1、1 設(shè)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(shí)際應(yīng)用能力。（2） 培養(yǎng)運(yùn)用組態(tài)軟件和計算機(jī)設(shè)計過程控制系統(tǒng)的實(shí)際能力。2 控制要求（1）能根據(jù)具體對象及控制要求，獨(dú)立設(shè)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(guān)I/O的需要，正確選用模塊。（3） 能根據(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）能運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 控制方案串級控制系統(tǒng)是一種常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它是根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)命名的。一、基本原理：它是由兩個或者兩個以上的控制器串聯(lián)而成

2、的，一個控制器的輸出是另一個控制器的的給定值。二、結(jié)構(gòu)：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(gòu)成；而副回路由副控制器、控制閥、副對象和副變送器構(gòu)成。三、特點(diǎn)：與簡單控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)由于在結(jié)構(gòu)上增加了一個副回路，所以有以下特點(diǎn)(1)、對于進(jìn)入副回路的擾動具有較快、較強(qiáng)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(yīng)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(yīng)用場合：(1)、用于克服變化劇烈的和幅值大的干擾。(2)、用于時滯較大的對象。(3)、用于容量之

3、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(guān)關(guān)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(guān)關(guān)系，故系統(tǒng)采用的串級控制。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(yuǎn)行使下水箱的液位跟隨給定值，系統(tǒng)框圖如下圖3.1所示圖3.1雙容液位單回路控制系統(tǒng)框圖3.2 控制規(guī)律本設(shè)計采用的是工業(yè)控制中最常用的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(shí)現(xiàn)簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán)PID的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、

4、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。其主要特點(diǎn)是：(1)技術(shù)成熟；PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實(shí)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(xué)模型；(3)控制效果好。雖然計算機(jī)控制是非連續(xù)的，但由于計算機(jī)的運(yùn)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(shè)計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(jìn)

5、行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)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。可方便的與其他DDZIIIX型儀表互換配置，并能直接交換同類儀表。校驗(yàn)的方法是通電預(yù)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?yàn)槎€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(jìn)行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，精度為0.5級，二線制420mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。圖3.2 液位傳感器圖3.3壓力傳感器3.3

6、.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(dá)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(jī)構(gòu)或氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(diǎn)，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(jìn)口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，PS系列電子式執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以用于對管道的閥門和風(fēng)門的調(diào)節(jié)及開與關(guān)的控制，其主要特點(diǎn)如下：一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，位置變送器和伺服放大器作為兩個獨(dú)立部件均可直接裝入執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部，直接接受420mA的

7、控制信號，輸出420mA或者15VDC的閥位反饋信號，具有自診斷功能，使用和調(diào)校十分方便。功能模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過不同可選擇功能的組合，實(shí)現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的控制，滿足不同的應(yīng)用要求。結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，重量輕，便于安裝和維護(hù)，機(jī)械零件全部采用CNC加工部件，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(diǎn)。具有多種運(yùn)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(yīng)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響，可預(yù)置閥門關(guān)斷能力保證閥門的可靠關(guān)斷，防止泄露。PSQ系列有轉(zhuǎn)矩開關(guān)保護(hù)，可防止因閥門產(chǎn)生過

8、大轉(zhuǎn)矩而損壞閥桿。驅(qū)動電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)，具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、抗堵轉(zhuǎn)、控制精度高等特點(diǎn)。可設(shè)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(jī)構(gòu)（412mA對應(yīng)PSL1的全開全閉，1220mA對應(yīng)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(diǎn)。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(yán)謹(jǐn)并傳動部件完全隔離，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)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(dǎo)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

9、。變頻器實(shí)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(jìn)行開關(guān).變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅.并設(shè)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(jī)的轉(zhuǎn)數(shù).使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào).變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中.變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)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(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯，所以應(yīng)用越來越廣泛。三菱FR-S520變頻器，4-20控制輸入信號，可對流量或者壓力進(jìn)行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠，操作方便

10、，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制頻率。可單相或者三相供電，頻率可高達(dá)200HZ。圖3.5 變頻器3.3.4 水泵水泵是一種利用大氣壓強(qiáng)將低處的水汲往高處的機(jī)器,多半是以電動機(jī)作為動力。抽水的電動機(jī)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(jī)的機(jī)械能變?yōu)橐后w能量從而達(dá)到抽送液體目的的機(jī)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(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。圖3.6 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

11、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(biāo)準(zhǔn)電流信號，可用于驅(qū)動繼電器、開關(guān)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。3.3.7 通信轉(zhuǎn)換模塊485/232轉(zhuǎn)換牛頓7520模塊，轉(zhuǎn)換速度極高（300115KHz），232口可長距離傳輸。圖3.7 牛頓模塊示意圖3.3.8 開關(guān)電源DC24的開關(guān)電源，最大電流為2A，可以滿足實(shí)驗(yàn)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

12、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(yīng)串入24V直流電源，輸出電流信號控制執(zhí)行器，AGND為D/A模塊公共地。由于變送器輸出的都是電流信號，而A/D模塊輸出的都是電壓信號，所以在A/D通道的正負(fù)端并聯(lián)一個250歐姆的電阻，將電流信號轉(zhuǎn)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串入DC2

13、4V電源。連接圖如圖3.8所示：圖3.8 上水箱特性測試實(shí)驗(yàn)接線圖接線要求：（I/O對應(yīng)關(guān)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(

14、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(jī)通訊：RS232通訊總線。4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計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(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(shè)備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時，當(dāng)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(dǎo)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(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價格非

