1、武漢理工大學儀表與過程控制系統(tǒng)課程設計說明書1設計目的（1）加深對過程控制系統(tǒng)基本原理的理解和對過程儀表的實際應用能力（2）培養(yǎng)運用組態(tài)軟件和計算機設計過程控制系統(tǒng)的實際能力。2控制要求（1）能根據(jù)具體對象及控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。（2）能夠根據(jù)過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關I/O的需要，正確選用模塊。（3）能根據(jù)與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232專換與通訊模塊（4）能運用組態(tài)軟件，正確設計過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。3系統(tǒng)結構設計3.1 控制方案審級控制系統(tǒng)是一種常見的復雜控制系統(tǒng)，它是根據(jù)系統(tǒng)結構命名的。一、基本原理：它是由兩個

2、或者兩個以上的控制器串聯(lián)而成的，一個控制器的輸出是另一個控制器的的給定值。二、結構:整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，即主回路和副回路。主回路有主控制器、副回路、主對象和主變送器構成；而副回路由副控制器、控制閥、副對象和副變送器構成。三、特點：與簡單控制系統(tǒng)相比,審級控制系統(tǒng)由于在結構上增加了一個副回路，所以有以下特點（1）、對于進入副回路的擾動具有較快、較強的克服能力。（2）、改善主控制器的廣義對象的特性。（3）、對符合和操作條件的變化有一定的自適應能力。（4）、副回路可以按照主回路的需要更精確地控制操縱變量的質(zhì)量流和能量流。四、應用場合：（1）、用于克服變化劇烈的和幅值大的干擾。（2）、用于時滯較

3、大的對象。（3）、用于容量之后較大的對象。（4）、用于克服對象的非線性。本控制系統(tǒng)中，被控參量有兩個，上水箱的液位和下水箱的液位，這兩個參量具有相關關系。上水箱的液位可以影響下水箱的液位，根據(jù)上下水箱的液位相關關系，故系統(tǒng)采用的審級控制。其中，內(nèi)環(huán)控制上水箱的液位，外環(huán)控制下水箱的液位，系統(tǒng)遠行使下水箱的液位跟隨給定值，系統(tǒng)框圖如下圖3.1所示x1(t3wfiHx1(t圖3.1雙容液位單回路控制系fl圖f2(ty(t)-本沒計采用的是工業(yè)才5制柒最常用的PID控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用PID算法，PID算法實現(xiàn)簡單，控制效果好一系統(tǒng)稔苣卜生好變璘環(huán)PB的輸出作為內(nèi)環(huán)而輸入,內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)

4、的輸出。在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱Pid調(diào)節(jié)。它結構簡單，參數(shù)易于調(diào)整菖俵啾期的應用中積累了豐富的經(jīng)驗。武漢理工大學儀表與過程控制系統(tǒng)課程設計說明書其主要特點是：（1）技術成熟；PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術最成熟、應用最廣泛的控制方法，它的結構靈活，不僅可實現(xiàn)常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用PI、PD帶死區(qū)的PID控制等；（2）不需求出系統(tǒng)的數(shù)學模型；（3）控制效果好。雖然計算機控制是非連續(xù)的，但由于計算機的運算速度越來越快，因此用數(shù)字PID完全可代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。3.3過程儀表及過程模塊本設計

5、中共用到了以下過程儀表和過程模塊：3.3.1 液位變送器液位傳感器是用來上位水箱和下位水箱的液位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYGT散硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，采用高品質(zhì)，低功耗精密器件，穩(wěn)定性和可靠性大大提高?？煞奖愕呐c其他DDZIIIX型儀表互換配置，并能直接交換同類儀表。校驗的方法是通電預熱十五分鐘后，分不在零壓力和滿程壓力下檢測輸出電流值。在零壓力下調(diào)整零電位器。使輸出電流為4mA,在滿程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為20mA本傳感器精度為0.5級，因為二線制，故工作時需串聯(lián)24V直流電源。液位傳感器用來上水位箱和中水位箱的水位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYGT散硅壓力變

