过程控实验方案设计(湖北理工汤立刚著)

湖北理工学院课程设计课程名称过程控制系统课题名称单容水箱液位PID控制系统设计专业自动化班级学号姓名指导教师汤立刚2015年11月02日自动化技术综合实训任务书2015～2016学年第2学期学生姓名：专业班级：自动化2013(1)班指导教师：汤立刚、皮大能工作部门：电气学院电气自动化教研室一、自动化技术综合实训题目：自动化技术综合实训1、单容水箱液位调节阀PID单回路控制2、单容水箱液位变频器PID单回路控制3、竖直双容液位调节阀PID单回路控制4、流量调节阀PID单回路控制5、流量变频器PID单回路控制6、压力调节阀PID单回路控制7、流量比值控制二、自动化技术综合实训内容1.通过查阅资料掌握所选课题的原理、结构、并根据任务书用CAD设计1套过程控制系统图纸,包括:自控设备清单、控制流程图、控制原理图、PLC系统硬件配置图、I/O地址分配表、I/O接线图等。2.自学西门子S7-300系统的硬件知识和STEP7软件的编程组态方法,并根据设计图完成机架配置、硬件组态、从站挂接和I/O口地址分配、用户程序编写等工作。3.自学百特仪表智能调节器以及研华远程ADAM4000系列远程I/O模块的使用。4.掌握组态王组态软件并设计监控界面,包括定义数据词典、通讯设置、生产流程控制画面、参数显示、PID手动/自动调节界面、趋势曲线等的设计。5.掌握在A3000高级过程控制装置上调试用户程序和参数整定的方法。6.掌握西门子MM420变频器的使用方法。7.掌握判断故障及处理故障的方法。8.每个学生必须独立完成设计,写出综合自动化技术综合实训报告并参加答辩。通过答辩考察学生对整个项目设计和实施过程的掌握程度,并根据其在整个设计阶段的理论知识应用能力、设计能力、实践操作能力、编程调试、故障分析及解决能力给出一个综合评价。三、自动化技术综合实训进度安排1．自动化技术综合实训安排时间为二周。题目在自动化技术综合实训之前约1个月公布，学生在拿到题目以后即可学习相关知识、查阅有关资料，做好前期准备工作。自动化技术综合实训时间分配如下表：序号内容学时安排（天）1布置任务，查阅资料及调研(前期工作)，分析控制要求，总体方案设计12系统选型及硬件设计13软件设计24程序及系统调试35绘制图纸、撰写和打印设计报告26设计答辩1合计10设计指导答辩地点：K2-314自动化综合实验室2．执行要求本次实训的设计与制作7个选题，每组不超过6人，为避免雷同，在设计中每个同学所采用的方案不能一样。四、自动化技术综合实训基本要求设计报告：不少于8000字，Ａ４幅面，统一复印封面。（1）封面、自动化技术综合实训任务书（2）摘要，关键词（中英文）目录（3）根据要求确定方案选择，并进行方案论证（4）论述系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图）（5）各模块的功能，原理，器件选择。（6）编写梯形图并进行程序设计和调试。（7）结果分析（8）对设计进行全面总结，写出自动化技术综合实训报告。（9）附录---参考文献五、自动化技术综合实训考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值设计考勤考勤、自行设计、按进度完成任务等情况10设计调试软硬件调试过程及完成情况40设计答辩回答问题等情况20设计报告完成情况、报告规范性、创新性、雷同率等情况3090～100分：优；80～89分：良；70～79分：中；60～69分，及格；60分以下：不及格六、自动化技术综合实训参考资料[1]张李冬主编.《过程控制技术及其应用》.北京：机械工业出版社[2]刘玉梅.《过程控制技术》.北京:机械工业出版社[3]孙洪程、翁唯勤编.《过程控制工程设计》.北京:化学工业出版社，2001,3[4]刘锴、周海主编.《深入浅出西门子S7-300PLC》.北京航空航天大学出版社，2004，8[5]梁锦鑫编.《WINCC基础及应用开发指南》.北京：机械工业出版社，2009，4[6]王廷才主编.《变频器原理及应用》.北京：机械工业出版社，2012，1[7]阳宪惠主编.《现场总线及应用》.北京：清华大学出版社，2008，10指导教师：汤立刚、皮大能2016年5月12日教研室主任签名：胡学芝2016年5月12日目录第1章系统总体方案选择与说明..................................1第2章系统结构与工作原理......................................3第3章各单元硬件设计说明及计算方法............................53.1控制系统概叙...........................................53.2模块介绍和设置..........................................53.2.1ADAM4017简介.....................................53.3模块初试化..............................................63.4执行器..................................................9第4章软件设计与说明.........................................134.1单容水箱液位PID控制系统..............................134.2组态编程及设备.......................................144.3组态王软件设计.......................................16第5章调试结果与必要的调试说明...............................20第6章使用说明...............................................22第7章总结...................................................22参考文献......................................................251第1章系统总体方案选择与说明在此次设计中主要是以单容水箱的液位控制系统为研究对象，设计的任务就是使水箱液位保持在给定值所要求的高度或在某一小范围内变化。