工业过程控制.doc

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1、 工业过程控制 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目基于组态软件的压力单回路过程控制系统设计课题性质工程设计课题来源自拟课题指导教师熊新民主要内容选择一种合适的组态软件，使用实验室现有的过程控制设备，结合压力单回路过程控制系统的控制要求和设计原则，合理选用PID控制规律，设计一个组态功能合理，画面美观，组态控制程序完善的压力单回路过程控制系统。任务要求1. 根据压力单回路过程控制系统的具体被控对象和控制要求，正确选用过程仪表，独立设计压力单回路控制系统控制方案。2. 按说明书正确安装过程仪表和有关模块，并完成系统接线。3. 运用组态软件，合理设计压力单回路过程控制系统的组态画面，编写组态控

2、制程序。4. 分步投运系统，正确调整系统参数，使系统达到预期性能。5. 提交包括上述内容的课程设计报告。主要参考资料1 过程控制系统陈夕松，汪木兰北京：科学出版社，20052 过程控制工程邵裕森北京：机械工业出版社，20003 InTouch HMI9.5应用程序开发基础课程，Wonderware公司，20064 过程可视化组态软件InTouch应用技术马正午，周德兴北京：机械工业出版社，2006审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日目 录1 设计目的与设计要求11.1 设计目的11.2 设计要求12系统结构设计12.1 控制方案12.2 系统结构流程图22.3 控制规律选择22.4 PI

3、D控制算法流程图23. 过程仪表选择33.1 压力传感器33.2 变频器43.3 过程模块43.4电动调节阀53.5 其他设备54系统组态设计54.1组态图64.2 组态画面64.3数据词典74.4 应用程序94.5 动画连接104.6趋势曲线125 结论146 参考文献157 致谢15II1 设计目的与设计要求1.1 设计目的学会运用组态软件“组态王King View6.53”，并结合工业过程实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，应用PID算法，自行设计，构成压力单回路控制系统，并整定现相关的PID参数以使系统稳定运行，最终得到一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的压力单回路控制系统

4、。1.2 设计要求本系统利用变频器水泵对管道压力进行控制，使用组态软件实现控制监控，采用合理的PID控制规律，使管道的压力稳定在额定值附近，以达到整体系统稳定运行的效果。压力的测量范围为00.1Mpa，测量精度2，从而达到控制管道压力的目的。2系统结构设计2.1 控制方案根据控制要求，压力单回路控制系统的控制参数是管道的压力，测量便使用压力传感器，被控参数是变频器的功率，控制器是计算机，执行器是变频器水泵，所以压力单回路控制系统的结构框图如图2.1所示。图2.1 压力单回路系统结构框图2.2 系统结构流程图根据系统组成框图和组成的仪表单元，得到系统流程图如图2.2所示。图2.2 系统流程图2.

5、3 控制规律选择根据压力单回路控制系统的原理，为了取得较好的控制效果，本系统采用PID位置控制算法，其控制算式如下：u（k）=u(k-1)+KP(1+)e(k)-KP(1+)e(k-1)+KPe(k-2) =u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k-2)a0=KP(1+) a1= KP(1+) a2=KP 上式算式中，KP为比例系数，TI为积分时间，TD为微分时间，以u（k）作为计算机的当前输出值，以sp作为给定值，pv作为反馈值即AD设备的转换值，作为偏差。2.4 PID控制算法流程图 PID控制算法流程图如图2.3所示。图2.3 PID控制算法流程图3. 过程仪表选择3.1

6、 压力传感器压力传感器用来对管道中的压力进行检测，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，420mA标准信号输出，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便地与其他DDZ-X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。检测方法是通电预热15分钟后分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。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，是输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。3.2 变频器三菱FR-S520变频器，4-20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功耗小，功

7、能也非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，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。3.3 过程模块采用牛顿7000系列远程数据模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块。牛顿7000溪流模块体积小，安装方便，可靠性高。D/A模块采用牛顿7024，四通道模拟输出模块，电流输出420mADC，电压输出15VDC，精度14位。使用7024模块的1通道I01作为可控硅的电压控制通道。A/D模块采用牛顿7017，八通道模拟输出模块，电压输入15VDC。使用7024模块的4通道IN4作为温度信号检测输入通道。通信模块采用牛顿7520，RS232转换485

8、通讯模块，使用RS232/RS485双向协议转换，速度为300115200BPS，可长距离传输。控制回路中电磁阀的开关量输出模块用牛顿7043，16通道非隔离集电极开路输入模块。最大集电极开路电压30V，每通道输出电流100mA,可直接驱动电磁阀设备。组态王对设备的管理是通过对逻辑设备名的管理实现的，具体讲就是每一个实际I/0设备都必须在组态王中指定一个唯一的逻辑名称，此逻辑设备名就对应着I/0的生产厂家实际设备名称设备通信方式设备地址与上位计算机的通讯方式等信息内容。系统中与上位计算机进行数据交换外部的设备主要是AD设备牛顿7017模块和DA设备牛顿7024模块。在组态王软件工程浏览器中，设

