基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计

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：自动1002学生姓名：学号：指导教师：王伟生设计地点：31520设计时间：2013-6-24～2013-7-7设计成绩：指导教师：本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。1学生姓名毛英杰专业班级自动1002学号201046820507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]辅导资料审查意见指导教师签字：年月日2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。关键词：控制系统单回路串级控制3目录1引言..............................................................42系统结构设计......................................................42.1控制方案........................................................................................................................42.2控制规律.......................................................................................................................53过程控制仪表的选择................................................53.1液位传感器...................................................................................................................53.2电磁流量传感器电磁流量转换器.....................................................................63.3电动调节阀...................................................................................................................73.4变频器............................................................................................................................73.5水泵................................................................................................................................83.6模拟量采集模块..........................................................................................................83.7模拟量输出模块..........................................................................................................93.8通信转换模块..............................................................................................................94系统组态设计......................................................94.1系统工艺流程图..........................................................................................................94.2组态画面.....................................................................................................................104.3数据字典.....................................................................................................................124.4PID控制算法.............................................................................................................13设计心得......................................................................................................................................15参考文献...........................................................16附录A系统脚本程序...............................................1741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。5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。3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6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。DBYG扩散硅压力传感器如图3.1所示。图3.1DBYG扩散硅压力传感器使用时，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电磁流量传感器电磁流量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%。73.3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，外形如图3.2所示。图3.2PSL202型的智能电动调节阀控制电路与电动执行机构一体化，