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1过程控制系统课程设计题目:基于组态软件的液位—流量串级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:7.8指导教师:设计成绩:指导教师:2学生姓名专业班级学号题目基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计课题性质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,采用双闭环控制结构和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液位—流量串级过程控制系统。任务要求1.根据液位—流量串级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—流量串级过程控制系统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—流量串级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3摘要随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。在这种情况下,简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求,因此就提出了串级控制方案。串级控制具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有很多单回路控制系统所没有的优点。因此,串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好,而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现,所以,串级控制是一种易于实现且效果又极好的控制方法。单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式,它只用一个调节器,调节器也只有一个输入信号,从系统方框图看,只有一个闭环。在大多数情况下,这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。但有些调节对象的动态特性虽然并不复杂,但控制的任务却比较特殊,则单回路控制系统就无能为力了。另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此,需要在单回路的基础上,采取其它措施,组成复杂控制系统,而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数,对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数T一般很大,因此有很大的容积迟延,如果用单回路控制系统来控制,可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现,成本增加也不大,却可以起到十分明显的提高控制质量的效果,因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。一般情况下,流量是影响液位的主要因素,其时间常数较小,将它纳入副回路进行控制,不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰,而且使系统工作频率提高,能够对液位实行较快的控制。关键词:控制系统单回路串级控制4目录1引言…………………………………………………………………………………52系统结构设计………………………………………………………………………52.1控制方案……………………………………………………………………52.2控制规律……………………………………………………………………63过程控制仪表的选择………………………………………………………………73.1液位传感器…………………………………………………………………73.2电磁流量传感器和转换器…………………………………………………73.3电动调节阀…………………………………………………………………73.4变频器………………………………………………………………………83.5水泵…………………………………………………………………………83.6模拟量采集模块……………………………………………………………83.7模拟量输出模块……………………………………………………………83.8通信转换模块………………………………………………………………84系统组态设计………………………………………………………………………94.1系统工艺流程图……………………………………………………………94.2组态连接…………………………………………………………………94.3组态画面…………………………………………………………………104.4数据字典…………………………………………………………………114.5PID控制算法……………………………………………………………12设计心得……………………………………………………………………………14参考文献……………………………………………………………………………15附录A系统脚本程序……………………………………………………………1651引言过程控制是根据工业生产过程的特点,采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具,应用控制理论,设计工业生产过程控制系统,实现工业生产过程的自动化。过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送环节等组成。在工业过程控制系统中,单回路控制系统约占一半以上,但是单回路控制系统适用于控制要求不高的场合。对于某些控制要求比较高的场合,单回路控制系统却远远不能满足控制要求,因此就提出了串级控制系统。串级控制系统是采用两个控制器串联工作,主控制器的输出作为副控制器的设定值,由副控制器的输出去操纵调节阀,从而对主被控变量具有更好的控制效果。与单回路控制系统相比,串级控制系统在结构上增加了一个副回路,对进入副回路的扰动有很强的抑制作用;同时由于副回路的存在,改善了系统的动态性能,提高了系统的工作频率,并且使系统具有一定的自适应能力。组态软件是应用软件中提供的工具、方法来完成工程中某一具体任务的软件。组态软件提供了监控层的软件平台和开发环境,通过灵活的组态方式,可以快速构建工业自动控制系统监控功能。