1、过程控制系统实训 过程控制系统实训实训题目： 液位流量串级控制系统 实训班级： 1220391 小组成员： 任文华 28 张琮斌 29 杨宇飞 09 黄李全 43 张 野 39 指导老师： 李 莎 实训日期： 2015年7月1日 液位流量串级控制系统(计算机控制)一、实训要求通过组态王软件，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液位流量串级控制系统。具体要求如下：1、根据液位流量串级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、根据液位流量串级控制系统A/D、D/A和开关I
2、/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，正确设计液位流量串级控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。5、得出控制系统的控制历史曲线图，并进行分析处理。二、实训目的通过实训加深了解串级控制系统的基本概念、串级控制系统的结构组成。掌握串级控制系统的参数整定。三、方案的确定此次实验共有3种方案供选择:1.使用牛顿模块2.构建集散控制系统DCS 3.通过PLC实现下面对3种方案进行了介绍分析:牛顿模块具有组态简单、采集的信号稳定、抗干扰能力强、编程容易等众多优点，每一单一的牛顿模块都是地址可编程的，它使用 01 -
3、 FF 两位地址代码，因此，一条RS485总线上可以同时使用255个牛顿模块，如果RS485总线上挂接的都是ND-7017的话，意味着整个系统可以完成 255 x 8 = 2040路模拟信号的采集。当然牛顿模块不仅仅是模数转模块，还有数字IO模块、DO输出模块、测频计数模块。集散控制系统的组态内容有系统组态、画面组态和控制组态。系统组态完成组成系统的各设备间的硬件连接，使用软件方式描述集散控制系统的硬件构成。画面组态完成操作站的各种操作画面、画面之间的连接等。控制组态完成各分散过程控制装置和控制器的控制结构连接、参数设置等。趋势显示、历史数据压缩、数据报表打印及画面拷贝等组态内容常作为画面组态
4、或控制组态的一部分，也可分开单独进行组态。PLC的工作过程分为三个阶段：输入处理、程序执行及输出处理。其中的编程部分比较复杂，较难实现，但是一旦编好程序，就较为容易实现。 相比之下，DCS此方案较为复杂，PLC还需编程。通过比较3种方案的难易程度，我们选择用牛顿模块实现。四、实训设备1、硬件设备简介（1）水箱上(中)位水箱和下位水箱采用8毫米厚进口淡蓝色有机玻璃。实训中对水位的观测直观明了。独特的三槽结构，有效克服水流的动量冲击，使液位控制更精确。同时上位水箱的液容可变，可以比较在不同的实验参数下不同的实验结果，加深对理论的理解。下位水箱可变为非线性水箱，以利于控制策略的研究。储水箱采用不锈钢
5、制成，整个系统的管道采用铝塑管组成，所有的水阀采用铜质球阀，彻底避免了系统生锈的可能性，可有效提高实验装置的使用年限。（2）液位(压力)传感器、变送器液位传感器用来对上位水箱、下位水箱的液位以及水泵出口压力进行检测，采用工业用的DBYG型扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制420mA标准信号输出。（3）流量计流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本实验装置的特点，采用工业用的电磁流量流量计，420mA 标准信号输出。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。（4）电动调节阀电动调节阀是本实验装置的关键部件，用来对控制回路的流量进行调节
6、。采用进口的电动调节阀，420mA控制信号输入。采用等百分比铜质优质阀，符合教学要求，具有性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长的优点。（5）变频器三菱FR-S520变频器，420mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制。（6）水泵采用进口水泵。噪音底，寿命长，减少使用烦恼。在水泵出口安装有压力变送器，可与变频器一起构成恒压供水系统。2、控制操作台结构说明1）操作台操作台由实验水箱、储水箱、加温装置、温度变送器、液位变送器(压力变送器)、涡轮流量计、比例阀、直流水泵、智能仪表、远程数据模块等执行器件和控制器件，以及相关的电源、比例器等辅助模块。采用铁质双面亚光密纹喷塑结构，铝质喷塑面板。在控制屏
