2022年基于组态软件的双容液位单回路过程控制系统设计.docx

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1、精品学习资源过程掌握系统课程设计题 目:基于组态软件地双容液位单回路掌握系统设计院系名称：电气工程专业班级：自动化 1105同学姓名：李郡波 学 号：202123910811指导老师：马利冯肖亮设计地点：31520设计时间：6 月 26 日-7 月 6 日设计成果：指导老师：本栏由指导老师依据大纲要求审核后，填报成果并签名.过程掌握课程设计任务书同学姓名李郡波专业班级自动化 1105学号2021239108011题 目基于组态软件地双容液位单回路过程掌握系统设计课题性质课题来源自拟题目欢迎下载精品学习资源指导老师欢迎下载精品学习资源主要内容通过某种组态软件，结合试验室已有设备，依据定值系统地掌

2、握要求，根据较快较稳地性能要求，采纳单闭环掌握结构和PID 掌握规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态掌握程序地双容液位单回路过程掌握系统.欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源任务要求1. 依据双容液位单回路过程掌握系统地详细对象和掌握要求，独立设计掌握方案，正确选用过程外表.2. 依据双容液位单回路过程掌握系统A/D 、D/A 和开关 I/O 地需要，正确选用过程模块 .3. 依据与运算机串行通讯地需要，正确选用RS485/RS232 转换与通讯模块 .4. 运用组态软件，正确设计双容液位单回路过程掌握系统地组态图、组态画面和组态掌握程序 .5. 提交包括上述内容地课程设计报告.欢

3、迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源主要参考资料1 组态王软件及其说明文件2 邵裕森过程掌握工程北京：机械工业出版社20003 过程掌握教材4 辅导资料欢迎下载精品学习资源审查看法指导老师签字：年月 日欢迎下载精品学习资源摘要过程掌握就是对工业生产过程地自动掌握，它采纳测量外表、执行机构和运算机等自动化工具设计掌握系统实现生产过程自动化.流量单回路掌握系统就是采纳运算机、传感器等设备对水箱地水位进行掌握使其带到预期地状态.组态王开发监控系统软件，是新型地工业自动掌握系统，它以标准地工业运算机软、硬件平台构成地集成系统取代传统地封闭式欢迎下载精品学习资源系统 .关键词：过程掌握工业 流量 组态

4、王目 录1 设计目地52 掌握要求53 系统结构设计5欢迎下载精品学习资源3.1 掌握方案53.2 掌握规律63.3 过程外表及过程模块63.3.1 液位变送器33.3.2 电动调剂阀73.3.3 变频器93.3.4 水泵93.3.5 模拟量采集模块103.3.6 模拟量输出模块113.3.7 通信转换模块113.3.8 开关电源113.4 硬件连接114 系统组态设计134.1 组态软件介绍134.2 系统流程图144.3 数据词典144.4 组态画面154.5 动画连接164.6 PID 掌握算法流程图17结 论18参 考 文 献18附录 程序代码19欢迎下载精品学习资源1 设计目地（1）

5、 ） 加深对过程掌握系统基本原理地懂得和对过程外表地实际应用才能.（2） 培育运用组态软件和运算机设计过程掌握系统地实际才能.2 掌握要求（1） 能依据详细对象及掌握要求，独立设计掌握方案，正确选用过程外表.（2） 能够依据过程掌握系统A/D 、D/A 和开关 I/O 地需要，正确选用模块 .（3） 能依据与运算机串行通讯地需要，正确选用RS485/RS232 转换与通讯模块 .（4） 能运用组态软件，正确设计过程掌握系统地组态图、组态画面和组态掌握程序.3 系统结构设计3.1 掌握方案串级掌握系统是一种常见地复杂掌握系统，它是依据系统结构命名地.一、基本原理： 它是由两个或者两个以上地掌握器

6、串联而成地，一个掌握器地输出是另一个掌握器地地给定值 .二、结构：整个系统包括两个掌握回路，即主回路和副回路.主回路有主掌握器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副掌握器、掌握阀、副对象和副变送器构成.三、 特点：与简洁掌握系统相比，串级掌握系统由于在结构上增加了一个副回路，所以有以下特点 1 、对于进入副回路地扰动具有较快、较强地克服才能.2 、改善主掌握器地广义对象地特性 .3 、对符合和操作条件地变化有肯定地自适应才能.4、副回路可以依据主回路地需要更精确地掌握操纵变量地质量流和能量流.四、应用场合： 1、用于克服变化猛烈地和幅值大地干扰.2、用于时滞较大地对象.3、用于容量之后较

