基于组态软件的压力单回路过程控制系统设计

过程控制系统

课程设计

题 目:基于组态软件的压力单回路过程控制系统设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计地点： 设计时间： 2015.06.25-2014.07.09

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。

摘 要

过程控制就是对工业生产过程的自动控制，一般的理解就是指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，设计控制系统，实现工业生产过程自动化。一个典型的单回路控制系统一般由控制器，执行器，被控过程和测量变送等4个部分组成，过程控制系统的实质是反馈，而在工程控制系统中采用单回路控制系统和串级控制系统占过程控制总量的80%，这次课程设计旨在研究压力单回路控制系统。

压力控制回路是用压力阀来控制和调节液压系统主油路或某一支路的压力，以满足执行元件速度换接回路所需的力或力矩的要求。利用压力控制回路可实现对系统进行调压(稳压)、减压、增压、卸荷、保压与平衡等各种控制。这次采用静压式的方法——通过测量液位的高度产生的静压实现液位测量，通过某种组态软件，结合实验室已有设备，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。

关键词：过程控制、组态王、反馈、压力控制回路

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目 录

摘 要............................................................... 1 1 设计内容和要求.................................................... 3 1.1 设计内容 .................................................... 3

1.2 设计要求 .................................................... 3 2 系统描述及控制要求................................................ 3

2.1 控制系统描述 ................................................ 3 2.2 满足工艺操作上的控制要求 .................................... 4 3 控制系统方案设计和控制规律选择.................................... 4

3.1 方案设计 .................................................... 4

3.2 控制规律的选择 .............................................. 5 3.2 控制规律的确定 .............................................. 6 4 选择过程仪表和过程模块............................................ 6 4.1 液位变送器和压力传感器 ...................................... 6 4.2 电动调节阀 .................................................. 7 4.3 变频器 ...................................................... 8 4.4 水泵 ........................................................ 9 4.5 模块选择 .................................................... 9 4.6 模拟量采集模块 .............................................. 9 4.7 模拟量输出模块 .............................................. 9 4.8 通信转换模块 ............................................... 10 4.9 开关电源 ................................................... 10 5 流程图和组态图的设计............................................. 10

5.1 流程图的设计 ............................................... 10 5.2 组态画面 ................................................... 11 5.3 数据词典 ................................................... 12 5.4 动画连接 ................................................... 12 设计心得........................................................... 13 参考文献........................................................... 14 附录A 程序代码 .................................................... 15 附录B PID控制算法流程图.......................................... 16

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1 设计内容和要求

1.1 设计内容

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—流量串级过程控制系统。

1.2 设计要求

1. 根据压力单回路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. 根据压力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，正确设计压力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 系统描述及控制要求

2.1 控制系统描述

根据设定的管道对象、压力传感器、水箱，电动阀等设置，运用计算机和组态王软件，设计一套监控系统，并通过调试使得管道水压维持恒定或保持在一定误差范围内。

SP 计算机 PV1 _ 控制器 变频器 水泵 管道 P V 压力检测 传感器 图1 压力单回路控制系统框图

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2.2 满足工艺操作上的控制要求

1. 设计出比较完整的控制画面。画面包括上水箱、储水箱、电动调节阀、水泵、变频器、管道及其开关型电磁阀、流量检测仪表及显示、压力检测仪表及显示、阀位检测及显示、水位检测仪表及显示、实时曲线、历史曲线、PID参数调整框、手动控制开关、自动控制开关、结束退出开关。

2. 要求管道压力恒定，压力设定值SP自行给定，电动调节阀为固定开度。 3. 无扰时，通过控制电动机变频器频率，实现压力基本恒定。 4. 有扰时，改变电动机变频器频率，管道压力允许波动。

5. 预期性能：响应曲线为衰减振荡；允许存在一定误差；调整时间尽可能短。

3 控制系统方案设计和控制规律选择

3.1 方案设计

本工程设计中利用液位高度产压力的方法在下水箱底的管道上安装压力传感器并通过控制器对液位进行控制，保持液位稳定的监控系统。管道压力主要与两种因素有关：电动机的转速、电动阀的开度，其中电机的转速起决定作用，电动阀的开度对其有影响，因此本方案采用以变频器电机转速为控制参数，管道压力为被控参数，电机为执行器，运用PID算法单回路闭环控制，采用比例积分微分控制。积分作用虽然会使系统的稳定性降低，但是它的好处是没有余差。积分作用适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差存在的场合，因此适应本系统对压力的控制。微分作用具有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改变了控制质量。