15、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(jìn)行源程序的修改，因而更是相當(dāng)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(shí)際工程問題提供了一種嶄新的方法，因?yàn)樗軌蚝芎玫亟鉀Q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)（Configuration）為模塊化任意組合。通用組態(tài)軟件主要特點(diǎn)有（1）延續(xù)性和可擴(kuò)充性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，當(dāng)現(xiàn)場（包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）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(xué)易用），通用組態(tài)軟件所能完成

16、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(shù)（甚至不需要編程技術(shù)），就能很好地完成一個復(fù)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(shí)際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O Driver、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(shí)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(luò)功能的工程，不受行業(yè)限制。 最早開發(fā)的通用組態(tài)軟件是DOS環(huán)境下的組態(tài)軟件，其特點(diǎn)是具有簡單的人機(jī)界面（MMI）、圖庫、繪圖工具箱等基本功能。隨著Windows的廣泛應(yīng)用，Windows環(huán)境下的組態(tài)軟件成

17、為主流。與DOS環(huán)境下的組態(tài)軟件成為主流。與DOS環(huán)境下的組態(tài)軟件相比，其最突出的特點(diǎn)是圖形功能有了很大的增強(qiáng)。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(yīng)用時間長、用戶界面不理想、不支持或不免費(fèi)支持國內(nèi)普遍使用的硬件設(shè)備、組態(tài)軟件本身費(fèi)用和組態(tài)軟件培訓(xùn)費(fèi)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(yīng)用的原因。隨著國內(nèi)計算機(jī)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，一些技術(shù)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)圖系統(tǒng)組態(tài)圖如圖4.2所示：PV1

18、圖4.2 控制系統(tǒng)組態(tài)圖4.4 數(shù)據(jù)詞典數(shù)據(jù)詞典如圖4.3所示：圖4.3 數(shù)據(jù)詞典4.5 組態(tài)畫面在液位液位PID控制系統(tǒng)中，以液位為被控量。其中，測量電路主要功能是測量對象的液位并對其進(jìn)行歸一化等處理；PID控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)設(shè)定值和測量值的偏差信號來進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制雙容水箱的液位達(dá)到期望的設(shè)定值。 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的要求，只有在單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)更高要求的情況下，才采用復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 組態(tài)畫面如圖4.4所示，其設(shè)計原理可見圖4.1系統(tǒng)流程圖。圖4.4 組態(tài)畫面4.6 動畫連接首先根據(jù)系統(tǒng)流程圖在系統(tǒng)開發(fā)界面畫好組態(tài)圖面，然后對各個器件逐一完成

19、動畫連接，最后在工程瀏覽界面中的命令語言中輸入程序，即完成了動畫。如圖4.5動畫連接示例圖1所示為，系統(tǒng)未起動時的動畫效果，其中各參數(shù)均沒有設(shè)定。圖4.6動畫連接示例圖2與圖4.7動畫連接示例圖3分別為系統(tǒng)運(yùn)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(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，首先設(shè)定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)要求設(shè)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(dá)到所要的穩(wěn)定的控制效果。圖4.5 動畫連接示例圖1圖4.6 動畫連接示例圖24.7 PID 控制算法流程圖圖 PID控制算法流程圖總結(jié)經(jīng)過一個多星期的努力，終于結(jié)束了課程設(shè)計,學(xué)會了好多東西，尤其是對組態(tài)王軟件的認(rèn)識與了解及應(yīng)用,又

20、會了一種功能強(qiáng)大的軟件，在此我非常感謝老師與同學(xué)們的支持與幫助。并且學(xué)會了如何去設(shè)計一個過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設(shè)計步驟。了解到，一般情況下，它都要經(jīng)過一下幾個步驟：認(rèn)知被控對象、設(shè)計控制方案、選擇控制規(guī)律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、設(shè)計系統(tǒng)流程圖和組態(tài)圖、設(shè)計組態(tài)畫面、設(shè)計數(shù)據(jù)詞典等，直到最后的動畫鏈接成功，并達(dá)到控制要求。經(jīng)過以上步驟，我對整個過程控制系統(tǒng)的設(shè)計有了很深的體會，也學(xué)會了很多與設(shè)計相關(guān)的知識。參 考 文 獻(xiàn)1 邵裕森. 過程控制工程M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20002 姜秀英. 過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20073 金以慧. 過程控制M. 清華大學(xué)出版

21、,19934 孫洪程. 過程控制工業(yè)設(shè)計M. 化學(xué)工業(yè)出版社,20015 馮品如. 過程控制工程M. 中國輕工業(yè)出版社,19956 王愛廣. 過程控制技術(shù)M. 化學(xué)工業(yè)出版社,20057 陳夕松. 過程控制系統(tǒng)M. 科學(xué)出版社,2005 附錄 程序代碼if(液位140)f3=(液位1-40)*Ti;液位1=液位1-10*f3/100;液位2=液位2+10*f3/100;if(液位2Sp)f4=(液位2-Sp)*Ti;液位2=液位2-20*f4/100-20*f3*(Td+1)/100;液位3=液位3+20*f4/100+20*f3*(Td+1)/100;if(液位1=100 )b1=0;if(液位2=100)b1=0;if(b1=1)c=1;elsec=0;if (c=0)f1=0;f2=0;if(c=1)f2=Kp+20;f1=100-f2;液位3=液位3-10;液位2=液位2+10*f2/100;液位1=液位1+10*f1/100;b=10*f3;