工業(yè)過程控制課程設(shè)計題目:基于組態(tài)軟件的流量比值過程控制系統(tǒng)設(shè)計院系名稱：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計地點：31-517設(shè)計時間：2011.6.25～2011.7.1設(shè)計成績：設(shè)計成績：指導(dǎo)教師：本欄由指導(dǎo)教師根據(jù)大綱要求審核后，填報成績并簽名。工業(yè)過程控制課程設(shè)計任務(wù)書之七學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號題目基于組態(tài)軟件的流量比值過程控制系統(tǒng)設(shè)計課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源自擬題目指導(dǎo)教師鄭維主要內(nèi)容通過某種組態(tài)軟件，結(jié)合實驗室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的雙容液位單回路過程控制系統(tǒng)。任務(wù)要求1.根據(jù)雙容液位單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設(shè)計控制方案，正確選用過程儀表。2.根據(jù)雙容液位單回路過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。3.根據(jù)與計算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4.運用組態(tài)軟件，正確設(shè)計雙容液位單回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。5.提交包括上述內(nèi)容的課程設(shè)計報告。主要參考資料[1]組態(tài)王軟件及其說明文件[2]邵裕森．過程控制工程．北京：機(jī)械工業(yè)出版社2000[3]過程控制教材[4]輔導(dǎo)資料審查意見指導(dǎo)教師簽字：年月日目錄TOC\o"1-3"\h\u139651緒論 1254492設(shè)計目的與要求 2126562.1設(shè)計目的 2113822.2控制要求 290263.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 24413.1控制方案 2117404過程儀表選擇 586174.1流量檢測傳感器 5249794.2電動調(diào)節(jié)閥 653994.3過程模塊 644074.4變頻器 6183075系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計 762815.1組態(tài)圖 7117505.2組態(tài)畫面 8266125.3數(shù)據(jù)字典 10207445.4應(yīng)用程序 11325125.5動畫連接 14278236結(jié)論 14摘要單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是在開環(huán)比值控制系統(tǒng)上增加對副物料的閉環(huán)控制回路，用以實現(xiàn)主、副物料的比值保持不變該控制系統(tǒng)能保證主、副物料的流量比值不變，同時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中應(yīng)用較廣。此文主要講的是強(qiáng)堿氫氧化鈉的單閉環(huán)流量控制法。關(guān)鍵字：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)設(shè)計主副物料工業(yè)生產(chǎn)過程1緒論在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有很多是要求兩種或多種物料成一定比例關(guān)系，一旦比例失調(diào)，會影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費原料，消耗動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故，所以嚴(yán)格控制其比例，對于安全生產(chǎn)來說是十分重要的。特別是在產(chǎn)品生產(chǎn)中，經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進(jìn)行生產(chǎn)，如果比例失調(diào)，輕則造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，重則會造成生產(chǎn)事故或發(fā)生人身傷害，給企業(yè)帶來較大的損失。實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng),稱為比值控制系統(tǒng).由于過程工業(yè)中大部分物料都是以氣態(tài),液態(tài)或混合的流體狀態(tài)在密閉管道,容器中進(jìn)行能量傳遞與物質(zhì)交換,所以保持兩種或幾種物料的比例實際上是保持兩種或幾種物料的流量比例關(guān)系,因此比值控制系統(tǒng)一般是指流量比值控制系統(tǒng).在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中,必有一種物料處于主導(dǎo)地位,這種物料稱之為主物料,表征這種物料的參數(shù)稱之為主動量。由于在生產(chǎn)過程控制中主要是流量比值控制系統(tǒng),所以主動量也稱為主流量,用Q1表示；而另一種物料按主物料進(jìn)行配比,在控制過程中隨主物料而變化；因此稱為從物料,表征其特性的參數(shù)稱為從動量或副流量,用Q2表示。一般情況下,總是把生產(chǎn)中主要物料定為主物料。在有些場合,以不可控物料定為主物料,用改變可控物料即從物料來實現(xiàn)它們之間的比值關(guān)系。