计算机测控设计报告

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计算机测控系统课程设计
课号:课题2 专业: ******* 班级: ******* ____ 姓名: _ 学号: ******** ___ 指导教师: *******
课题2 水箱水位监控系统
一、 设计目的:
通过对计算机监控系统的设计、配置和实现,掌握计算机测控技术在过程控制领域的应用。

本课题的设计目的为将下水箱水位控制在所需要的高度,并对整个控制过程进行监控。

二、 设计内容:
根据图1和图2所示的串级水箱水位控制系统方框图以及工艺流程图,完成所需的水箱监控系统,该系统需要将下水箱水位控制在所需要的高度r 1。

工艺系
统和控制设计说明:只要上水箱水位h 2发生变化,副调节器就去改变调节阀开度u ,初步维持上水箱水位h 2在一定范围内,起粗调作用。

而下水箱水位h 1的控制,则是通过主调节器来校正副调节器工作,只要h 1未达到给定值,主调节的输出信号r 2就不断递变化,使副调节器不断去控制调节阀的开度,直到下水箱水位h 1达到给定值为止。

其中上水箱水位的对象传递函数为323()151
s G s e s -=
+ 上水箱水位对下水箱水位传递函数为51 1.3()251s G s e s -=+ 其它执行器和测量电路的传递函数简化为K = 1
图1. 双容水箱串级控制系统框图
图2. 双容水箱串级控制系统示意图
三、 设计方法:
要实现完整的一个双容水箱液位监控系统,需要完成硬件配置和软件控制的方案设计。

其中硬件配置采用IPC 结构配置,监控系统方案设计选用组态软件P3DCS 来实现监控功能,其中包括控制策略组态(SAMA 图组态)、流程图组态、操作器组态(具有手动/自动切换功能和自动设定功能),以及趋势曲线的组态;并通过参数整定与系统调试实现其监控功能。

四、 硬件设计:
根据图1系统示意图,硬件设计采用STD 总线IPC 来进行,IPC 硬件组成如图3所示。

图3. 双容水箱IPC 硬件组成框图
上水箱水位板 下水箱水位板 D/A 转换器 伺服放大器 电源 键盘及自诊断板 CPU 板 内存板 CRT 板 键盘 打印机 显示器CRT
STD 总线 A/D 转换器
硬件组成说明:
1、CPU板及打印机、CRT板及CRT、键盘及自诊断板及键盘、内存板、电源、构成了STD工业控制基本系统;
2、自诊断板:使用了WDT看门狗技术,无论何种原因引起死机,自诊断系统能在1s—2s内测出并恢复正常运行,整个计算机系统工作可靠;
3、上、下水箱水位板由计数电路组成,检测检测主、副回路管道送来的水位信号;
4、D/A转换板是水箱水位的驱动口板,计算机系统检测两水箱水位与设定值进行比较,并对其偏差进行PID运算,其运算结果通过D/A转换器由数字量转换为模拟电压信号量输出至伺服放大板,从而控制主调节阀;
5、伺服放大板:相当于电动单元组合仪表中的伺服放大器,接收来自D/A 转换板输出的阀位信号,检测阀的实际位置,若实际位置与D/A转换板输出的阀位有偏差,则阀动作,达到与D/A输出一致的位置后停止,实现计算机系统对调节阀的控制;
五、软件设计:
(一)数据库组态
建立数据库是组态设计的第一步,也是之后完成控制策略组态、流程图组态、操作器组态以及趋势曲线的组态的基础。

首先,在P3DCS软件运行状态下,打开
系统数据库进行站点、I/O配置。

针对设计对象双容水箱,设计了
PV1(上水箱液位高度)、PV2(下
水箱液位高度)两个数值量来反
映两个容器中液位高低变化、由
图1可知采用串级控制策略,故
应有两个控制器,设计AO1(主
控制器输出)及AO2(副控制器
输出)两个数值量来观测控制器
的输出变化。

