1、过程控实验方案设计湖北理工汤立刚著湖北理工学院课 程 设 计课程名称 过程控制系统 课题名称 单容水箱液位PID控制系统设计 专 业 自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 汤立刚 2015年11月02日自动化技术综合实训任务书2015 2016 学年第2学期学生姓名： 专业班级： 自动化2013(1)班 指导教师：汤立刚、皮大能 工作部门：电气学院电气自动化教研室 一、自动化技术综合实训题目： 自动化技术综合实训 1、单容水箱液位调节阀PID单回路控制2、单容水箱液位变频器PID单回路控制3、竖直双容液位调节阀PID单回路控制4、流量调节阀PID单回路控制5、流量变频器PID单回路控制6、
2、压力调节阀PID单回路控制7、流量比值控制二、自动化技术综合实训内容1.通过查阅资料掌握所选课题的原理、结构、并根据任务书用CAD设计1套过程控制系统图纸,包括:自控设备清单、控制流程图、控制原理图、PLC系统硬件配置图、I/O地址分配表、I/O接线图等。2.自学西门子S7-300系统的硬件知识和STEP7软件的编程组态方法,并根据设计图完成机架配置、硬件组态、从站挂接和I/O口地址分配、用户程序编写等工作。3.自学百特仪表智能调节器以及研华远程ADAM4000系列远程I/O模块的使用。4.掌握组态王组态软件并设计监控界面,包括定义数据词典、通讯设置、生产流程控制画面、参数显示、PID手动/自
3、动调节界面、趋势曲线等的设计。5.掌握在A3000高级过程控制装置上调试用户程序和参数整定的方法。6.掌握西门子MM420变频器的使用方法。7.掌握判断故障及处理故障的方法。8.每个学生必须独立完成设计,写出综合自动化技术综合实训报告并参加答辩。通过答辩考察学生对整个项目设计和实施过程的掌握程度,并根据其在整个设计阶段的理论知识应用能力、设计能力、实践操作能力、编程调试、故障分析及解决能力给出一个综合评价。三、自动化技术综合实训进度安排1自动化技术综合实训安排时间为二周。题目在自动化技术综合实训之前约1个月公布，学生在拿到题目以后即可学习相关知识、查阅有关资料，做好前期准备工作。自动化技术综合
4、实训时间分配如下表：序 号内 容学时安排（天）1布置任务，查阅资料及调研(前期工作)，分析控制要求，总体方案设计12系统选型及硬件设计13软件设计24程序及系统调试35绘制图纸、撰写和打印设计报告26设计答辩1合 计10设计指导答辩地点：K2-314自动化综合实验室2执行要求本次实训的设计与制作7个选题，每组不超过6人，为避免雷同，在设计中每个同学所采用的方案不能一样。四、自动化技术综合实训基本要求设计报告：不少于8000字，幅面，统一复印封面。（1） 封面、自动化技术综合实训任务书（2） 摘要，关键词（中英文）目录（3） 根据要求确定方案选择，并进行方案论证（4） 论述系统功能及原理。（系统
5、组成框图、电路原理图）（5） 各模块的功能，原理，器件选择。（6） 编写梯形图并进行程序设计和调试。（7） 结果分析（8） 对设计进行全面总结，写出自动化技术综合实训报告。（9） 附录-参考文献五、自动化技术综合实训考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值设计考勤考勤、自行设计、按进度完成任务等情况10设计调试软硬件调试过程及完成情况40设计答辩回答问题等情况20设计报告完成情况、报告规范性、创新性、雷同率等情况3090100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格六、自动化技术综合实训参
6、考资料1张李冬主编.过程控制技术及其应用.北京：机械工业出版社2刘玉梅.过程控制技术.北京: 机械工业出版社3孙洪程、翁唯勤编. 过程控制工程设计.北京: 化学工业出版社，2001,34刘锴、周海主编. 深入浅出西门子S7-300PLC.北京航空航天大学出版社，2004，85梁锦鑫编.WINCC基础及应用开发指南.北京：机械工业出版社，2009，46王廷才主编.变频器原理及应用.北京：机械工业出版社，2012，17阳宪惠主编.现场总线及应用.北京：清华大学出版社，2008，10 指导教师：汤立刚、皮大能 2016年5月12日 教研室主任签名： 胡学芝 2016年5月12日 3.2模块介绍和设置
