1、基于组态软件的液位单回路过程控制系统设计DOC 工业过程控制课程设计题 目:基于组态软件的液位单回路过程控制系统设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 自动化11xx 学生姓名： xxxxxx 学 号： 2011239103xx 指导教师： xxxxxxx 设计地点： 设计时间： 2014.6.23 2014.7.4 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
2、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系统结构的设计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。简单控制系统一般是单回路控制系统，由于其结构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基本的一种控
3、制系统。一个单回路反馈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行的 ，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。选择合适的比例度、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，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较好的控制效果。PID 调节器构成的闭环控制回路一般原理如
4、图1 所示图1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。比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。是最基本的控制规律。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、不允许被控变量存在余差的场合。比例微分控制引入了微分作用，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，
5、将可能使系统产生振荡，甚至失控。比例积分微分控制综合了比例、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达到平衡状态，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PID控制规律。2.2控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。系统根据反馈值调节阀门的开度。系统示意图如图2所示： 图2 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
6、择液位传感器用来对上水箱和下水箱的液位进行检测，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、低功耗的精密器件，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调节阀对控制回路流量进行调节。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
7、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，组成最佳调节回路。有输入控制信号420mA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，420mA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，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等特点。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，420mA控制信号输入，可对流量或
8、压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，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200Hz。3.2 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nudan7024；通讯模块采用nudan7520。4 系统安装接线设计I/O接线:实验中DA模块中IO0为控制调节阀开度的控制通道，IO1为可控硅的电压控制通道，IO2为变频器的控制通道。AD模块中IN1为水箱液位的检测，IN5是阀位反
9、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系统组态流程图设计根据测试要求，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），如果进入手动状态，则打开阀门，可以设定给定值SP和阀门开度控制Uk0来控制水箱水位，手动控制直到达到工艺要求；如果选择自动状态，打开所有阀门，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5.2.2数据词典5.3 应用程序PID运行程序EI=SV-PV;if(I1=0)Q1=0;Q0=P1*(EI-EI1);if(I1!=0)Q1=P1*EI*0.2/I1;Q2=P1*D1*(EI-2*EI1+EI2)/0.2;MX=Q0+Q1+Q2;OP11=OP11+MX;
