基于组态王单容水箱控制课程设计

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过程控制系统课程设计

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基于组态软件单容水箱过程控制系统

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目录

1 设计目的与要求 (1)

设计目的 (1)

设计要求 (1)

2 系统结构设计 (1)

控制方案 (1)

系统结构 (2)

3 过程仪表选择 (2)

液位传感器 (2)

电磁流量传感器 (3)

电动调节阀 (3)

水泵 (3)

变频器 (4)

模块选择 (4)

4 系统组态设计 (4)

工艺流程图与系统组态图设计 (5)

组态画面 (5)

数据字典 (6)

应用程序 (6)

动画连接 (9)

总结 (12)

参考文献 (12)

附录A 单回路控制系统PID控制算法 (13)

附录B PID控制算法流程图 (13)

1. 设计目的与要求

设计目的

通过组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有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。

设计要求

(1) 根据液位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，正确设计液位但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. 系统结构设计

控制方案

整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律（见附录A和附录B），调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图所示。

当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到上水箱，由HB返回信号，是否还需要抽水到水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好

合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其整个流程图如图所示。

图液位单回路控制系统图

系统结构

过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图.

计算机控制器

电动

调节阀

管道

流量检测

传感器

_PV

SP

PV1

图液位单回路控制系统框图

3.过程仪表选择

液位传感器

液位传感器用来对上水箱液位的压力进行检测，采用工业的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，喜爱用高品质低耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ—3X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。在零压力下调整量程电位器，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。本传感器精度为级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，级精度，二线制4-20mA标志信

号输出。

电磁流量传感器

（1）流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0~.03m3/h,压力,4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。主要优点：

1）采用整体焊接结构，密封性好；

2）结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；

3）采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；

4）仪表反映灵敏，输出信号与流量呈线性关系,量程比宽；

（2）流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：0~输出信号：4~20mA DC, 许负载电阻为0~750欧姆，基本误差：输出信号量程的%。电动调节阀

电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国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4-20mA及单相电源即可控制与转实现对压力流量温度压力等参数的调节，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，4-20mA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，阀门采用弹簧连接，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。

水泵

采用丹麦兰富循环水泵。噪音低，寿命长，不会影响教师授课减少使用麻烦。功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变送器一起可构成恒压供水系统。

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，功率小，功能非常强大，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。

模块选择

当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制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，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举。有效的拉近了实验室与工业现场的距离。它体积小，安装方便，可靠性极高。

1) D/A模块：采用牛顿7024模块。4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（1~5V）信号均可。

2) A/D 模块：采用牛顿7017模块。8路模拟电压（1~5V）输入。

3) DO模块：采用牛顿7043模块。

4)通讯模块：采用牛顿7520转换模块。485/232转换模块，转换速度极高（300~115KHz），232口可长距离。

4. 系统组态设计

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。

工艺流程图与系统组态图设计

A/D FT 计算机

D/A

U(k)-IO0

自

动

手动

PV(IN2)

LSP

图工艺流程图图系统组态图设计组态画面

数据字典

应用程序

if(\\本站点\开关转换==1)

{\\本站点\Ti=8;

\\本站点\Kp=15;

\\本站点\Td=10;

if(\\本站点\电机==1 &&\\本站点\开关==0)

{\\本站点\ek0=\\本站点\Sp-\\本站点\水箱液位;

\\本站点\微分液位差=\\本站点\ek0+\\本站点\ek2-2*\\本站点\ek1;

站点\ek0+\\本站点\Td*\\本站点\微分液位差)/500;

\\本站点\水箱液位=\\本站点\水箱液位+\\本站点\Uk;

\\本站点\液位传递值=\\本站点\ek1;

\\本站点\ek1=\\本站点\ek0;

\\本站点\ek2=\\本站点\液位传递值;

\\本站点\储水箱液位=300-\\本站点\水箱液位;}

if(\\本站点\电机==1 &&\\本站点\开关==1)

{\\本站点\ek0=\\本站点\Sp-\\本站点\水箱液位;

\\本站点\微分液位差=\\本站点\ek0+\\本站点\ek2-2*\\本站点\ek1;

\\本站点\Uk=(\\本站点\Ti*(\\本站点\ek0-\\本站点\ek1)+\\本站点\Kp*\\本站点\ek0+\\本站点\Td*\\本站点\微分液位差)/500+\\本站点\水流;

\\本站点\水箱液位=\\本站点\水箱液位+\\本站点\Uk-\\本站点\水流;

\\本站点\液位传递值=\\本站点\ek1;

\\本站点\ek1=\\本站点\ek0;

\\本站点\ek2=\\本站点\液位传递值;

\\本站点\水流=\\本站点\水箱液位/100;

\\本站点\储水箱液位=300-\\本站点\水箱液位;}

if(\\本站点\电机==0 &&\\本站点\开关==1)

{\\本站点\水流=\\本站点\水箱液位/100;