7、 5 3.2.1 ADAM4017简介 5 3.3模块初试化 6 4.2 组态编程及设备 14 4.3 组态王软件设计 16第5章 调试结果与必要的调试说明 20第6章 使用说明 22第7章 总结 22第1章 系统总体方案选择与说明在此次设计中主要是以单容水箱的液位控制系统为研究对象，设计的任务就是使水箱液位保持在给定值所要求的高度或在某一小范围内变化。实现水箱液位的自动调节和控制。整个系统可由测量元件及变送器、控制器、调节阀和被控对象组成一个简单控制系统，并且只对一个被控参数进行控制。由于单回路反馈控制系统结构简单、投资少、操作方便并且能满足一般的生产过程要求，在液位控制中得到了广泛地应用，
8、所以单容水箱液位控制系统采用的就是单回路反馈控制。一般而言，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏，所以本次
9、试验参数D设为0。因此本设计选择PID控制规律。系统采用的PID控制规律：图1-1 PID控制系统原理图液位控制中除了有模拟PID调节器外还可以采用计算机PID控制。计算机控制系统中除去检测、变送装置、执行机构等常用的模拟部件之外，其完成控制功能的核心是数字计算机，所以过程计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。液位传感器检测出水箱水位，水位的实际值是通过7017模块进行A/D转换，变成数字信号后输入计算机中；在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传到7024模块中，由7024将数字信号转换成模拟信号；最后，实现水位的计算机自动控制。系统结构过程
10、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：图1-2 控制系统框图被控对象：水箱被控变量：水箱液位高度控制变量：水流量控制器：ADAM4000执行器：水泵，调节阀，电机检测变送：液位传感器第2章 系统结构框图与工作原理单容水箱液位PID控制系统中液位过程如下图所示：图2-1 单容液位过程图2-2 单容液位控制系统结构图单容水箱液位PID控制系统工作原理：单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数
11、是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，本系统属于是一个闭环反馈单回路液位控制，采用DDC控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。图2-3 单容液位控制系统工艺流程图第3章 各单元硬件设计说明及计算方法3.1控制系统概述AS3020子系统包括研华的ADAM4017、ADAM4024、ADAM40
12、50或ADAM4060模块。24V直流电驱动，通过RS485转换网络到以太网，再将数据传到上位机。模块从左到右，地址分别为1，2，3。通讯波特率9600bps，注意无校验，数据位8，停止位1。校验和(checksum)必须选中，否则无法和组态王通讯。3.2 模块介绍和设置3.2.1. ADAM4017简介 ADAM4017是一个16位，8通道模拟量输入模块，它对每个通道输入量程提供多种范围，可以自行选择设定。这个模块用于工业操作和监测，其性价比很高。通过光隔离输入方式对输入信号与模块之间提供3000V DC隔离，而且具有过压保护功能。其结构如图3.1.1所示。 图3.1.1 ADAM4017模
13、拟量输入模块ADAM4017提供信号输入，A/D转换，RS485数据通讯功能。使用一个16位微处理器控制的A/D转换器将传感器的电压或电流信号转换成数字量数据，然后转换为工程单位量。当上位机采集数据时，该模块就通过RS-485 DP线传送到上位机。输入信号：电压输入：150 mV，500 mV，1V，5V，10 V电流输入：20 mA(需要并接一个125电阻)ADAM4017应用连线如图3.1.2，3.1.3所示：图3.1.2 ADAM4017差分输入通道05图3.1.3 ADAM4017单端输入通道673.3模块初始化和初始化软件在对ADAM模块进行初始化之前，应将其固定好，通24V直流电，
14、用DP线(RS-485RS232转换器)或通过以太网同上位机连接，在上位机安装ADAM-4000 UTILITY。并用RS485232模块，将ADAM模块与上位机相连。ADAM-4000 UTILITY主界面如图3.2.1所示 ：选中左侧端口，如COM1，在右侧设置对话框中设置端口： 波特率：9600bps 数据位：8 停止位：1 校验位：None模块初始化：每个模块出厂时都没有设置其设备地址，因此在初始化的时候，要逐个通电，逐个进行设置。将GND与INIT端短接，重新上电。打开ADAM-4000 UTILITY，选择对应端口，点击工具栏上的搜索，几秒钟后会出现扫描到的模块，例如(*)ADAM
