基于组态软件的压力单回路过程控制系统设计

过程控制系统 课程设计

题 目:基于组态软件的压力单回路过程控制系统设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计地点： 设计时间： 2015.06.25-2014.07.09

设计成绩： 指导教师： 本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。 1

摘 要 过程控制就是对工业生产过程的自动控制，一般的理解就是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，设计控制系统，实现工业生产过程自动化。一个典型的单回路控制系统一般由控制器，执行器，被控过程和测量变送等4个部分组成，过程控制系统的实质是反馈，而在工程控制系统中采用单回路控制系统和串级控制系统占过程控制总量的80%，这次课程设计旨在研究压力单回路控制系统。 压力控制回路是用压力阀来控制和调节液压系统主油路或某一支路的压力，以满足执行元件速度换接回路所需的力或力矩的要求。利用压力控制回路可实现对系统进行调压(稳压)、减压、增压、卸荷、保压与平衡等各种控制。这次采用静压式的方法——通过测量液位的高度产生的静压实现液位测量，通过某种组态软件，结合实验室已有设备，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位—流量串级过程控制系统。

关键词：过程控制、组态王、反馈、压力控制回路 2

目 录 摘 要............................................................... 1 1 设计内容和要求.................................................... 3 1.1 设计内容 .................................................... 3 1.2 设计要求 .................................................... 3 2 系统描述及控制要求................................................ 3 2.1 控制系统描述 ................................................ 3 2.2 满足工艺操作上的控制要求 .................................... 4 3 控制系统方案设计和控制规律选择.................................... 4 3.1 方案设计 .................................................... 4 3.2 控制规律的选择 .............................................. 5 3.2 控制规律的确定 .............................................. 6 4 选择过程仪表和过程模块............................................ 6 4.1 液位变送器和压力传感器 ...................................... 6 4.2 电动调节阀 .................................................. 7 4.3 变频器 ...................................................... 8 4.4 水泵 ........................................................ 9 4.5 模块选择 .................................................... 9 4.6 模拟量采集模块 .............................................. 9 4.7 模拟量输出模块 .............................................. 9 4.8 通信转换模块 ............................................... 10 4.9 开关电源 ................................................... 10 5 流程图和组态图的设计............................................. 10 5.1 流程图的设计 ............................................... 10 5.2 组态画面 ................................................... 11 5.3 数据词典 ................................................... 12 5.4 动画连接 ................................................... 12 设计心得........................................................... 13 参考文献........................................................... 14 附录A 程序代码 .................................................... 15 附录B PID控制算法流程图.......................................... 16 3

1 设计内容和要求 1.1 设计内容 通过某种组态软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位—流量串级过程控制系统。 1.2 设计要求 1. 根据压力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. 根据压力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，正确设计压力单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 系统描述及控制要求 2.1 控制系统描述 根据设定的管道对象、压力传感器、水箱，电动阀等设置，运用计算机和组态王软件，设计一套监控系统，并通过调试使得管道水压维持恒定或保持在一定误差范围内。

图1 压力单回路控制系统框图 计算机 控制器 变频器 水泵 管道

压力检测 传感器

_ SP P V

PV1 4

2.2 满足工艺操作上的控制要求 1. 设计出比较完整的控制画面。画面包括上水箱、储水箱、电动调节阀、水泵、变频器、管道及其开关型电磁阀、流量检测仪表及显示、压力检测仪表及显示、阀位检测及显示、水位检测仪表及显示、实时曲线、历史曲线、PID参数调整框、手动控制开关、自动控制开关、结束退出开关。 2. 要求管道压力恒定，压力设定值SP自行给定，电动调节阀为固定开度。 3. 无扰时，通过控制电动机变频器频率，实现压力基本恒定。 4. 有扰时，改变电动机变频器频率，管道压力允许波动。 5. 预期性能：响应曲线为衰减振荡；允许存在一定误差；调整时间尽可能短。

3 控制系统方案设计和控制规律选择 3.1 方案设计 本工程设计中利用液位高度产压力的方法在下水箱底的管道上安装压力传感器并通过控制器对液位进行控制，保持液位稳定的监控系统。管道压力主要与两种因素有关：电动机的转速、电动阀的开度，其中电机的转速起决定作用，电动阀的开度对其有影响，因此本方案采用以变频器电机转速为控制参数，管道压力为被控参数，电机为执行器，运用PID算法单回路闭环控制，采用比例积分微分控制。积分作用虽然会使系统的稳定性降低，但是它的好处是没有余差。积分作用适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差存在的场合，因此适应本系统对压力的控制。微分作用具有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改变了控制质量。

控制器控制阀被控对象测量元件变送器

干扰作用 f(t)

被控变量控制作用偏差e(t)给定值

r(t)_

u(t)q(t)y(t)

z(t)

图2 压力单回路控制系统图 5

3.2 控制规律的选择

尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律有三个：比例(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控制。这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。如比例(P)控制、比例-积分(PI)控制、比例-积分-微分(PID)控制等。 比例(P)控制： 单独的比例控制也称“有差控制”﬌输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。实际应用比例度的大小应视具体情况而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，从而没有什么控制作用；比例度太大，控制作用太强﬌容易导致系统的稳定性变差，引发振荡，单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。 比例积分(PI)控制： 比例积分控制规律是基本控制规律中应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。考虑到比例控制规律不能最终消除余差的缺点，限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。 比例微分(PD)控制： 比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不理想。所谓“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而具有一段时间上的延迟，例如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。由此引入了微分控制。微分控制的作用是：动作迅速，其中超前调节的能力有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时根本就没有控制作用。因此，不能单独使微分控制规律。比例和微分作用组合比单纯的比例作用更快，尤其对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。 比例积分微分(PID)控制： 最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。