基于组态软件的液位单回路过程控制系统设计.docx

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1、河南7本次厚工业过程限制课程设计题目：基于组态软件的液位单回路过程限制系统设计院系名称：电气工程学院专业班级：自动化IlXX学生姓名：XXXXXX学号：2011239103xx指导老师：XXXXXXX设计地点：设计时间：2014.6.23”设计成果：指导老师:1设计目的与要求1.1 设计目的通过组态软件，结合试验室已有设备，依据定值系统的限制要求，依据较快较稳的性能要求，采纳单闭环限制结构和PID限制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态限制程序的液位单回路过程限制系统。1.2 设计要求1 .依据液位单回路过程限制系统的详细对象和限制要求，独立设计限制方案，正确选用过程仪表。2 .依据液

2、位单回路过程限制系统A/D、D/A和开关I/O的须要，正确选用过程模块。3 .依据与计算机串行通讯的须要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。4 .运用组态软件，正确设计液位单回路过程限制系统的组态图、组态画面和组态限制程序。5 .提交包括上述内容的课程设计报告。2系统结构的设计2.1 限制方案目前工业上常用的限制规律主要有：位式限制、比例限制、比例积分限制和比例积分微分限制等。简洁限制系统一般是单回路限制系统，由于其结构简洁并且能够满意大多数限制质量的要求，因此在生产过程限制中得到了广泛的应用，是生产过程限制中最基本的一种限制系统。一个单回路反馈系统是由测量变送器装置、限制器、和被

3、控对象所组成，按其被控变量类型的不同可以分为温度限制系统、压力限制系统、流量限制系统、液位限制系统等。限制系统设计时针对某一特定生产对象进行的，当系统安装完成之后，限制效果主要取决于限制器的参数设定整定。选择合适的比例度、积分时间、微分时间是保证和提高系统限制质量的主要途径。单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输出变量为水箱液位。单回路PID限制的被限制量是水位，限制量是进水门、出水门开度。通过调整PID限制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的限制效果。PID调整器构成的闭环限制回路一般原理如图1所示图1限制系统方框图限制规律选择：目前工业上常用的限制规

4、律主要有：比例限制、比例积分限制和比例积分微分限制等。本方案采纳比例积分微分限制。比例限制一一克服干扰实力强、限制刚好、过渡时间短。是最基本的限制规律。但在终了时会存在余差，负荷变更越大余差越大。运用于滞后较小、负荷变更不大、允许被控变量存在余差的场合。比例积分限制一一在比例作用下引用积分作用，虽然会使系统的稳定性降低，但没有余差。适用于限制通道滞后较小、负荷变更不大、不允许被控变量存在余差的场合。比例微分限制一一引入了微分作用，具有超前限制作用，在被控对象具有较大滞后时，会有效的改善限制质量。但对于滞后小干扰作用频繁，含有高频噪声的系统，将可能使系统产生振荡，甚至失控。比例积分微分限制一一综

5、合了比例、积分、微分限制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变更大、限制要求高的场合。该方案的限制目标是使水位达到平衡状态，通过限制电动调整阀变更阀门开度，来限制流量的大小，从而来限制水位。选择阀门开度为限制量，水位为被控量。限制规律选择PID限制规律。2.2 限制结构示意图流量变送器把得到的信号经A/D模块，把模拟信号转化成数字信号，送入计算机。此信号与给定值相比较得出偏差，通过D/A模块，把数字信号转化成模拟信号送给系统。系统依据反馈值调整阀门的开度。系统示意图如图2所示：3过程仪表以及模块的选择3.1.1 液位传感器的选择液位传感器用来对上水箱和下水箱的液位进行检测，对限制精度有干脆的影

6、响，采纳工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采纳高品质、低功耗的精密器件，稳定性、牢靠性大大提高。3.1.2 电磁流量传感器电磁流量传感器是对通过流量计水流流量实时监控，能够很精确地测定水流的流量。采纳德国西门子KXV616型电磁流量传感器，测量精确、牢靠性高、操作作简便等。3.1.3 .电动调整阀的选择电动调整阀对限制回路流量进行调整。采纳德国PS公司进口的PSL202型智能电动调整阀，无需配伺服放大器，驱动电机采纳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，限制精度高、限制单元与电动执行机构一体化，牢靠性高、操作便利，并可与计算机配套运用，

7、组成最佳调整回路。有输入限制信号4-20mA及单相电源即可限制运转实现对压力流量温度液位等参数的调整，具有体积小，重量轻，连线简洁，泄漏量少的优点。采纳PS电子式直行程执行机构,4-2OmA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，性能稳定牢靠，限制精度高，运用寿命长等特点。3.1.4 水泵的选择丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长，功耗小，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。3.1.5 变频器的选择三菱FR-S520变频器，42OmA限制信号输入，可对流量或压力进行限制，该变频器体积小，功率小，功能特别强大，运行稳