9、置7017模块IM通道和7024模块I01通道名称分别为AD和DA，与计算机COM1串口通信，通信地址分别为0和1。3.4电动调节阀采用电动调节阀对控制回路的水的流量进行调节。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，启动电路采用高性能呢个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。控制单元与执行机构一体化，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。由输入控制信号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，泄露量少的优点。次啊用PS电子式直行程执行机构，420mA阀位

10、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，直线特性可快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。3.5 其他设备在控制回路中所涉及到的设备还有水泵，电磁阀，开关电源等。水泵采用丹麦格兰富循环水泵。噪声低，寿命长，扬程可达10米，功耗小，220V供电即可。在水泵出水口装有压力变频器，与变频器一起可构成恒压供水系统。所用到的电磁阀的工作电源为DC24V，管段能力强，使用方便，结构简单。所采用的24V开关电源最大电流为2A，满足系统需要。4系统组态设计组态王是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包

11、，该软件包从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中，同时负责把数据的变化用动画的方式想象的表示出来，还可以完成变量警报操作记录趋势曲线等监视功能，并按实际需要生成历史数据文件，它以Windows 98/ Windows 2000/ Windows XP中文操作系统平台，采用了实时多任务。它具有丰富的图库及图库开发工具，支持各种主流PLC智能仪表，板卡和现场总线等工控产品：有一种类似C语言的编程环境，便于处理各种算法和操作，还内嵌了许多函数供用户调用，实现各种功能。4.1组态图本压力单回路系统组态图如图4.1所示。图4.1 组态图4.2 组态画面本系统绘制的组态画面主要有开机画面，系统组成

12、画面等。开机画面主要显示课题题目，制作人姓名，班级等相关信息。画面上设置有两个提示按键，分别提示操作员进入主界面或退出操作系统等。系统主界面主要绘制的温度单回路控制系统的工艺组成图。包括水箱，管道，加热罐和阀门等设备以及相关的操作系统提示按钮等。基于动画连接，主界面可实现自动，手动切换，以及显示PID参数整定框和实时曲线框以方便操作员在线调节PID参数观察控制效果。系统主界面如下图4.2所示。图4.2 压力单回路控制系统组态图4.3数据词典 根据控制系统的需要建立数据词典，以便确定内存变量与I/O数据，运算数据的关系。只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。本系统中所涉及到的变量

13、的类型主要有AD,DA设备进行数据交换的I/O实型变量，控制电磁阀开关的I/O离散变量，用于定义开关动画连接的内存离散变量 ，参与运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型及内存整型变量等。具体的参数词典如下表4-1所示。表4-1变量定义表变量名变量类型ID连接设备寄存器$用户名内存字符串9$访问权限内存实型10$启动历史记录内存离散11$启动报警记录内存离散12$启动后台命令语言内存离散13$新报警内存离散14$双热机备状态内存整型15$毫秒内存实型16自动开头内存离散21PID内存离散22压力I/O实型23ADAI4Uk1I/O实型24DAAO1P内存实型25I内存实型26D内存

14、实型27sp内存实型28ukp内存实型29A0内存实型30A1内存实型31A2内存实型32Ekl内存实型33Ekl1内存实型34Ekl2内存实型35Ukl1内存实型36Ti内存实型37Td内存实型38调整跨度内存实型39卷动百分比内存实型40Ts内存实型42流水移动内存离散43移动内存整型44位置内存实型45位置1内存实型46位置2内存实型474.4 应用程序启动时：本站点T=20;本站点I=本站点T/本站点TS;本站点D=本站点T/本站点TS;本站点uKP=0;本站点uK1=0;本站点eK1=0;本站点eK11=0;本站点eK12=0;运行期间：If(本站点自动开关=1) 本站点TS=15;

15、 本站点I=本站点TI/本站点TS; 本站点D=本站点Td/本站点TS; 本站点a0=本站点P*(1+1/本站点I+本站点D);本站点a1=本站点P*(1+2*本站点D);本站点a2=本站点P*本站点D;本站点eK1=本站点sp-本站点温度;本站点uKP=本站点a0*本站点eK1-本站点a1*本站点eK11+本站点a2*本站点eK12+本站点uK1;本站点uK1=本站点uKP;本站点eK12=本站点eK11;本站点eK11=本站点eK1;if(本站点ukp1000) if(本站点ukp0)本站点uk1=0;else 本站点uk1=本站点ukp;else 本站点uk1=1000;关闭时：本站点u