6、送器,精度為0.5級，二線制420mAfc準信號輸出。圖3.2液位傳感器圖3.3壓力傳感器3.3.2電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力和液位。根據(jù)調(diào)節(jié)部位信號，自動控制閥門的開度，從而達到介質(zhì)流量、壓力和液位的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥分電動調(diào)節(jié)閥、氣動調(diào)節(jié)閥和液動調(diào)節(jié)閥等。調(diào)節(jié)閥由電動執(zhí)行機構或氣動執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)閥兩部分組成。調(diào)節(jié)并通常分為直通單座式和直通雙座式兩種，后者具有流通能力大、不平衡辦小和操作穩(wěn)定的特點，所以通常特別適用于大流量、高壓降和泄漏少的場合。德國PS公司進口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，PS系列電子式執(zhí)行機構可以用于對管道的閥門和風門的調(diào)節(jié)及開與關的控制，其主要特點如下：一體化

7、結構設計，位置變送器和伺服放大器作為兩個獨立部件均可直接裝入執(zhí)行機構內(nèi)部，直接接受420mA勺控制信號，輸出4-20mA者15VDC勺閥位反饋信號，具有自診斷功能，使用和調(diào)校十分方便。功能模塊式結構設計，通過不同可選擇功能的組合，實現(xiàn)從簡單到復雜的控制，滿足不同的應用要求。結構簡單，體積小巧，重量輕，便于安裝和維護，機械零件全部采用CNCfe工部件，工藝精湛。傳動全部采用小齒隙密封齒輪，具有效率高，噪聲低，壽命長和穩(wěn)定可靠，無需再加油等特點。具有多種運行速度，可以滿足各種控制系統(tǒng)的要求，以保證系統(tǒng)的快速響應及穩(wěn)定性。PSL系列同閥門的連接采用柔軟盤黃連接，可避免閥桿與輸出軸不同軸給閥門帶來的影

8、響，武漢理工大學儀表與過程控制系統(tǒng)課程設計說明書可預置閥門關斷能力保證閥門的可靠關斷，防止泄露。PSQS列有轉矩開關保護，可防止因閥門產(chǎn)生過大轉矩而損壞閥桿。驅(qū)動電機采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步電機，運行平穩(wěn)，具有體積小、轉矩大、抗堵轉、控制精度高等特點。可設置分段調(diào)節(jié)，即由一臺調(diào)節(jié)器輸出的雙時間比例信號控制兩臺執(zhí)行機構（412mA對應PSL1的全開全閉，1220mA寸應PSL2的全開全閉）閥位反饋元件全密封高精度多圈電位器，具有體積小、精度高、死區(qū)小、使用壽命長等特點。行程可調(diào)，便于與閥門連接。全部電器元件均采用世界名牌產(chǎn)品，質(zhì)量可靠，使用時間長。電器部件布線嚴謹并傳動部件完全隔離

9、，提高執(zhí)行機構運行性的可靠。圖3.4電動調(diào)節(jié)閥3.3.3 變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器實際上就是一個逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對直流電進行開關.變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅.并設一個可調(diào)頻率的裝置.使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào).用來控制電機的轉數(shù).使轉數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào).變頻器廣泛用于交流電機的調(diào)速中.變頻調(diào)速技術是現(xiàn)代電力傳動技術重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯，所以應用越來越廣泛。

10、三菱FR-S520變頻器，4-20控制輸入信號，可對流量或者壓力進行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強大，運行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制頻率?？蓡蜗嗷蛘呷喙╇?，頻率可高達200H乙圖3.5變頻器3.3.4 水泵水泵是一種利用大氣壓強將低處的水汲往高處的機器，多半是以電動機作為動力。抽水的電動機泵通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力，即把原動機的機械能變?yōu)橐后w能量從而達到抽送液體目的的機器統(tǒng)稱為泵。這里采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。不會影響教師授課減少麻煩。功耗低，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構成恒壓供水系統(tǒng)。圖3.