8、定平安牢靠，操作便利，可外加电流限制，也可通过本身旋钮限制频率。可单相或三相供电，频率可高达200Hzo3.2模块的选择本限制过程主要有A/D转化模块、D/A转化模块和开关I/O模块。过程模块采纳目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成。A/D模块采纳nudan7017;D/A模块采纳nudan7024;通讯模块采纳nudan7520o4系统安装接线设计I/O接线：试验中DA模块中100为限制调整阀开度的限制通道，IOl为可控硅的电压限制通道，102为变频器的限制通道。AD模块中INl为水箱液位的检测，IN5是阀位反馈信号检测，IN6是水泵出中水位信号检测5系统组态设计5.1

9、系统组态流程图设计依据测试要求，首先打开系统启动按钮，选择进入手动或自动状态（默认进入手动状态），假如进入手动状态，则打开阀门，可以设定给定值SP和阀门开度限制UkO来限制水箱水位，手动限制直到达到工艺要求；假如选择自动状态,打开全部阀门，设定给定SP,调整PID限制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数进而限制阀门开度，直到上水箱液位恒定。工艺流程图如图3所示：图3工艺流程图5.2 组态画面设计5.2.1组态总体画面I_I液位单回路控制系统-Sga*数据词典王量益述 至量立型 I SS-SA-IS-J文件l画面 Ll命令逼言 eac5 0非我性表-少数宪库用结构交量 G座涵3 中指誓坦 -

10、设备CCfllJe CM23 DDESa假卡号OFCE务器 阿珞站点-火系统配置V设置开发系统 31设置运行东妩 a报对活 R历史数据记录 P)IE 用尸配Si 打 EpWsl-窜SQu问首 e表格覆极 3记录体-_J Vb& *a 日发布宗时信息 y/布历史信同发无数Jg本信息期间尸向动动动报机即如饵蜴5B间粉修用期悯锄增坨$南例iJRI*lsvpvdldpFL3 戏瞬瞬瞬戏戏瞬瞬瞬瞬瞬瞬电般瞬龄戏戏瞬戏6戏瞬瞬&名树独撼局2录录令 记记命 限史台内存实型1内存实型2内存卖型3内存实型4内存实型5内存实U6内存字符室7内存字符用&内存字符密9内存实型10内存富敢1!内存离散12内存离散13内

11、存寓散14内存空型15内存实型16内存堂型17内存实SS21内存实型22内存的!23内存实型24内存卖型2S内存实型26内存实型27内存实型28内存实型29内存需散30内存实把315. 3应用程序PID运行程序EI=SV-PV;if(H=O)Q1=O；QO=PP(EI-EIl);if(Il!=0)Q1=P1*EI*O.2I1;)Q2=P1 *D1 *(EI-2*EI1 +EI2)0.2;MX=QO+Q1+Q2;OPlI=OPl1+MX;if(OPll100)OP11=100;)EI2=EI1;EIl=EI;)elseMAN.OP1+MX;MX=O;if(OPll100)OP11=100;)设计

12、心得通过此次设计，我驾驭了流量单回路限制系统的构成。知道它最基本的部分有限制器、调整器、被控对象和测量变松组成。并且学会了如何去设计一个过程限制系统，驾驭了基本的设计步骤。了解到,一般状况下，它都要经过一下几个步骤：认知被控对象、设计限制方案、选择限制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等，直到最终的动画链接胜利，并达到限制要求。经过以上步骤，我对整个过程限制系统的设计有了很深的体会，也学会了许多与设计相关的学问。对组态王软件也有了很大的了解，学会了初步的应用。相识到了组态王的一些应用状况，组态王软件的组成与功能，其应用程序项目如何建立，数据词典

13、如何建立，动画如何进行链接，吩咐语言程序如何编写，趋势曲线如何建立，还有I/O设备的配置和组态网络的建立等等一系列与组态王软件应用相关的学问。总的来说，这次设计是一次收获很大的设计，学到了许多教学中学不到的东西，对我的动手实力有了很大的帮助。附录A单回路限制系统PlD限制算法依据流量单回路限制系统的原理，运用组态王所供应的类似于c语言的程序编写语言实现PID限制算法。本系统采纳PID位置限制算法，其限制算式如下:(%)=u(k1)K尸(1+)e(k)KP(IH-1)+KP2)=u(k-1)+Qoe(Q-%e(k-1)+a2e(k-2)OO=KP(1+尹争.(1+?%=噂上述算式中，KP为比例系数，7;为积分时间，”为微分时间，以u(k)作为计算机的当前输出值，以SP作为给定值，PV作为反馈值即AD设备的转换值，e(k)作为偏差。PID限制算法流程图见附录B。附录BPlD限制算法流程图