实现水箱液位的自动调节和控制。整个系统可由测量元件及变送器、控制器、调节阀和被控对象组成一个简单控制系统，并且只对一个被控参数进行控制。由于单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便并且能满足一般的生产过程要求，在液位控制中得到了广泛地应用，所以单容水箱液位控制系统采用的就是单回路反馈控制。一般而言，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏，所以本次试验参数D设为0。因此本设计选择PID控制规律。系统采用的PID控制规律：积分比例微分被控对象+++u(t)e(t)r(t)-c(t)图1-1PID控制系统原理图液位控制中除了有模拟PID调节器外还可以采用计算机PID控制。计算机控制系统单容水箱液位控制系统2中除去检测、变送装置、执行机构等常用的模拟部件之外，其完成控制功能的核心是数字计算机，所以过程计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。液位传感器检测出水箱水位，水位的实际值是通过7017模块进行A/D转换，变成数字信号后输入计算机中；在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传到7024模块中，由7024将数字信号转换成模拟信号；最后，实现水位的计算机自动控制。系统结构过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图：给定值控制器执行器水箱水箱液位高度检测变送图1-2控制系统框图被控对象：水箱被控变量：水箱液位高度控制变量：水流量控制器：ADAM4000执行器：水泵，调节阀，电机检测变送：液位传感器单容水箱液位控制系统3第2章系统结构框图与工作原理单容水箱液位PID控制系统中液位过程如下图所示：进水阀出水阀水箱Q1Q2图2-1单容液位过程图2-2单容液位控制系统结构图单容水箱液位PID控制系统工作原理：单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，本系统属于是一个闭环反馈单回路液位控制，采用DDC控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达单容水箱液位控制系统4不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。水箱储水池水泵电动调节阀阀01阀10阀11阀18液位传感器计算机图2-3单容液位控制系统工艺流程图单容水箱液位控制系统5第3章各单元硬件设计说明及计算方法3.1控制系统概述AS3020子系统包括研华的ADAM4017、ADAM4024、ADAM4050或ADAM4060模块。24V直流电驱动，通过RS485转换网络到以太网，再将数据传到上位机。模块从左到右，地址分别为1，2，3。通讯波特率9600bps，注意无校验，数据位8，停止位1。校验和(checksum)必须选中，否则无法和组态王通讯。3.2模块介绍和设置3.2.1.ADAM4017简介ADAM4017是一个16位，8通道模拟量输入模块，它对每个通道输入量程提供多种范围，可以自行选择设定。这个模块用于工业操作和监测，其性价比很高。通过光隔离输入方式对输入信号与模块之间提供3000VDC隔离，而且具有过压保护功能。其结构如图3.1.1所示。单容水箱液位控制系统6图3.1.1ADAM4017模拟量输入模块ADAM4017提供信号输入，A/D转换，RS485数据通讯功能。使用一个16位微处理器控制的A/D转换器将传感器的电压或电流信号转换成数字量数据，然后转换为工程单位量。当上位机采集数据时，该模块就通过RS-485DP线传送到上位机。输入信号：电压输入：±150mV，±500mV，±1V，±5V，±10V电流输入：±20mA(需要并接一个125Ω电阻)ADAM4017应用连线如图3.1.2，3.1.3所示：图3.1.2ADAM4017差分输入通道0～5图3.1.3ADAM4017单端输入通道6～73.3模块初始化和初始化软件在对ADAM模块进行初始化之前，应将其固定好，通24V直流电，用DP线(RS-485→RS232转换器)或通过以太网同上位机连接，在上位机安装ADAM-4000UTILITY。并用RS485—232模块，将ADAM模块与上位机相连。ADAM-4000UTILITY主界面如图3.2.1所示：单容水箱液位控制系统7选中左侧端口，如COM1，在右侧设置对话框中设置端口：波特率：9600bps数据位：8停止位：1校验位：None模块初始化：每个模块出厂时都没有设置其设备地址，因此在初始化的时候，要逐个通电，逐个进行设置。将GND与INIT端短接，重新上电。打开A