16、KP=0;本站点uK1=0;本站点eK1=0;本站点eK11=0;本站点eK12=0;4.5 动画连接打开主界面，双击“开始”按钮，出现如图4.3的动画连接画面。在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图4.4所示的命令，再点击“确定”，就完成了“开始”按钮的动画连接设置。这样，点击“开始”后，系统就开始运行。 打开主界面，双击目前温度值下面的框，出现如图4.3所示的动画连接画面。在模拟值输出左边打钩，出现模拟值输出连接画面。点击表达式框右边的问号，选择变量“当前温度”。输出格式中设置整数位数为2，小数位数为1，显示格式设置为十进制，最后点击“确定”。这样，变量“当

17、前温度”的动画连接设置就完成了。4.3 动画连接图4.4开始按钮命令语言输入窗口图4.5 设定画面命令语言输入窗口其它动画连接与此类似，指示输入命令不同，一次完成动画连接就完成了系统的整体动画连接。4.6趋势曲线 趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线。在组态王中通过图库可方便的绘制曲线画面，在趋势曲线中可显示系统运行时各个主要变量的历史记录，可以查询以前任意时段的历史记录，还可设定查询的时间范围，显示某查询时间和改时间所对应的被控变量值等。实时趋势曲线可以自动卷动，以快速反应变量随时间的变化。在压力单回路控制系统中，趋势曲线所要表达的三个参数分别为计算机依据PID控制算法的输出值U(k)，系统

18、给定值SP和检测反馈值PV。实时曲线和历史趋势曲线分别如下图4.6和图4.7所示。图4.6 实时趋势曲线图4.7 历史曲线5 结论通过本次压力单回路过程控制系统设计，首先我感觉掌握一种开发软件对系统设计的重要性，使我对这个组态王软件有了一定的认识，学习和使用了它的一些强大的功能。其次，也是我更深刻的认识了在学习一个新的工具软件不能急于求成，一步一步的学起，才能更好的掌握这款软件。再次，我对工程设计中仪表的选择，PID值的设定，系统的调试等都有了全新的认识。尽管我们的设计方案离实际应用要求还相差一段距离，但是只有去做了这样一件事情才知道其中的苦与乐，才能知道自己的不足，才能提高自己。这次课程设计

19、中遇到了很多困难，我们通过网络查阅了大量资料，查参考书了解了许多专业开发人员的经验，觉得获益非浅。在设计的过程中，不但丰富了知识、锻炼了能力，而且养成了好的思维习惯，一种严谨的治学态度。我们认为如果要做一个好的工程师，经验、知识的储备是必要的，但更多的是要依据客户的要求不断完善产品，不断挑战自我。其次，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用工业系统的内部结构有一个系统的了解，知道该有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，这样为资料的保留和交流提供了方便。在这

20、次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习组态王软件更是如此，理论知识只有在不断地运用过程中才能提高，这就是这次课程设计的最大收获。最后，希望学校以后能有更多的类似设计，为我们提供更多练习的机会，让我们得到更好的锻炼！6 参考文献1陈夕松，汪木兰过程控制系统北京科学出版社，20052 邵裕森过程控制工程北京：机械工业出版社，20003 Wonderware公司InTouch HMI9.5应用程序开发基础课程 20064 马正午，周德兴过程可视化组态软件InTouch应用技术北京：机械工业出版社，20065施仁，刘文江.过程控制M.北京

21、：电子工业出版社，1991.179-184.6 郭锁凤，计算机控制系统M，北京：航空工业出版社，19877 陶永华，新型PID控制及其应用M，北京：机械工业出版社，20008 侯志林，过程控制与自动化仪表M，北京：机械工业出版社，19999 刘伯春,智能PID调节器的设计与应用J，电气自动化，1995(3)18-2110 谢新民,具有专家系统的PID调节器J，自动化与仪器仪表，1992(4)4-711 组态王软件及其说明文件7 致谢这次基于组态软件的压力单课程设计，虽然并不尽善尽美，但它已能完成系统的控制要求。本次课程设计的顺利完成，得到了许多人的帮助。首先我要感谢熊新民老师和任胜杰老师在课程设计上给我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能够顺利完成这次课程设计的主要原因；其次我要感谢我们这个团队，正是因为我们集体的配合，共同努力才能够使这次设计顺利完成；同时也感谢学院为我提供了良好的设计环境。最后，再次感谢熊新民教授对我们的热心指导，并给我们此次设计提出许多宝贵的意见，使得我们课程设计中遇到的许多难题迎刃而解。15