7、大地对象.4、用于克服对象地非线性 .本掌握系统中，被控参量有两个，上水箱地液位和下水箱地液位，这两个参量具有相欢迎下载精品学习资源x1tf1tf2tx1tetutgtqtyt运算机运算机调剂阀液位液位z1tz2t液位变送器液位变送器关关系 .上水箱地液位可以影响下水箱地液位，依据上下水箱地液位相关关系，故系统采纳地串级掌握 .其中，内环掌握上水箱地液位，外环掌握下水箱地液位，系统远行使下水箱地液位跟随给定值，系统框图如下图 3.1 所示图 3.1双容液位单回路掌握系统框图3.2 掌握规律本设计采纳地是工业掌握中最常用地PID 掌握规律，内环与外环地掌握算法采纳PID 算法， PID 算法实现

8、简洁，掌握成效好，系统稳固性好，外环PID 地输出作为内环地输入，内环跟随外环地输出.在工程实际中，应用最为广泛地调剂器掌握规律为比例、积分、微分掌握，简称PID 掌握，又称 PID 调剂 .它结构简洁，参数易于调整，在长期地应用中积存了丰富地体会 .其主要特点是：1技术成熟； PID 调剂是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛地掌握方法，它地结构敏捷，不仅可实现常规地PID 调剂，而且仍可依据系统地要求，采纳PI、 PD、带死区地 PID 掌握等； 2 不需求出系统地数学模型；3掌握成效好 .虽然运算机掌握是非连续地，但由于运算机地运算速度越来越快，因此用数字PID 完全可代替模拟调剂器，并

9、且能得到比较中意地成效.3.3 过程外表及过程模块本设计中共用到了以下过程外表和过程模块：3.3.1 液位变送器液位传感器是用来上位水箱和下位水箱地液位进行检测，采纳工业用地DBYG扩散硅欢迎下载精品学习资源压力变送器，本变送器按标准地二线制传输，采纳高品质，低功耗精密器件，稳固性和可靠性大大提高 .可便利地与其他DDZ IIIX型外表互换配置，并能直接交换同类外表.校验地方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值.在零压力下调整零电位器 .使输出电流为 4mA，在满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，由于二线制，故工作时需串联24V

10、 直流电源 .液位传感器用来上水位箱和中水位箱地水位进行检测，采纳工业用地DBYG 扩散硅压力变送器，精度为0.5 级，二线制 4 20mA 标准信号输出 .图 3.2 液位传感器图 3.3 压力传感器3.3.2 电动调剂阀调剂阀用于调剂介质地流量、压力和液位.依据调剂部位信号，自动掌握阀门地开度，从而达到介质流量、压力和液位地调剂.调剂阀分电动调剂阀、气动调剂阀和液动调剂阀等.欢迎下载精品学习资源调剂阀由电动执行机构或气动执行机构和调剂阀两部分组成.调剂并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通才能大、不平稳办小和操作稳固地特点，所以通常特殊适用于大流量、高压降和泄漏少地场合.德国

11、PS 公司进口地 PSL202 型智能电动调剂阀， PS系列电子式执行机构可以用于对管道地阀门和风门地调剂及开与关地掌握，其主要特点如下：一体化结构设计，位置变送器和伺服放大器作为两个独立部件均可直接装入执行机构内部，直接接受4 20mA 地掌握信号，输出4 20mA 或者 1 5VDC 地阀位反馈信号，具有自诊断功能，使用和调校特别便利.功能模块式结构设计，通过不同可挑选功能地组合， 实现从简洁到复杂地掌握，满意不同地应用要求.结构简洁，体积小巧，重量轻，便于安装和爱护，机械零件全部采纳CNC 加工部件，工艺精深 .传动全部采纳小齿隙密封齿轮，具有效率高，噪声低，寿命长和稳固牢靠，无需再加油