干扰作用 f(t)给定值r(t)_z(t)测量元件变送器偏差e(t)控制器u(t)控制阀控制作用q(t)被控对象被控变量y(t)

图2 压力单回路控制系统图

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3.2 控制规律的选择

尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律有三个：比例(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控制。这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。如比例(P)控制、比例-积分(PI)控制、比例-积分-微分(PID)控制等。

比例(P)控制：

单独的比例控制也称“有差控制”?输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。实际应用比例度的大小应视具体情况而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，从而没有什么控制作用；比例度太大，控制作用太强?容易导致系统的稳定性变差，引发振荡，单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。

比例积分(PI)控制：

比例积分控制规律是基本控制规律中应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。考虑到比例控制规律不能最终消除余差的缺点，限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。

比例微分(PD)控制：

比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不理想。所谓“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而具有一段时间上的延迟，例如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。由此引入了微分控制。微分控制的作用是：动作迅速，其中超前调节的能力有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时根本就没有控制作用。因此，不能单独使微分控制规律。比例和微分作用组合比单纯的比例作用更快，尤其对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。 比例积分微分(PID)控制：

最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。

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3.2 控制规律的确定

本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。

其主要特点是：(1)技术成熟；PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；(2)不用需求出系统的数学模型；(3)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完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。

4 选择过程仪表和过程模块

4.1 液位变送器和压力传感器

液位变送器，可简称为液位计，不包含其液位传感器的部件。液位变送器液位测量通常指对工业生产过程中封闭式或敞开容器中液位的高度进行检测。液位变送器的运用十分的广泛，是对压力变送器技术的延伸和发展，根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理，实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送。使用被测介质广泛，可测油、水及与316不锈钢兼容的糊状物，具有一定的防腐能力。

液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测，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，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便地与其它DDZ--ⅢX型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。校验的方法是通电预热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，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。液位传感器用来对上位水箱和中位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出

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4.2 电动调节阀

调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，PS系列电子式执行机构可以用于对管道的阀门和风门的调节及开与关的控制，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的控制信号，输出4-20mA或者1-5VDC的阀位反馈信号，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。功能模块式结构设计，通过不同可选择功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同的应用要求。结构简单，体积小巧，重量轻，便于安装和维护，机械零件全部采用CNC加工部件，工艺精湛。传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高，噪声低，寿命长和稳定可靠，无需再加油等特点。具有多种运行速度，可以满足各种控制系统的要求，以保证系统的快速响应及稳定性。

PSL系列同阀门的连接采用柔软盘黄连接，可避免阀杆与输出轴不同轴给阀门带来的影响，可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断，防止泄露。PSQ系列有转矩开关保护，可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步电机，运行平稳，具有体积小、转矩大、抗堵转、控制精度高等特点。可设置分段调节，即由一台调节器输出的双时间比例信号控制两台执行机构（4-12mA对应PSL1的全开全闭，12—20mA对应PSL2的全开全闭）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。全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠，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的可靠。

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图3 电动调节阀

4.3 变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。

变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

选用台达变频器C200系列小型向量型变频器，其特点是内建PLC（程式容量5000 steps）、内建MODBUS RS-485与CANopen（从站）、援永磁马达开回路控制 （PM Sensorless）、内建33kHz高速脉波输入端子 x2 （MI7 & 8）、内建33kHz高速脉波输出端子x2、新电路板涂层与风道散热设计，强化环境耐受性。

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4.4 水泵

水泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。 这里采用CHL，CHLK，CHLF（T）轻型卧式多级离心泵。结构紧凑，低噪音，安装空间小，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。

4.5 模块选择

1. D/A模块：nudan7024

模块外形 模块原理 模块接线

模块性能：电流输出4－20Ma； 2. A/D模块：nudan7017――电压输入 3. DO模块：nudan7043 4. 通讯模块：nudan7530

4.6 模拟量采集模块

模拟量输入模块可测量多通道交流电压、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（1-5V）。

4.7 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。

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4.8 通信转换模块

485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300—115KHz），232口可长距离传输。

图4 牛顿模块示意图

4.9 开关电源

DC24的开关电源，最大电流为2A，可以满足实验要求。

5 流程图和组态图的设计

5.1 流程图的设计

组态王是运行在Windows98/NT/2000上的一种组态软件。使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“数据采集和监控系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息处理和判断决策的控制信号传向现场实施有效的生产控制。

组态王的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。

组态网易于学习和使用，拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，既可以节省您的大量时间，又能提高系统性能。