同时,组态软件具有实时性和多任务性,可以在一台计算机上同时完成数据采集、信号数据处理,数据图像显示、人机对话、历史数据查询等多个任务。本设计利用过程仪表和计算机,结合组态王6.53软件设计人机交互界面,设计实现水箱液位—流量串级控制系统。同时,在组态软件中实现动画显示、实时曲线显示等功能。2系统结构设计2.1控制方案在本系统中,被控参量有两个,上水箱液位和管道流量,这两个参量具有联系,流量的大小可以影响上水箱的液位,根据流量与液位之间的关系,采用液位—流量串级控制,系统框图如图2.1所示:6计算机计算机调节阀流量流量变送器X1(t)e(t)液位变送器液位X2(t)u(t)g(t)q(t)y(t)f1(t)f2(t)Z1(t)Z2(t)图2.1液位—流量串级控制系统框图在图2.1中,副回路为流量控制回路,主回路为液位控制回路。主回路液位控制器的输出作为副回路流量控制器的设定值,副回路流量控制器的输出来控制调节阀的大小,控制管道流量的大小,进而控制上水箱液位。2.2控制规律本设计采用工业过程控制中最常用的PID控制规律。在工程实际中,应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制,即PID控制,其结构简单,参数易于调整,在长期的应用中积累了大量丰富的经验。主回路与副回路的控制算法均采用PID算法。PID算法实现简单,控制效果好,系统稳定性好。主回路PID的输出做为副回路的输入,副回路跟随主回路的输出。PID控制的技术成熟,结构灵活,不仅可以实现常规的PID调节,而且还可以根据系统要求,采用PI、PD、带死区的PID控制等。PID控制不需要求出系统的数学模型,控制效果好。虽然计算机控制是非连续的,但由于计算机的运算速度越来越快,因此用数字PID完全可以代替模拟调节器,并且能够取得比较满意的效果。73过程控制仪表的选择3.1液位传感器液位传感器用来对水箱液位进行测量检测,采用工业用的DBYG扩散硅压力传感器。DBYG扩散硅压力传感器按标准的二线制传输,采用高品质、低功耗的精密器件,稳定性和可靠性高,可以方便的与其他DDZ—X型仪表互换配置。使用时,要对其进行校验。校验的方法是通电预热15分钟后,分别在零压力和满量程压力下检测输出电流。在零压力下调整零电位器,使输出电流为4mA;在满量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,因为采用二线制,因此工作时需要串接24V直流电源。3.2电磁流量传感器和转换器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。根据本系统装置的特点,选用工业用的LDS—10S型电磁流量传感器,其公称直径为10mm,流量0—0.33m/h,压力为1.6Mpamax,4—20mA标准信号输出。该传感器采用整体焊接结构,密封性能良好,结构简单可靠,内部无活动部件,抗干扰性能好,零点稳定。另外,可与显示、记录仪表、计算器或者调节器配套,避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点。流量转换器采用LDZ—4型电磁流量转换器,与LDS—10S型电磁流量传感器配套使用。其输入信号为0—0.4mV,输出信号为4—20mADC,允许负载电阻为0—750Ω,基本误差为输出信号量程的0.5%。3.3电动调节阀电动调节阀用于对控制回路的流量进行调节,本设计选用PSL202型的智能电动调节阀,无需配置伺服放大器。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.控制电路与电动执行机构一体化,可靠性好,操作方便,并可以与计算机配套使用,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,实现对流量的调节,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,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8接,可预置阀门关断力,保证阀门的可靠关断,防止泄露。3.4变频器本系统选用三菱FR—S520变频器,输入控制信号为4—20mA,可以对流量或者压力进行控制。该变频器具有体积小,功率小,功能强大,运行稳定安全可靠等优点。同时,可以外加电流控制,也可以通过自身旋钮控制频率,可以单相或者三相供电,频率高达200Hz.3.5水泵采用丹麦格兰富循环水泵。该水泵噪音低,寿命长,功率小。同时,支持220V电压供电,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。3.6模拟量采集模块本系统采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集、输出和通讯过程模块。牛顿7000系列模块体积小,安装方便,可靠性高等优点.模拟量采集模块采用牛顿7017,该模块为八通道模拟输入模块,电压输入为1~5VDC。在连接过程中,使用7024模块的1通道IN1作为上水箱液位信号检测输入通道。3.7模拟量输出模块模拟量输出模块采用牛顿7024,该模块为四通道模拟输出模块,电流输出为4~20mADC,电压输出为1~5VDC。同时,使用7024模块的1通道I01作为管道流量的电压控制通道。3.8通信转换模块通信模块采用牛顿7520,RS232转换485通讯模块。使用RS-232/RS485双向协议转换,转换速度为300~115200bps,可以进行长距离传输。94系统组态设计4.1系统工艺流程图水箱液位—流量串级控制系统的工艺流程图如图4.1所示:水泵FTLTLCFC设定值储水箱上水箱A/DA/DD/A图4.1水箱液位—流量串级控制系统的工艺流程图副回路为流量检测,主回路为液位检测。主回路控制器的输出做为副回路控制器的设定值,副回路控制器的输出去控制调节阀,改变管道内水的流量,进而控制上水箱的液位。4.2组态连接首先根据系统流程图在系统开发界面画好组态图面,然后对各个器件逐一完10成动画连接,最后在工程浏览界面中的命令语言中输入程序,即完成了动画。当系统运行时,首先设定PID调节参数,根据要求设定给定值,观察连接图,根据需要调节PID参数。最给达到所要的稳定的控制效果。4.3组态画面系统组态画面如图4.2所示:11图4.2系
本文标题:基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计
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