7、的左边是被控对象，包括上位水箱、中位水箱、下位水箱和压力圆筒，均采用透明的进口有机玻璃制作，便于实验中对水位的直接观察。水箱和压力圆筒安装在玻璃背板上，结构简洁，富有现代感。在控制屏的右边布置有控制系统，包括系统示意图、智能调节器、牛顿模块和实验配电，也可以换装计算机板卡、单片机控制模块和PLC控制系统。实验系统的水槽、直流水泵、流量计以及计算机均布置在实验桌中，在实验桌的侧面安装放置计算机显示屏的搁板，整体结构紧凑，布置合理。实验桌与主控屏采用优质冷轧钢板加工而成，表面喷塑处理。实验桌面板采用防火板，底部安装可锁定的轮子，便于实验装置的移动和固定安放。2）供水系统 直流水泵负责向系统供水，供
8、水的回路中安装有比例调节阀和涡轮流量计，实现对系统流量的控制和测量。3）实验水箱 实验水箱的结构参数充分考虑到实验效果，设置缓冲结构，避免水流对液位检测的冲击干扰。被控的水流进入三个在控制屏上依次放置的水箱，可完成液位的单回路和串级实验。在一个水箱中设置非线性单元，提供给非线性闭环控制实验用，在另一个水箱中增加了加热棒和温度传感器，可以进行温度单回路实验。压力圆筒上安装有压力变送器，通过对水泵转速的控制，调节压力圆筒内的压力，实现闭环控制。3、远程数据采集模块 采用目前最新的牛顿8000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举。有效地拉近了实验室与工业现场的
9、距离。它体积小，安装方便，可靠性极高，D/A8024模块4路模拟输出，电流(420mA)电压(15V)信号均可，A/D8017模块8路模拟电压(15V)输入，485/232 转换8520模块，转换速度极高(300115KHz)，232口可长距离传输。软件功能：实验控制通过组态王工控组态软件编写上位控制软件运行算法，组态王采用了多线程、COM+组件等新技术，能实现多任务，运行稳定可靠。所有实验均包括组态王实时数据库组态、图形动画、报表、曲线、报警组态、设备通讯组态等。5、其他设备在控制系统回路中所涉及到的设备还用水泵、变频器、电磁阀、开关电源等。 噪音低，寿命长，扬程可达10米，功耗小，220V
10、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。 所用到的电磁阀的工作电源为DC24V，关断能力强，使用方便，结构简单。5、实验流程图图1 上水箱液位和流量串级控制实验流程图六、实验系统框图及原理 图2 计算机控制串级控制系统的框图（计算机控制）七、实训步骤1按照实训要求接线。2接通总电源和各仪表电源。3将阀门V19、VV3、V6打开。4打开计算机组态王软件的工程管理器，选中“串级实验”，点击运 行，进入串级实验界面。5点击“自动/手动”按钮，使系统在自动状态，点击“PID设定按钮”，调出PID设定界面。6PID设定1框图是副回路流量参数，PID设定2框图是主回路液位参数
11、。7投入参数，观察液位和流量的曲线，调整参数观察计算机控制的效果。待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位的变化曲线。8再等系统稳定后，给系统下水箱加干扰信号，观察下水箱液位变化的曲线。9写出实训报告：按衰减曲线调节器参数计算表填写表格中的数据八、实训结果 1.接线图 图3 实验前接线图 图4 现场接线图 2、组态界面 图5 组态画面 3、历史曲线 图6 设定值为50系统自动调节过程曲 图7 系统自整定过程 图8 待系统稳定降低设定值系统调节曲线 图9 智能仪表实验数据处理图 图10 理想的实验结果九、实训结果分析此次实训结果，与之前用智能仪表做的串级实验，有一定的差别，原因在于这次将数据采
12、集模块与上位机组态软件的结合起来测量系统的液位变化曲线，实验结果更加容易测量，方便记录。而之前的实验结果只是根据少部分数据绘制的，不能真实地反映系统的调节过程。这次实验结果，与理想控制实验结果图10相比，比较接近，较好的观察到了串级系统整个过程对液位的调节，最终使其稳定在设定值附近。十、实训中的问题总结1、试验时可以通过组态软件和阀门开关控制阀门，如果只通过软件控制，就会造成无法准确测量的情况，试验中适宜采用手动控制。2、实验的组态软件的组态画面设计不好，与实验仪器不配套，致使有时通过组态画面控制阀的开关与实际不匹配，造成操作上的困难。十一、实训中的收获通过PID 参数的整定以及控制系统的无扰
13、切换和可靠的跟踪技术，并在特殊情况或按操作人员的要求切手动的各方面要求。克服了给水系统内扰、外扰的影响，能够进行可靠准确的自动调节。通过水位给定值根据负荷的自动给定，使控制更合理更客观，自动化水平进一步提高。学习也需要在实践中不断改进，不断完善。在学习的过程中遇到了很多困难，但在老师和同学们的帮助下，进步很大，同时也增长了见识，使我大开眼界，感谢老师和同学们在学习上给予的帮助。这次的实训我们错误了很多次，付出了更多时间和精力之后当然收获也更为丰富。这次实训对我们的能力要求有了进一步的提高，我们花更多的精力去查阅资料，了解更多的知识。通过这个控制系统的实训，我们对控制系统又有了更深的理解，尤其是对串级控制系统的认识了解的更多了。