15、4017。括号中的“*”表示模块现在处于初始化状态，点击Stop Scan。如图3.2.2所示。撤掉所有的初始化短接线，重新上电、搜索，即可得到图3.2.3的结果：图3.2.2初始化后的设备单击要查看的模块即可看到已经设置好的参数，并且可以在此进行实时监控。监测ADAM4017的8路输入：把标准信号连接到各输入通道，检测模块的各通道是否工作正常。如图3.2.5示。3.4执行器自动调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动、液动三大类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少用到；电动调
16、节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作。单容水箱液位控制系统可采用电动调节阀为执行器，如图3.3所示。3.5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，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阀门位置反馈
17、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。图3.3电动调节阀3.6水泵采用丹麦兰富循环水泵。噪音低，寿命长，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。3.7检测变送3.7.1液位传感器液位传感器用来对下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，如图3.5所示。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
18、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0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。压力传感器用来对水箱底部压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标志信号输出。图3.5 扩散硅型压力变送器3.7.2系统计算方法如图2.1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之
19、间的数学表达式。根据动态物料平衡关系 （3-1） 将式（3-1）表示为增量形式 （3-2）式中，、分别为偏离某一平衡状态、的增量； C水箱底面积。 在静态时，=；=0；当发生变化时，液位h随之变化，阀处的静压也随之变化，也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为与成正比，而与阀的阻力成反比，即或 （3-3）式中，为阀的阻力，称为液阻。将式（3-3）代入式（3-2）可得 （3-4）在零初始条件下，对上面的式子求拉普拉氏变换，得： （3-5）式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数）
20、，K=R2为过程的放大倍数。令输入流量=，为常量，则输出液位的高度为： （3-6）即 （3-7）当t时， 因而有 （3-8） 当t=T时，则有 （3-9）第4章 软件设计与说明 本章通过一个范例，详细地介绍ADAM4000和组态软件的连接和调试过程，而详细的组态，以及组态软件的PID控制问题在各个组态软件配置书中再介绍。而其他比值控制，串级控制，前馈反馈控制，解藕控制都可以参考基于组态王组态软件的A3000实验和测试培训和基于MCGS组态软件的A3000实验和测试培训等指导书。4.1单容液位调节阀PID单回路控制单容下水箱液位PID控制流程图如图4.1.1所示。图4.1.1 单容下水箱液位调节
21、阀PID单回路控制水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。4.2 范例的组态软件编程这里不介绍具体的组态软件编程过程，只是介绍常用的组态软件和控制器之间的设备组态，以及数据词典（或称为标签）的建立。对于ADAM4000、PCI1711卡以及ADAM5000CAN等DDC控制系统，需要计算机提供PID控制算法。在组态软件
