基于组态软件的液位单回路过程过程控制系统设计.docx

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1、工业过程控制课程设计题目：院系名称：专业班级：学生XX：学号：指导教师：设计地点设计时间：基于组态软件的液位单回路控制系统设计摘要根据实验题目与实验要求，确定切实可行的控制方案。正确选用仪器仪表, 设计出一个液位单回路控制系统,采用单闭环控制构造和PID控制规律,编辑正 确的控制程序，设定合理的设定值、输出值和PID控制系数，得出正确的适时曲 线图。关键字：液位单回路控制PlD控制适时曲线图。引言31设计目的与要求51.1 设计目的51.2 设计要求52系统构造的设计52.1 控制方案52.2 控制构造示意图63过程仪表及模块的选择75.2.3实时曲线105.3应用程序116设计心得13参考文

2、献14附录A单回路控制系统PlD控制算法15附录B PID控制算法流程图160引言本设计是基于组态软件的液位单回路控制系统的设计。组态软件，指数据采 集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发 环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和 简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以 非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机 和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供 软硬件的全部接口，进展系统集成。组态软件通常有以下几方面的功能：(1) 强大的界面显示组

3、态功能。目前，工控组态软件大都运行于WindoWS环境下， 充分利用WindoWS的图形功能完善界面美观的特点，可视化的m风格界面、丰 富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。丰富的图形控件和工 况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供应用户丰富的作图工具， 可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界 面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生 动、直观。(2)良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件 不可能出自一家公司的产品，“异构是当今控制系统的主要特点之一。开放性 是指组态软件能与多种通信协议互联，

4、支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组 态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上 能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。（3）丰富的功能模块。提 供丰富的控湘功能库，满足用户的测控要求和现场荽求。利用各种功能模块，完 成实时监控产生功能报表业示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统 具有良好的人机界面，易于操作，系统既叫适用于单机集中式控制、DCS分布式 控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统.（4）强大的数据库。配有实 时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的 数据交换。（5）可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户

5、可根据自己 的需要编撰程序，增强图形界面（6）周密的系统平安防X,对不同的操作者, 赋予不同的操作权限，保证整个系统的平安可靠运行。（7）仿真功能.提供强 大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。液位单回路控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个 领域中都有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进 展液位控制，使它能够高精度地保持在给定的数值。液位控制一般指对某一液位 进展控制调节，使其到达所要求的控制精度。液体的液位的自动控制,是近年来 新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术严密结 合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的

6、仪表控制，微机控制有以下明显 优势：1）直观而集中的显示各运行参数,能显示液位状态。2）在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控 制参数,可以方便的改变液位的上限、下限。3）具有液位控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在 监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和 失误，提高生产过程的实时性、平安性等。综合以上的种种优点可以预见采用计 算机控制系统是行业的大势所趋。1设计目的与要求1.1 设计目的通过组态软件，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，采用单闭环控制构造和PID控制规律，设计

7、一个具有较美观 组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。1.2 设计要求1 .根据液位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。2系统构造的设计2.1 控制方案目前工业上常用的控制规律主要有：位式控制、比例控制、比例积分控制和 比例积分微分控制等。简单控制系统

8、一般是单回路控制系统，由于其构造简单并 且能够满足大多数控制质量的要求，因此在生产过程控制中得到了广泛的应用， 是生产过程控制中最根本的一种控制系统。一个单回路反应系统是由测量变送器 装置、控制器、和被控对象所组成，按其被控变量类型的不同可以分为温度控制 系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。控制系统设计时针对某一特定生产对象进展的，当系统安装完成之后，控 制效果主要取决于控制器的参数设定整定。选择适宜的比例度、积分时间、微分 时间是保证和提高系统控制质量的主要途径。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控制的被控制量是水位，

9、控制量是进水门、出水门开 度。通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比拟好 的控制效果。PID调节器构成的闭环控制回路一般原理如图1所示SPAPVl控制系统方框图控制规律选择：目前工业上常用的控制规律主要有：比例控制、比例积分控 制和比例积分微分控制等。本方案采用比例积分微分控制。比例控制一一克制干扰能力强、控制及时、过渡时间短。是最根本的控制规 律。但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。使用于滞后较小、负荷变 化不大、允许被控变量存在余差的场合。比例积分控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。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大

10、、不允许被控变量存在余 差的场合。比例微分控制一一引入了微分作用，具有超前控制作用，在被控对象具有较 大滞后时，会有效的改善控制质量。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。比例积分微分控制一一综合了比例、积分、微分控制规律的优点。适用于容 量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。该方案的控制目标是使水位到达平衡状态，通过控制电动调节阀改变阀门开 度，来控制流量的大小，从而来控制水位。选择阀门开度为控制量，水位为被控 量。控制规律选择PlD控制规律。2.2 控制构造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

11、与给定值相比拟得出偏差，通过D/A模块，把数字信号转化成模拟 信号送给系统。系统根据反应值调节阀门的开度。系统示意图如图2所示：系统示意图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展检测，对控制精度有直接的影 响，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、低功耗的精细器件，稳定性、可靠性大大提高。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，能够很准确地测定水流的流 量。采用德国西门子KXV616型电磁流量传感器，测量准确、可靠性高、操作作 简便等。3.1.3 .电动调节阀的选择电动

12、调节阀对控制回路流量进展调节。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，驱动电机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、控制单元与电动执 行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最正确调节 回路。有输入控制信号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阀位反应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，性能稳定可靠，控制精度高，使 用寿命长等特点。3.

13、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，4-2OmA控制信号输入，可对流量或压力进展控制， 该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定平安可靠，操作方便，可外 加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或三相供电，频率可高达200HZo3.2模块的选择本控制过程主要有A/D转化模块、D/A转化模块和开关I/O模块。过程模块 采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成。A/D模块采 用nudan7017; D/A模块采用n

14、udan7024;通讯模块采用nudan752004系统安装接线设计I/O接线:实验中DA模块中IOO为控制调节阀开度的控制通道，IOl为可控硅的电压控制通道，102为变频器的控制通道。AD模块中INl为水箱液位的检测，IN5是阀位反应信号检测，IN6是水泵出中水位信号检测5系统组态设计5.1 系统组态流程图设计根据测试要求，首先翻开系统启动按钮，选择进入手动或自动状态（默认进 入手动状态），如果进入手动状态，那么翻开阀门，可以设定给定值SP和阀门 开度控制Uko来控制水箱水位,手动控制直到到达工艺要求;如果选择自动状态, 翻开所有阀门，设定给定SP,调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分

15、时间 三个参数进而控制阀门开度，直到上水箱液位恒定。工艺流程图如图4所示：r动 给定方式自动5.2 组态画面设计5.2.1 组态总体画面5.2.2数据词典5.2.3实时曲线5.3应用程序PID运行程序EI=SV-PV;if(ll=O)Q1=O;QO=P1*(EI-EI1);if(ll!=O)Q1=P1*EI*O.2I1;)Q2=P1*D1*(EI-2*EI1+EI2)O.2;MX=QO+Q1+Q2;OP11=OP11+MX;if(OPll100)OP11=100;)日2=日1;EIl=EI;elseMAN-OP1+MX;MX=O;if(OPll100) OP11=100;)设计心得本设计是基于组态软件的液位单回路控制系统的设计，也就是利用组态软件 进展对控制系统