12、等特点 .具有多种运行速度，可以满意各种掌握系统地要求，以保证系统地快速响应及稳定性 .PSL 系列同阀门地连接采纳松软盘黄连接，可防止阀杆与输出轴不同轴给阀门带来地影响，可预置阀门关断才能保证阀门地牢靠关断，防止泄露.PSQ 系列有转矩开关爱护，可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆.驱动电机采纳高性能稀土磁性材料制作地高速度同步 电机，运行平稳，具有体积小、转矩大、抗堵转、掌握精度高等特点.可设置分段调剂，即由一台调剂器输出地双时间比例信号掌握两台执行机构（4 12mA 对应 PSL1 地全开全闭， 12 20mA 对应 PSL2 地全开全闭）阀位反馈元件全密封高精度多圈电位器，具有体积小、精

13、度高、死区小、使用寿命长等特点.行程可调，便于与阀门连接.全部电器元件均采纳世界名牌产品，质量牢靠，使用时间长.电器部件布线严谨并传动部件完全隔离，提高执行机构运行性地牢靠.欢迎下载精品学习资源图 3.4 电动调剂阀3.3.3 变频器变频器是利用电力半导体器件地通断作用将工频电源变换为另一频率地电能掌握装置. 变频器实际上就是一个逆变器.它第一是将沟通电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行 开关 .变为沟通电 .一般功率较大地变频器用可控硅. 并设一个可调频率地装置.使频率在肯定范畴内可调 .用来掌握电机地转数.使转数在肯定地范畴内可调.变频器广泛用于沟通电机地 调速中 .变频调速技术是现代

14、电力传动技术重要进展地方向，随着电力电子技术地进展，交流变频技术从理论到实际逐步走向成熟.变频器不仅调速平滑，范畴大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能成效明显，所以应用越来越广泛.三菱 FR-S520 变频器， 4-20 掌握输入信号，可对流量或者压力进行掌握，该变频器体积小，功率小，功能特别强大，运行稳固安全牢靠，操作便利，寿命长，可外加电流掌握，也可通过本身旋钮掌握频率.可单相或者三相供电，频率可高达200HZ.图 3.5 变频器3.3.4 水泵水泵是一种利用大气压强将低处地水汲往高处地机器,多半是以电动机作为动力.抽水地电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力, 即把原动机

15、地机械能变为液体能欢迎下载精品学习资源量从而达到抽送液体目地地机器统称为泵.这里采纳丹麦格兰富循环水泵.不会影响老师授课削减麻烦 .功耗低， 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 .图 3.6 水泵3.3.5 模拟量采集模块模拟量输入模块可测量多通道沟通电压、电流输入信号.测量精度： 0.2 级.16 位 A/D 循环采样，采样速率： 3000 次/S； 1.2 倍量程可正确测量，过载2 倍量程输入 1S 不损坏；隔离电压 1000VDC. 模拟量输出模块输出标准电流信号，可用于驱动继电器、开关等.这用A/D 牛顿 7017 模块 8 路模拟电压（ 1

16、-5V ）欢迎下载精品学习资源3.3.6 模拟量输出模块D/A 牛顿 7024 模块 4 路模拟输出，电流4 20mA 电压（ 1 5V ）信号均可 .3.3.7 通信转换模块485/232 转换牛顿 7520 模块，转换速度极高（300115KHz ）， 232 口可长距离传输 .图 3.7 牛顿模块示意图3.3.8 开关电源DC24 地开关电源，最大电流为2A ，可以满意试验要求 .3.4 硬件连接本系统中， D/A模块中地 IO0 接口为掌握器调剂阀开度地掌握通道，IO1 为可控硅地电压掌握通道， IO2 为变频器地掌握通道 .A/D 模块中， IN0 为上水箱液位地检测， IN1 为下

17、水箱液位地检测， IN2 为主流量地检测，IN3 误为副流量地检测， IN4 为温度信号地检测，IN5 为阀位反馈信号地检测，IN6 为水泵出口压力信号地检测.在 D/A 模块中，由于模块本身不能供应电源，所以在掌握时应串入 24V 直流电源，输出电流信号掌握执行器，AGND为 D/A 模块公共地 .由于变送器输出地都是电流信号，而A/D 模块输出地都是电压信号，所以在A/D 通道地正负端并联一个250 欧姆地电阻，将电流信号转换成电压信号.系统采纳地液位变送器，压力变送器都是二线制地，在检测液位工作时要串入DC24V电源 .连接图如图 3.8 所示：欢迎下载精品学习资源图 3.8 上水箱特性