11、6水泵3.3.5 模擬量采集模塊模擬量輸入模塊可測量多通道交流電壓、電流輸入信號。測量精度：0.2級。16位A/D循環(huán)采樣，采樣速率：3000次/S;1.2倍量程可正確測量，過載2倍量程輸入1S不損壞；隔離電壓1000VDC模擬量輸出模塊輸出標準電流信號，可用于驅(qū)動繼電器、開關等。這用A/D牛頓7017模塊8路模擬電壓（1-5V）3.3.6 模擬量輸出模塊D/A牛頓7024模塊4路模擬輸出，電流（420mA）電壓（15V）信號均可。武漢理工大學儀表與過程控制系統(tǒng)課程設計說明書3.3.7 通信轉換模塊485/232轉換牛頓7520模塊，轉換速度極高(300115KHZ,232口可長距離傳輸。圖3

12、.7牛頓模塊示意圖3.3.8 開關電源DC24的開關電源，最大電流為2A,可以滿足實驗要求。3.4硬件連接本系統(tǒng)中，D/A模塊中的IO0接口為控制器調(diào)節(jié)閥開度的控制通道，IO1為可控硅的電壓控制通道，IO2為變頻器的控制通道。A/D模塊中，IN0為上水箱液位的檢測，IN1為下水箱液位的檢測，IN2為主流量的檢測，IN3誤為副流量的檢測，IN4為溫度信號的檢測，IN5為閥位反饋信號的檢測，IN6為水泵出口壓力信號的檢測。在D/A模塊中，由于模塊本身不能提供電源，所以在控制時應用入24V直流電源，輸出電流信號控制執(zhí)行器，AGNCfeD/A模塊公共地。由于變送器輸出的都是電流信號，而A/D模塊輸出的

13、都是電壓信號，所以在A/D通道的正負端并聯(lián)一個250歐姆的電阻，將電流信號轉換成電壓信號。系統(tǒng)采用的液位變送器，壓力變送器都是二線制的，在檢測液位工作時要用入DC24Vt源。連接圖如圖3.8所示：圖3.8上水箱特性測試實驗接線圖接線要求：(I/O對應關系表)(1)上水箱液位的檢測輸出-A/D模塊中，IN0通道輸入(2)下水箱液位的檢測輸出-A/D模塊中，IN1通道輸入(3)主流量的檢測輸出-A/D模塊中，IN2通道輸入(4)副流量的檢測輸出-A/D模塊中，IN3通道輸入(5)溫度信號的檢測輸出-A/D模塊中，IN4通道輸入(6)閥位反饋信號的檢測輸出-A/D模塊中，IN5通道輸入(7)水泵出口

14、壓力信號檢測輸出-A/D模塊中，IN6通道輸入(8)主調(diào)節(jié)閥開度的控制輸入-D/A模塊中的IO0通道輸出(9)可控硅的電壓控制輸入-D/A模塊中的IO1通道輸出(10)變頻器的輸入-D/A模塊中的IO2通道輸出(11)副調(diào)節(jié)閥開度的輸入-D/A模塊中的IO3通道輸出(12)模塊之間用RS485總線連接(13)模塊與計算機通訊：RS232訊總線。4系統(tǒng)組態(tài)設計武漢理工大學儀表與過程控制系統(tǒng)課程設計說明書4.1 組態(tài)軟件介紹隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，計算機在工業(yè)領域的廣泛應用，人們對工業(yè)自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領域的應用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶

15、的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時，當工業(yè)被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致它的價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若原來的編程人員因工作變動而離去時，則必須同其他人員或新手進行源程序的修改，因而更是相當困難。通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。組態(tài)（Con巾guration）為模塊化任意組合。通用組態(tài)軟件主要特點有（1）