\\本站点\水箱液位=\\本站点\水箱液位-\\本站点\水流;

\\本站点\储水箱液位=300-\\本站点\水箱液位;

if(\\本站点\水箱液位<1)

\\本站点\水流=0;

}}

if(\\本站点\开关转换==0)

{if(\\本站点\电机==1 &&\\本站点\开关==0)

{\\本站点\ek0=\\本站点\Sp-\\本站点\水箱液位;

\\本站点\微分液位差=\\本站点\ek0+\\本站点\ek2-2*\\本站点\ek1;

站点\ek0+\\本站点\Td*\\本站点\微分液位差)/500;

\\本站点\水箱液位=\\本站点\水箱液位+\\本站点\Uk;

\\本站点\液位传递值=\\本站点\ek1;

\\本站点\ek1=\\本站点\ek0;

\\本站点\ek2=\\本站点\液位传递值;

\\本站点\储水箱液位=300-\\本站点\水箱液位;}

if(\\本站点\电机==1 &&\\本站点\开关==1)

{\\本站点\ek0=\\本站点\Sp-\\本站点\水箱液位;

\\本站点\微分液位差=\\本站点\ek0+\\本站点\ek2-2*\\本站点\ek1;

\\本站点\Uk=(\\本站点\Ti*(\\本站点\ek0-\\本站点\ek1)+\\本站点\Kp*\\本站点\ek0+\\本站点\Td*\\本站点\微分液位差)/500+\\本站点\水流;

\\本站点\水箱液位=\\本站点\水箱液位+\\本站点\Uk-\\本站点\水流;

\\本站点\液位传递值=\\本站点\ek1;

\\本站点\ek1=\\本站点\ek0;

\\本站点\ek2=\\本站点\液位传递值;

\\本站点\水流=\\本站点\水箱液位/100;

\\本站点\储水箱液位=300-\\本站点\水箱液位;}

if(\\本站点\电机==0 &&\\本站点\开关==1)

{\\本站点\水流=\\本站点\水箱液位/100;

\\本站点\水箱液位=\\本站点\水箱液位-\\本站点\水流;

\\本站点\储水箱液位=300-\\本站点\水箱液位;

if(\\本站点\水箱液位<1)

\\本站点\水流=0;

}}

if(\\本站点\Uk<=1)

\\本站点\uk=\\本站点\Uk*100;

else

\\本站点\uk=100;

if(\\本站点\电机==0)

\\本站点\Uk=0;

if(\\本站点\水箱液位>\\本站点\Sp)

\\本站点\水箱液位=\\本站点\水箱液位-\\本站点\水流;

动画连接

(1)自动控制

(2)手动控制

(3)实时曲线

(4)历史曲线

总结

通过此次设计，我掌握了流量单回路控制系统的构成。知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变松组成。

并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤。了解到，一般情况下，它都要经过一下几个步骤：认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等，直到最后的动画链接成功，并达到控制要求。经过以上步骤，我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会，也学会了很多与设计相关的知识。

对组态王软件也有了很大的了解，学会了初步的应用。认识到了组态王的一些应用情况，组态王软件的组成与功能，其应用程序项目如何建立，数据词典如何建立，动画如何进行链接，命令语言程序如何编写，趋势曲线如何建立，还有I/O设备的配置和组态网络的建立等等一系列与组态王软件应用相关的知识。

在这次课程设计中也遇到了不少麻烦，不过经过老师的辅导大部分问题都得到了解决，总的来说，这次设计是一次收获很大的设计，学到了很多教学中学不到的东西，对我的动手能力有了很大的帮助。同时也要感谢老师对我们这次课程设计的指导，让我们获益匪浅！

参考文献

1.陈夕松，华成英．过程控制系统[M]．北京：科学出版社，2006

2.熊新民．工业过程控制课程设计指导书，2008

3.邵裕森．过程控制工程[M]．北京：机械工业出版社，2000

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.方康玲.过程控制系统.武汉：武汉理工大学出版社，

6.蒋慰孙，俞金寿.过程控制工程.上海：中国石化出版社，

7.何衍庆，蒋慰孙，俞金寿.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，

8.邵裕森，戴先中.过程控制工程.北京：机械工业出版社，

9.刘巨良.过程控制仪表.北京：化学工业出版社，1998

附录A 单回路控制系统PID 控制算法

根据流量单回路控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C 语言的程序编写语言实现PID 控制算法。本系统采用PID 位置控制算法，其控制算式如下： 0120122()(1)(1)()(1)(1)(2)(1)()(1)(2)(1)2(1)D D D P P P I D P I D P D P T T T T u k u k K e k K e k K e k T T T T

u k a e k a e k a e k T T a K T T T a K T

T a K T =-+++-+-+-=-+--+-=+

+=+

= 上述算式中，P K 为比例系数，I T 为积分时间，D T 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，()e k 作为偏差。PID 控制算法流程图见附录B 。

附录B PID 控制算法流程图