系统要求控制调节图4.P3DCS运行界面
阀1来实现水箱液位的控制,由于调节阀可采取手动或自动的调节方式,设定数值量AO(控制器输出)来反映调节阀的开度,设定逻辑量DO表征控制器的两种运行状态,设定SP(下水箱水位设定值)。

完成以上I/O配置后的数据库组态如图5所示。

图5. 数据库组态
(二)控制策略组态(SAMA图组态)
控制算法策略组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能用DCS算法予以实现。

由于本系统采用串级控制策略,根据控制要求,副回路采用P控制,粗调上水位,初步维持上水箱水位h2在一定范围内,主回路采用PI控制,以达到设计要求。

故在控制策略组态中,采用2个PID功能块来实现。

此外,正常的自动控制过程中难免出现故障,为了避免不必要的损失,以及时保护系统和操作人员,通常需要设置M/A控制转换器,也就是手动/自动转换装置,这里还有一个问题,在自动切换为手动状态下时,如何保证无扰实现,所谓的无扰切换指的是在手动与自动两种状态互相切换的瞬间,控制器的输出信号不会发生突然变化,也就是说,手动阀的开度必须和调节器的输出一致。

为了实现无扰切换,在系统设计中引入追踪的概念,即在切换瞬间,及时读取调节器的当前值,以避免控制器输出产生大幅度变化。

手自动无扰切换值如图6所示。

(TS跟踪切换设定为0表示默认自动运行状态下的切换)
最后,连接相关测点及设备,完成SAMA图组态设计,组态效果图如图7所示。

图6. 手/自动无扰切换
图7. SAMA图组态设计
(三)图形界面组态:水箱水位监控画面
用矩形、棒状图和折线绘制双容水箱、进出水管,阀门等,实时曲线绘制主要参数曲线表格。

将水箱与对应的数据点连接起来,PV1对应上水箱,PV2对应下水箱,并设定上下限与填充色。

实时曲线也同样与数据点对应,设置上下限与颜色,保存文件。

其效果图如图8所示。

图8. 水箱水位监控画面图
(四)图形界面组态图:水箱液位控制界面图
绘制操作窗口组态:同样用矩形和棒状图绘制操作器数值显示条,并将其与各模拟数据点一一对应,设置上下限并填充颜色。

指示灯用于指示控制器工作状态,红色表示当前为手动状态,绿色表示当前为自动状态。

六个不同的按钮分别用于自动控制时增减设定值,手动控制时增减控制器输出。

手动/自动按钮用于切换控制状态,SP增/减按钮用于设定下水箱液位高度,AO增/减按钮用于手动状态下控制器输出增减的调节。

设计效果图如图9所示。

图9. 水箱水位控制界面图
(五)系统调试及PID参数整定
设计要求进行动态调试。

所谓动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。

由于生产过程已经处于运行或试运行阶段,此时应以观察为主,当涉及到必须的系统修改时,应做好充分的准备及安全措施,以免影响正常生产,更不允许造成系统或设备故障。

运行结果如下:
1.SAMA图编译调试
2.系统诊断
3.PID参数整定
由于该系统传递函数已经给定,要求得到较好的控制效果,必须调节PID 参数,并将其设定在SAMA图中PID块中。

具体步骤如下:
1)使用matlab对串级系统经行建模,运用了PI控制。

2)先单独调节副回路,再将副回路放进主回路一起调整。

3)最后得到两个回路的参数。

图10. Simulink 系统搭建及仿真曲线图
具体参数设置如图11所示。

副回路:P控制
主回路:PI控制
图11. PID参数整定
六、实验结果:
图12. 监控画面及控制界面实时控制图
图13. 历史趋势图
七、实验总结及心得体会:
在本次测控课程设计中,我选择的课题是双容水箱的液位控制。

运用到的主要软件是P3DCS及MATLAB。

通过学习该软件的使用方法,在老师和同学的帮助下,建立了数据库组态、控制策略组态、及图形界面组态。

其中遇到的主要问题有两个方面1)绘制SAMA图时,设备与连接点未能正确连接2)各模拟数据点的互联不够熟练。

通过进一步的学习和应用,加深了我对这款软件的学习。