比值控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)副流量Q2與主流量Q1成一定比值關(guān)系,滿足如下關(guān)系式:K=Q2/Q1，式中K為副流量與主流量的流量比值。本課程設(shè)計主要針對工業(yè)上優(yōu)質(zhì)氫氧化鈉的生產(chǎn)，介紹的是一種單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，利用單閉環(huán)比值隨動控制實現(xiàn)氫氧化鈉生產(chǎn)中氧化銅溶液的自動配料。通過檢測在硫酸鈉溶液中按一定比例自動連續(xù)地?fù)郊友趸~溶液的多少。利用單閉環(huán)比值控制的方式可以實現(xiàn)氧化銅溶液與硫酸鈉溶液比例的恒定，達(dá)到了提高氫氧化鈉質(zhì)量的目的,同時生產(chǎn)生成的硫化銅經(jīng)過焙燒氧化后可以循環(huán)利用。由此得到合格的產(chǎn)品和安全的生產(chǎn)過程。經(jīng)實驗和實踐運行，證明該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)態(tài)誤差小、控制精度高等優(yōu)點。2設(shè)計目的與要求2.1設(shè)計目的通過組態(tài)王軟件，結(jié)合實驗設(shè)備，按照定制系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計一個具有美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制結(jié)構(gòu)程序的液位單回路過控制系統(tǒng)。2.2控制要求1.根據(jù)流量比值單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設(shè)計控制方案，正確選用過程儀表。2.根據(jù)流量比值單回路過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。3.根據(jù)與計算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4.運用組態(tài)軟件，正確設(shè)計流量比值單回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1控制方案3.1.1方案比較比值控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中，可以根據(jù)實際情況選擇不同的控制方案，比值系統(tǒng)的類型主要有開環(huán)比值控制系統(tǒng)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)幾種。方案一：開環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡單的比值控制系統(tǒng)其系統(tǒng)組成如圖3-1所示，整個系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。圖3-1（1）工藝流程圖（2）開環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖方案二：根據(jù)比值系統(tǒng)的類型來設(shè)計生產(chǎn)氫氧化鈉的控制系統(tǒng)，由單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖3-2所示。圖3-2單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)原理框圖3.1.2方案論證就所設(shè)計的兩種方案的方框圖來看，明顯可以看出方案二較之于方案一復(fù)雜，選用的設(shè)備也更多，但對于實際生產(chǎn)，生產(chǎn)效率和質(zhì)量十分重要，因此對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度要求較高，下面就這些因素對兩個方案進(jìn)行論證。方案一的開環(huán)比值控制方案對副物料氧化銅溶液本身無抗干擾能力，只能適用于副物料較平穩(wěn)且要求不高的場合。實際生產(chǎn)過程中，副物料的干擾常常是不可避免的，因此生產(chǎn)上很少采用開環(huán)比值控制方案。方案二的單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)，與串級控制系統(tǒng)很相似，但功能很是不同?？梢砸姷茫到y(tǒng)中沒有主對象和主調(diào)節(jié)器，這是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與串級不同的地方，串級中的副變量是調(diào)節(jié)變量到被控變量之間總對象的一個中間變量，而比值中，副流量不會影響主流量，這是兩者之間本質(zhì)上的區(qū)別。經(jīng)過分析，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，比值關(guān)系是比較精確的；在動態(tài)過程中，比值關(guān)系相對而言不夠精確。另外，如果主流量處于不變的狀態(tài)，副流量控制系統(tǒng)又相當(dāng)于一個定值控制系統(tǒng)。3.1.3方案選擇通過前面方案的論證可知，開環(huán)比值控制系統(tǒng)適用于穩(wěn)定性要求不高，擾動小的工業(yè)場合。而單比值閉環(huán)控制系統(tǒng)它不但能實現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化，而且可以克服副流量本身的干擾對比值的影響，因此主副流量的比值較為精確。設(shè)計針對控制對象，主流量選擇為硫化鈉溶液，而副流量則選擇是氧化銅溶液，實際生產(chǎn)中，由于這兩種化學(xué)成分并不十分穩(wěn)定，因而可能造成擾動頻繁，并且屬于負(fù)荷變化較大。經(jīng)過分析，選擇方案二的單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)來設(shè)計該生產(chǎn)控制系統(tǒng)。