组态王可用于电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等多种工程领域。无论您的应用场合如何，您都可以使用组态王构造有效的监控和数据采集系统。

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LSPA/DPTPV计算机PID手动自动D/A储水箱调节阀泵OUTU(K)

图5 系统流程图 图6 系统组态图

5.2 组态画面

图7 组态画面

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5.3 数据词典

变量名 压力 流量 阀1 阀2 泵 电磁阀 Kp Ti Td SP U PV 频率 变量类型 I/O实型 I/O实型 I/O离散 I/O离散 内存实型 I/O实型 内存整型 内存整型 内存整型 内存整型 内存整型 内存整型 I/O实型 连接设备 A/D A/D D/A D/A D/A D/A 图8 数据词典

寄存器 AI0 AI2 AI1 AI3 AI4 AO2 5.4 动画连接

图9 动画连接图

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设计心得

通过本次课程设计，我将书本上学过的知识（自动控制原理、过程控制系统等）应用于实际控制系统的组建之中，通过选择适当的仪表，应用组态软件构建一个液位串级控制系统。在实际的工程实践中，我受益非浅，学习到了许多新的知识，掌握了实际操作的技能，特别是能够将书中的知识与实际设计联系起来，使对自动控制的理解上升到一个新的台阶。

在实际控制系统的组建中，控制方案的设计是系统设计的核心，一个好的设计方案能够使系统的设计事半功倍，应当根据被控过程的特性和工程要求综合设计系统。对于水箱液位控制，可以选用PLC进行控制，也可以选用模块进行控制构建监测系统控制。在硬件设备方面，可以使用采集速度更快的仪表，加强控制器的调节能力，改善电动调节阀的工作性能。在条件允许的情况下，采用更高精度的采集模块。在控制器方面，可以对控制方法进行改善，虽然电动调节阀的控制信号是位置信号，但调节阀动作仍是通过控制电机改变阀位，可考虑能否采用增量算法直接控制电机，克服位置算法中因需要累加偏差而造成执行机构动作过大的缺点。

在这次的设计中，自己不但学到了知识而且还将知识与实践相结合锻炼了自己各方面的能力，我从中受益匪浅，对以后的工作及学习有很大的帮助，希望在以后的学习中会有更多的这种学习机会。

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参考文献

[1] 熊新民．工业过程控制课程设计指导书，2008年 [2]《组态王中级教程》 北京亚控科技发展有限公司 2004 [3] 组态王kingview6.53设计帮助

[4] 姜重然．工控软件组态王简明教程[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.

[5] 陈夕松．过程控制系统[M]. 科学出版社,2005

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附录A 程序代码

PID脚本程序 启动时： if(\\\\io\\kz==1) {

\\\\io\\S=9; }

if(\\\\本站点\\K2==1) {

\\\\本站点\\a01=\\\\本站点\\P1*(1+1/\\\\本站点\\I1+\\\\本站点\\D1); \\\\本站点\\a11=\\\\本站点\\P1*(1+2*\\\\本站点\\D1); \\\\本站点\\a21=\\\\本站点\\P1*\\\\本站点\\D1; \\\\本站点\\ek0=\\\\本站点\\sp1-\\\\io\\压力;

\\\\本站点\%uk=\\\\本站点\\a01*\\\\本站点\\ek0-\\\\本站点\\a11*\\\\本站点\\ek01+\\\\本站点\\a21*\\\\本站点\\ek02+\\\\本站点\%uk01; \\\\本站点\%uk01=\\\\本站点\%uk; \\\\本站点\\ek02=\\\\本站点\\ek01; \\\\本站点\\ek01=\\\\本站点\\ek0; if(\\\\本站点\%uk<1000) {

if(\\\\本站点\%uk<0) {\\\\本站点\%uk0=0; }

else{\\\\本站点\%uk0=\\\\本站点\%uk; } }

else{\\\\本站点\%uk0=1000;} }

\\\\io\\d=\\\\本站点\%uk0; 关闭时：

\\\\本站点\%ukp=0; \\\\本站点\%uk1=0; \\\\本站点\\ek01=0;

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附录B PID控制算法流程图

开始取sp,pv形成偏差e(k)取a0，e(k)做乘法取a1,e(k-1)做乘法取a2,e(k-2)做乘法做a2e(k-2)减a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+a0e(k)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+a0e(k)+u(k-1)输出u(k)数据传送:u(k) u(k-1)数据传送:e(k) e(k-1)e(k-1) e(k-2)返回

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