微分的简称。

在工业生产工程自动控制的发展历史中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

PID算法具有如下优点：

（1）原理简单，使用方便；

（2）适应性强；

（3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

由于PID具有以上优点，所以本设计选用他来作为控制规律。

PID程序设计：

IF（\\io\kz4==1）

\\io\S=8;

IFzdkg==1;THEN

a01=KP1*（1+1/TI1+TD1）;

a11=KP1*（1+2*KD1）;

a21=KP1*TD1;

ek0=5*sp1-FLL;

Uk=a01*ek0-a11*ek01+a21*ek02+Uk01;

Uk01=Uk;

ek02=ek01;

ek01=ek0;

IF（Uk<1000）THEN

IF（Uk<0）

Uk0=0;

ELSEUk0=Uk;

ENDIF;

ENDIF;

ENDIF;

4过程仪表选择

4.1液位变送器

液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。

可方便的与其他DDZ—IIIX型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。

校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。

在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA，在满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，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。

液位传感器用来上水位箱和中水位箱的水位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，精度为0.5级，二线制4—20mA标准信号输出。

图4.1压力传感器

4.2电动调节阀

采用电动调节阀对控制回路的液体的流量进行调节。

采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电路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。

控制单元与执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。

由输入控制信号4~20mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，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，4~20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，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，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断防止泄漏。

一体化结构设计，位置变送器和伺服放大器作为两个独立部件均可直接装入执行机构内部，直接接受4—20mA的控制信号，输出4—20mA或者1—5VDC的阀位反馈信号，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。

功能模块式结构设计，通过不同可选择功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同的应用要求。

主要特点：

结构简单，体积小巧，重量轻，便于安装和维护，机械零件全部采用CNC加工部件，工艺精湛。

传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高，噪声低，寿命长和稳定可靠，无需再加油等特点。

具有多种运行速度，可以满足各种控制系统的要求，以保证系统的快速响应及稳定性。

PSL系列同阀门的连接采用柔软盘黄连接，可避免阀杆与输出轴不同轴给阀门带来的影响，可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断，防止泄露。

PSQ系列有转矩开关保护，可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆。

驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步电机，运行平稳，具有体积小、转矩大、抗堵转、控制精度高等特点。

可设置分段调节，即由一台调节器输出的双时间比例信号控制两台执行机构（4—12mA对应PSL1的全开全闭，12—20mA对应PSL2的全开全闭）阀位反馈元件全密封高精度多圈电位器，具有体积小、精度高、死区小、使用寿命长等特点。

行程可调，便于与阀门连接。

全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠，使用时间长。

图4.2电动调节阀

4.3变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

变频器实际上就是一个逆变器，它首先是将交流电变为直流电。

然后用电子元件对直流电进行开关，变为交流电。

一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置。

使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数。

使转数在一定的范围内可调。

变频器广泛用于交流电机的调速中。

变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。

变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。

三菱FR-S520变频器，4-20控制输入信号，可对流量或者压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。

可单相或者三相供电，频率可高达200HZ。

图4.3变频器

4.4水泵

水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。

抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。

这里采用丹麦格兰富循环水泵。

不会影响教师授课减少麻烦。

功耗低，220V供电即可，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4.4水泵

4.5模拟量采集模块

模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。

测量精度：

0.2级。

16位A/D循环采样，采样速率：

3000次/S；1.2倍量程可正确测量，过载2倍量程输入1S不损坏；隔离电压1000VDC。

模拟量输出模块输出标准电流信号，可用于驱动继电器、开关等。

这用A/D牛顿7017模块8路模拟电压（1-5V）。

4.6模拟量输出模块

D/A牛顿7024模块4路模拟输出，电流（4—20mA）电压（1—5V）信号均可。

4.7通信转换模块

485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300—115KHz），232口可长距离传输。

图4.7牛顿模块示意图

4.8开关电源

DC24的开关电源，最大电流为2A，可以满足实验要求。

5系统组态设计

5.1组态软件介绍

随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。

在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。

通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

　　组态（Configuration）为模块化任意组合。

通用组态软件主要特点有

（1）延续性和可扩充性。

用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；

（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。

　　最早开发的通用组态软件是DOS环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面（MMI）、图库、绘图工具箱等基本功能。

随着Windows的广泛应用，Windows环境下的组态软件成为主流。

与DOS环境下的组态软件成为主流。

与DOS环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。

国外许多优秀通用组态软件是在英文状态下开发的，它具有应用时间长、用户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、组态软件本身费用和组态软件培训费用高昂等因素，这些也正是国内通用组态软件在国内不能广泛应用的原因。

随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，通用组态软件的市场需求日益增大。

近年来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。

5.2系统组态图

图5.2系统组态图

如上图所示，主动量液体的测出的流量值PV1经过比值器，与PV2进行偏差运算，再进行PID运算。

系统一般在手动的情况下是不输出值的，因为在此时在进行参数设置，若此时输出值，得到的结果不是预期要的，所以系统在手动的情况下PID控制无输出值输出。

只有在自动的情况下，PID才有输出值输出。

5.3历史曲线

图5.3历史曲线

5.3数据字典

根据控制系统的需要建立数据词典，以便确定内存变量与I/O数据，运算数据的关系。

只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。

本系统中所涉及到的变量的类型主要有与AD，DA设备进行数据交换的I/O实型变量，控制电磁阀开关的I/O离散变量，用于定以开关动画连接的内存离散变量，参于PID运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内存整型变量量等。

具体的数据词典如下表5.3所示。

图5.3标记名字典

6结论

单闭环流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型。

本设计针对生产中两种液体的混合的控制，对其设计了单闭环流量比值控制系统，将硫化钠溶液作为主流量，氧化铜溶液为副流量进行设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于计算机实现过程的自动控制。

设计心得

在这次课程设计中收获颇多，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。

设计过程中，了解了一些从前没有多少接触的硬件设备，如电动调节阀、电磁流量计。

经过本次课程设计，我对工业过程控制系统的开发控制流程有了全面的了解，初步了解了PID控制规律在实际控制工程中的应用，很好的做到了理论与实践的结合，进一步加深了对PID控制算法理解，除此之外，还对在实际工程中应用极为广泛的组态王软件，这位我们以后的工作打下了良好的基础。

参考文献

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[2]何衍庆．工业生产过程控制．化学工业出版社，2004

[3]冯品如．过程控制工程．中国轻工业出版社，1995

[4]王毅．过程装备控制技术及应用．化学工业出版社，2002

[5]赖寿宏．微机计算机控制技术．机械工业出版社，1996

[6]韩军,冯辉.双闭环比值控制系统应用实例[J].宁夏石油化工,2004

[7]曹立学.基于组态软件的流量比值控制系统设计[J]仪器仪表标准化与计量,2009

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机械工业出版社，2006

[9]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：

化学工业出版社，1998

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中国电力出版社，2004

[11]王俊杰.检测技术与仪表[M].武汉：

武汉理工大学出版社,2001

[12]吴勤勤.控制仪表及装置[M].北京：

化学工业出版社，2002