18、测试试验接线图接线要求：（ I/O 对应关系表）（1）上水箱液位地检测输出-A/D模块中， IN0 通道输入（2）下水箱液位地检测输出-A/D模块中， IN1 通道输入（3）主流量地检测输出-A/D模块中， IN2 通道输入（4）副流量地检测输出-A/D模块中， IN3 通道输入（5） 温度信号地检测输出-A/D 模块中， IN4 通道输入（6） 阀位反馈信号地检测输出-A/D 模块中， IN5 通道输入（7） 水泵出口压力信号检测输出-A/D 模块中， IN6 通道输入（8） 主调剂阀开度地掌握输入-D/A 模块中地 IO0 通道输出（9） 可控硅地电压掌握输入-D/A 模块中地 IO1 通

19、道输出(10) 变频器地输入 -D/A模块中地 IO2 通道输出(11) 副调剂阀开度地输入 -D/A 模块中地 IO3 通道输出(12) 模块之间用 RS485 总线连接(13) 模块与运算机通讯： RS232 通讯总线 .欢迎下载精品学习资源4 系统组态设计4.1 组态软件介绍随着工业自动化水平地快速提高，运算机在工业领域地广泛应用，人们对工业自动化地要求越来越高，种类繁多地掌握设备和过程监控装置在工业领域地应用，使得传统地工业掌握软件已无法满意用户地各种需求.在开发传统地工业掌握软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必需修改其掌握系统地源程序，导致其开发周期长；已开发胜利地工控软件又由于每

20、个掌握工程地不同而使其重复使用率很低，导致它地价格特别昂贵；在修改工控软件地源程序时，如果原先地编程人员因工作变动而离去时，就必需同其他人员或新手进行源程序地修改，因而更是相当困难.通用工业自动化组态软件地显现为解决上述实际工程问题供应了一种崭新地方法，由于它能够很好地解决传统工业掌握软件存在地种种问题，使用户能依据自己地掌握对象和掌握目地地任意组态，完成最终地自动化掌握工程.组态（ Configuration ）为模块化任意组合.通用组态软件主要特点有（1）连续性和可扩充性 .用通用组态软件开发地应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生转变时，不需作很多修改而便利地完成软件地

21、更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成地功能都用一种便利用户使用地方法包装起来，对于用户，不需掌 握太多地编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求地 全部功能；（ 3）通用性，每个用户依据工程实际情形，利用通用组态软件供应地底层设备（PLC 、智能外表、智能模块、板卡、变频器等）地I/O Driver 、开放式地数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画成效、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能地工程，不受行业限制.最早开发地通用组态软件是DOS 环境下地组态软件，其特点是具有简洁地人机界面（ MMI ）、图库、绘图工具箱等

22、基本功能.随着 Windows地广泛应用， Windows 环境下地组态软件成为主流 .与 DOS 环境下地组态软件成为主流.与 DOS 环境下地组态软件相比，其最突出地特点是图形功能有了很大地增强.国外很多优秀通用组态软件是在英文状态下开发地，它具有应用时间长、用户界面不抱负、不支持或不免费支持国内普遍使用地硬件设 备、组态软件本身费用和组态软件培训费用昂扬等因素，这些也正是国内通用组态软件在国内不能广泛应用地缘由.随着国内运算机水平和工业自动化程度地不断提高，通用组态软件地市场需求日益增大.近年来，一些技术力气雄厚地高科技公司相继开发出了适合国内使欢迎下载精品学习资源用地通用组态软件 .4

23、.2 系统流程图系统流程图如图4.1 所示：P-73P-78P-84P-88P-8709P-82V-11V-12P-91P-90HBV-10运算机调剂阀HBP-89FT电磁泵贮水池V-13图 4.1 系统流程图4.3 数据词典数据词典如图4.3 所示：欢迎下载精品学习资源图 4.3 数据词典4.4 组态画面在液位液位 PID 掌握系统中，以液位为被控量.其中，测量电路主要功能是测量对象地液位并对其进行归一化等处理；PID 掌握器是整个掌握系统地核心，它依据设定值和测量值地偏差信号来进行调剂，从而掌握双容水箱地液位达到期望地设定值.单回路调剂系统可以满意大多数工业生产地要求，只有在单回路调剂系统