如下圖所示的原理方框圖3-3。硫化鈉溶液硫化鈉溶液閥門A氧化銅溶液給料管道計量上料閥門B比值計算管道氧化銅調(diào)整后供料量反應(yīng)容器圖3-3氧化鈉溶液單閉環(huán)比值控制自動配料系統(tǒng)框圖。4過程儀表選擇2554.1流量檢測傳感器本設(shè)計當(dāng)中采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量0～0.3m3/h，壓力1.6Mpmax,4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出?？膳c顯示，記錄儀表，積算器或調(diào)節(jié)器配套。它的優(yōu)點：1.采用整體焊接結(jié)構(gòu)，密封性能好；2.結(jié)構(gòu)簡單可靠，內(nèi)部無活動部件，幾乎無壓力損失；3.采用低頻矩形波勵磁，抗干擾性能好，零點穩(wěn)定；4.儀表反應(yīng)靈敏，輸出信號與流量成線性關(guān)系，量程比寬；流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ-4型電磁流量轉(zhuǎn)換器，與LDS-10S型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：0～0.4輸出信號：4～20mADC，允許負(fù)載電阻為0~750Ω，基本誤差：輸出信號量程的±0.5%。4.2電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的液體的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電路采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高。控制單元與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。由輸入控制信號4~20mA及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4~20mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷防止泄漏。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。4.3過程模塊采用牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過程模塊。牛頓7000系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高。D/A模塊采用牛頓7024，四通道模擬輸出模塊，電流輸出4~20mADC，電壓輸出1~5VDC，精度14位。使用7024模塊的1通道I01作為可控硅的電壓控制通道。A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸入模塊，電壓輸入1~5VDC。使用7024模塊的1通道IN1作為A流量信號檢測輸入通道，7024模塊的2通道IN2作為B流量信號檢測信號輸入通道。通信模塊采用牛頓7520。RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速為300~115200bps，可長距離傳輸?？刂苹芈分须姶砰y的開關(guān)量輸出模塊采用牛頓7043，16通道非隔離集電極開路輸出模塊。最大集電極開路電壓30V，每通道輸出電流100mA，可直接驅(qū)動電磁閥設(shè)備。4.4變頻器采用西門子MICROMASTER440是用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列。該系列有多種型號，額定功率范圍從120W到200kW恒定（轉(zhuǎn)矩CT控制方式），或者可達(dá)250kW（可變轉(zhuǎn)矩VT控制方式），供用戶選用。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機(jī)運行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機(jī)提供了良好的保護(hù)。MICROMASTER440具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機(jī)控制系統(tǒng)。MICROMASTER440既可用于單機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，也可集成到‘自動化系統(tǒng)’中。5系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計5.1組態(tài)圖 KPID控制算法KPID控制算法控制結(jié)果輸出手動自動U((K)PV2圖5-1系統(tǒng)組態(tài)圖如上圖所示，主動量液體的測出的流量值PV1經(jīng)過比值器，與PV2進(jìn)行偏差運算，再進(jìn)行PID運算。系統(tǒng)一般在手動的情況下是不輸出值的，因為在此時在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，若此時輸出值，得到的結(jié)果不是預(yù)期要的，所以系統(tǒng)在手動的情況下PID控制無輸出值輸出。只有在自動的情況下，PID才有輸出值輸出。5.2組態(tài)畫面圖5.2主界面圖5.3歷史曲線本設(shè)計共有兩個個畫面：主界面、歷史曲線。主界面如圖4.2，在主界面中有三個反應(yīng)容器，它們在本設(shè)計中只是作為容器，裝硫酸鈉溶液的A、裝氧化銅溶液的B和氫氧化鈉混合液體，所以在本設(shè)計中沒有設(shè)置動畫連接，因為本設(shè)計主要考慮的是流量比值控制。在主界面中還有兩個電動調(diào)節(jié)閥和兩個電磁流量計，兩個電動調(diào)節(jié)閥分別是控制硫酸鈉液體和氧化銅液體的流量，兩個電磁流量計分別是測量硫酸鈉液體和氧化銅液體的流量值。