16、延續(xù)性和可擴充性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應用程序，當現(xiàn)場（包括硬件設備或系統(tǒng)結構）或用戶需求發(fā)生改變時，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級；（2）封裝性（易學易用），通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術（甚至不需要編程技術），就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能；（3）通用性，每個用戶根據(jù)工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設備（PLC智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/ODriver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡功能的工程，不受

17、行業(yè)限制。最早開發(fā)的通用組態(tài)軟件是DO科境下的組態(tài)軟件，其特點是具有簡單的人機界面（MMI、圖庫、繪圖工具箱等基本功能。隨著Windows的廣泛應用，Windows環(huán)境下的組態(tài)軟件成為主流。與DO/境下的組態(tài)軟件成為主流。與DO/境下的組態(tài)軟件相比，其最突出的特點是圖形功能有了很大的增強。國外許多優(yōu)秀通用組態(tài)軟件是在英文狀態(tài)下開發(fā)的，它具有應用時間長、用戶界面不理想、不支持或不免費支持國內(nèi)普遍使用的硬件設備、組態(tài)軟件本身費用和組態(tài)軟件培訓費用高昂等因素，這些也正是國內(nèi)通用組態(tài)軟件在國內(nèi)不能廣泛應用的原因。隨著國內(nèi)計算機水平和工業(yè)自動化程度的不斷提高，通用組態(tài)軟件的市場需求日益增大。近年來，一些

18、技術力量雄厚的高科技公司相繼開發(fā)出了適合國內(nèi)使用的通用組態(tài)軟件。4.2 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖如圖4.1所示：圖4.1系統(tǒng)流程圖4.3 系統(tǒng)組態(tài)圖武漢理工大學儀表與過程控制系統(tǒng)課程設計說明書系統(tǒng)組態(tài)圖如圖4.2所示:LSB1Q岸圖4.2控制系統(tǒng)組態(tài)圖4.4 數(shù)據(jù)詞典PID2圖4.3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)詞典如圖4.3所示：PID2圖4.3數(shù)據(jù)詞典4.5 組態(tài)畫面在液位一液位pid控制系統(tǒng)中，陽y硒尹。其中，測量電路主要功能是測量對象的液位并對其進行歸一化等處理；PID控制悶弧濾口系統(tǒng)的核心，它根據(jù)設定值和測量值的偏差信號只有在單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)更高要來進行調(diào)節(jié)，從而控制雙容水箱的液位衿到期瞿的設車值單

19、回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)Ufe求,求的情況下，才采用復雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。組態(tài)畫面如圖4.4所示，其設L爆理可見O4.6動畫連接54.1系統(tǒng)流程圖。PV2組態(tài)畫面然后對各個器件逐一完成動畫連接，最后首先根據(jù)系統(tǒng)流程圖在系統(tǒng)開發(fā)界面畫好組態(tài)圖面，在工程瀏覽界面中的命令語言中輸入程平D加完成了動畫如圖4.5動畫連接示例圖1所示利，系統(tǒng)朱起動時的動畫效果,其中各參數(shù)均沒有設定。圖4.6 動畫連接示例圖2與圖4.7動畫沔嘛!圖3分別為系統(tǒng)運行時的動畫連接圖，由于參數(shù)不同時所顯示不同的動畫效果和曲線。當系統(tǒng)運行時，首先設定PIDM參數(shù)，根據(jù)要求設定給定值，觀察連接圖，根據(jù)需要調(diào)節(jié)PID參數(shù)。最給達到所要的穩(wěn)定白尸喀汗:圖4.5動畫連接示例圖14.6/他畫連接示例圖2U(K)4.7PID控制算法流程圖武漢理工大學儀表與過程控制系統(tǒng)課程設計說明書圖PID控制算法流程圖總結經(jīng)過一個多星期的努力，終于結束了課程設計，學會了好多東西，尤其是對組態(tài)王軟件的認識與了解及應用，又會了一種功能強大的軟件，在此我非常感謝老師與同學們的支持與幫助。并且學會了如何去設計一個過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設計步驟。了解到，一般情況下，它都要經(jīng)過一下幾個步驟：認知被控對