24、不能满意生产更高要求地情形下，才采纳复杂地调剂系统.组态画面如图 4.4所示，其设计原理可见图4.1系统流程图 .欢迎下载精品学习资源图 4.4组态画面4.5 动画连接第一依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成动画连接，最终在工程浏览界面中地命令语言中输入程序，即完成了动画.如图 4.5 动画连接示例图1 所示为，系统未起动时地动画成效，其中各参数均没有设定.图 4.6 动画连接示例图 2 与图 4.7 动画连接示例图 3 分别为系统运行时地动画连接图，由于参数不同时所显示不同地动画成效和曲线.当系统运行时，第一设定PID 调剂参数，依据要求设定给定值，观看连接图，依

25、据需要调剂 PID 参数 .最给达到所要地稳固地掌握成效.欢迎下载精品学习资源4.6 PID 掌握算法流程图取 sp , pv 形成偏差 ek做 a2ek-2 - a1ek-1+a0ek取 a0 , ek做乘法做 a2ek-2 - a1ek-1+a0ek+uk-1取 a1 , ek-1做乘法输出 uk取 a2 , ek-2做乘法数据传送： uk uk-1做a2ek-2减 a1ek-1数据传送： ek ek-1ek-1 ek-2图PID 掌握算法流程图欢迎下载精品学习资源结 论经过一个多星期地努力，最终终止了课程设计,学会了好多东西，特殊是对组态王软件地熟悉与明白及应用 ,又会了一种功能强大地软

26、件，在此我特别感谢老师与同学们地支持与帮忙 .并且学会了如何去设计一个过程掌握系统，把握了基本地设计步骤.明白到，一般情形下，它都要经过一下几个步骤：认知被控对象、设计掌握方案、挑选掌握规律、挑选过程外表、挑选过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等，直到最终地动画链接胜利，并达到掌握要求.经过以上步骤，我对整个过程掌握系统地设计有了很深地体会，也学会了很多与设计相关地学问.参 考 文 献1 邵裕森 . 过程掌握工程 M. 北京 :机械工业出版社 ,2000欢迎下载精品学习资源2 姜秀英 . 过程掌握系统实训M. 北京 :化学工业出版社 ,20073 金以慧 . 过程掌握

27、 M. 清华高校出版 ,19934 孙洪程 . 过程掌握工业设计M. 化学工业出版社,20015 冯品如 . 过程掌握工程 M. 中国轻工业出版社,19956 王爱广 . 过程掌握技术 M. 化学工业出版社 ,20057 陈夕松 . 过程掌握系统 M. 科学出版社 ,2005附录 程序代码本站点 主控开关 = 1本站点 水泵开关 = 1；欢迎下载精品学习资源本站点 水流量大小本站点 电动阀开度；本站点 副水箱液位本站点 水流量大小本站点 时间本站点 时间/200；本站点 主水箱液位本站点 副水箱液位本站点 时间本站点时间 /200；本站点 时间本站点 时间 +1；本站点 主回路偏差本站点 主水

28、箱设定水位本站点 主水箱液位；本站点 主回路掌握量本站点 主水箱液位本站点 主回路比例系数本站点 主回路偏差本站点 主回路偏差本站点 主回路积分系数本站点 主回路偏差本站点 主回路微分系数本站点 主回路偏差本站点 主回路偏差本站点 主回路偏差 2 ；本站点主回路偏差本站点主回路偏差 0；本站点主回路偏差本站点主回路偏差 1；本站点 副回路偏差本站点 主回路掌握量本站点 副水箱液位；本站点 电动阀开度本站点 副水箱液位本站点 副回路比例系数本站点 副回路偏差本站点 副回路偏差本站点 副回路积分系数本站点 副回路偏差本站点 副回路微分系数本站点 副回路偏差本站点 副回路偏差本站点 副回路偏差 2 ；本站点副回路偏差本站点 副回路偏差 0；本站点副回路偏差本站点 副回路偏差 1；else本站点 电动阀开度 =0；本站点 水泵开关 = 0；本站点 时间=0 ；本站点 水流量大小 =0；欢迎下载精品学习资源本站点 电动阀开度 =0；欢迎下载