當(dāng)我們啟動系統(tǒng)后進(jìn)入主界面我們首先在手動狀態(tài)下（手動指示為藍(lán)色）設(shè)置硫酸銅液體的電動調(diào)節(jié)閥的開度，使硫酸銅液體得流量穩(wěn)定，然后設(shè)置Kp，Ti，Td，Kc，設(shè)置這五個參數(shù)后，按下按鈕后進(jìn)入自動環(huán)節(jié)，系統(tǒng)按設(shè)定好的PID算法得到輸出，使硫酸銅液體的流量與氧化銅液體的流量成設(shè)定的比例并穩(wěn)定于此。期間畫面也能顯示出電動調(diào)節(jié)閥的開度、流量值，并且管道也能模擬液體的流動。并且在主界面中也能直接觀察實時曲線，查看系統(tǒng)的穩(wěn)定情況。當(dāng)我們要觀察歷史的曲線時，我們可以單擊歷史曲線按鈕，進(jìn)入歷史曲線界面。歷史曲線界面如圖5.2，在畫面中有歷史曲線框和兩個按鈕：返回（返回到主界面）和退出。5.3數(shù)據(jù)字典根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典，以便確定內(nèi)存變量與I/O數(shù)據(jù)，運算數(shù)據(jù)的關(guān)系。只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。本系統(tǒng)中所涉及到的變量的類型主要有與AD，DA設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的I/O實型變量，控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定以開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量，參于PID運算的內(nèi)存實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下表4.3所示。表4.3數(shù)據(jù)字典變量名變量描述變量類型ID連接設(shè)備寄存器U（k）控制B電動調(diào)節(jié)閥輸出I/O實型21DAAO0PV硫化鈉液體流量測量值I/O實型22ADAI1PV2氧化銅液體流量測量值I/O實現(xiàn)23ADAI2自動開關(guān)手動/自動內(nèi)存離散24Sp設(shè)定值I/O實現(xiàn)25DAAO1Kp比例系數(shù)內(nèi)存實型26Ti積分系數(shù)內(nèi)存實型27Td微分系數(shù)內(nèi)存實型28Kc比值器大小內(nèi)存實型29設(shè)定值輸出A電動調(diào)節(jié)閥的開度大小內(nèi)存實型30A流量測量值顯示A流量內(nèi)存實型31B流量測量值顯示B流量內(nèi)存實型32B閥門開度顯示B電動調(diào)節(jié)閥開度內(nèi)存實型33q01增量型算法系數(shù)1內(nèi)存實型34Q02增量型算法系數(shù)2內(nèi)存實型35Q03增量型算法系數(shù)3內(nèi)存實型36T采樣周期內(nèi)存實型37ek0現(xiàn)在的偏差內(nèi)存實型38ek1前一次偏差內(nèi)存實型39ek2前兩次偏差內(nèi)存實型40PP=Kp1內(nèi)存實型42TITI=Ti/T內(nèi)存實型43DD=Td/T內(nèi)存實型44Gmax電磁流量計的最大流量值內(nèi)存實型45U(k0)前一次控制B電動調(diào)節(jié)閥輸出內(nèi)存實型46 5.4應(yīng)用程序本系統(tǒng)的主要的實現(xiàn)是PID算法的實現(xiàn)，根據(jù)流量比值單回路控制系統(tǒng)的原理，運用組態(tài)王所提供的類似于C語言的程序編寫語言實現(xiàn)PID控制算法。下圖5.4為pid的算法的流程圖，取采樣周期Ts=1s。取sp,pv形成偏差e(k)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)減a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+a0e(k)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+a0e(k)+u(k-1)輸出u(k)數(shù)據(jù)傳送：u(k)→u(k-1)數(shù)據(jù)傳送：e(k)→e(k-1)e(k-1)→e(k-2)圖5.4PID算法流程圖本系統(tǒng)采用PID位置控制算式，其控制算式如下：u(k)=u(k-1)+KP(1+T/Tt+TD/T)e(k)-KP(1+2TD/T)e(k-1)+KP*TD/Te(k-2)=u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k-2)a0=KP(1+T/Tt+TD/T)a1=KP(1+2TD/T)a2=KP*TD/T算式中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間，Td為微分時間，以u(k)作為計算機(jī)的當(dāng)前輸出值，以Kc*PV作為給定值，PV2作為反饋值即AD設(shè)備的轉(zhuǎn)換值，e(k)作為偏差。具體程序如下啟動時T=1;TI=Ti/T;D=Td/T;U（k）=0;ek0=0;ek1=0;ek2=0;Sp=0;ShowPicture("開機(jī)畫面");運行時：if(自動開關(guān)==1){T=1;Gmax=100;P=Kp;TI=Ti/T;D=Td/T;q01=P*(1+1/TI+D);q02=P*(1+2*D);q03=P*D;ek0=Kc*PV-PV2;U（k）=q01*ek0-q02*ek1+q03*ek2+U（k0）;U（k0）=U（k）;ek2=ek1;ek1=ek0;Sp=設(shè)定值*0.4+4;A流量測量值=(PV-1)/4*Gmax;B流量測量值=(PV2-1)/4*Gmax;B閥門開度=(U（k）-1)/4*Gmax;}停止時U（k）=0;Sp=0;ek0=0;ek1=0;ek2=0;5.5動畫連接圖5.5動畫連接圖當(dāng)系統(tǒng)啟動后，進(jìn)入主界面，設(shè)定好參數(shù)