22、中基本都提供了PID控件，可以利用这些控件来控制液位PID控制。具体这些内容请参考各个组态软件的培训说明。4.2.1 组态王设备组态ADAM4000是DDC控制器，不具有控制算法，所以必须由计算机直接控制。包括了ADAM4017，ADAM4024模块，对应地址分别是1，2。通过研华的软件来设置地址，并设置通讯波特率9600bps，无校验，数据位8，停止位1，通讯超时3000ms，通讯方式RS485，选择checksum属性。在这里仅介绍组态王软件和它通讯的内容，有关其他部分请参考基于组态王软件的A3000实验和测试培训参考书。详细过程如下：新建工程项目。然后选择设备，COM1。然后再工作区选择
23、“新建”。如图4.2.1所示。双击，在设备配置向导生产厂家、设备名称、通讯方式窗口中，如图4.2.2所示，选择“智能模块”，“亚当4000系列”“Adam4017”。选择“下一步”。然后设置串口号，依据计算机的通讯端口来选择。这个端口可以以后按照同样的步骤来更改单击“下一步”，然后设置地址，首先设置内给定仪表，所以设定地址1。如果单击“地址帮助”按钮，则可以看到详细的有关百特仪表的地址设置，以及数据定义的帮助过程。单击“下一步”，设置通讯参数，不需要改变任何参数，单击完成，就可以看到整个设置的参数。重复上面的过程，但是地址设置为2，逻辑名A4024。最后设置串口通讯参数，双击左边窗口中的“设备
24、”“COM1”。设置如图2.2.3所示。图4.2.3 串口设置4.3 组态王软件设计组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。组态王的程序设计主要分为5个阶段：创建工程定义I/O设备数据库设计设计用户窗口及动画连接程序调试。下面主要介绍如何定义I/O设
25、备，数据库设计以及用户窗口的设计过程。4.3.1 定义I/O设备本系统中监控计算机与S7-300PLC采用以太网的方式进行通信，定义IO设备包括指定设备驱动，地址，逻辑名等关键参数。选择工程浏览器左侧“设备COM1”，双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，在组态王的设备库中找到西门子S7-300系列PLC并选择TCP方式通信，如图4.4所示。然后定义PLC的IP地址及CPU插槽号，通信时要使得监控计算机与PLC在同一个局域网内。图4.4 组态王IO设备定义4.3.2 数据库设计数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送
26、达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框。此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。在“变量名”处输入变量名，如：PID0_PV；在“变量类型”处选择变量类型如：IO实数，如图4.5所示。图4.5 变量的定义 本系统在数据库的设计过程中需要定义的变量如表4.1所示：4.1 数据库变量表序号标 记 名描 述最小值最大值数据类型读写属性1PID0_PVPID0输入： AI0测量值0100FLOAT只读2PID0_SP
27、PID0设定值0100FLOAT只写3PID0_MAN手动输出值0100FLOAT只写4PID0_MVPID0的输出值0100FLOAT只读5PID0_PPID0 比例-100k100kFLOAT只写6PID0_IPID0 积分，单位：毫秒0100MFLOAT只写7PID0_DPID0 微分，单位：毫秒0100MFLOAT只写8AI1AI1测量值：阀位信号0100FLOAT只读9PID0_AM手自动切换0255BYTE只写10PID0_DI_SELPID0的积分微分是否动作0255BYTE读写4.3.3监控画面的设计对于用户窗口主要包括单容液位控制窗口、实时曲线窗口报警。单容液位控制窗口是整个
28、系统的主要的界面，曲线窗口是系统运行中所产生的实时的和历史的运行曲线，存盘数据窗口主要是用来存放系统运行过程中所采集到的设备的数据。单容水箱液位PID控制系统的组态窗口中主要包括水箱、电机、泵，储水池、阀、PID及设定值设定界面、曲线界面等。主要功能是在系统运行的过程中起到模拟现场设备的作用，可以利用实时曲线和历史曲线窗口来观察系统运行过程中系统是否达到设计要求。图4-6 单容水箱液位控制系统组态界面图第5章 调试结果与必要的调试说明 5.1调试及运行结果 系统进入运行界面后，首先设置设定值为20，调整比例系数K，待系统稳定后，通过改变设定值来对系统加扰动信号再加入积分作用，即在界面上设置积分
29、时间Ti不为0，微分时间（Td）参数设为0.观察被控制量是否能回到设定值，即把软件界面上设置，观察系统运行是否得到合适的曲线。(P=35时，曲线为下图所示)图5-1 MCGS运行结果画面另一运行结果：图5-2 运行结果第6章 使用说明6.1系统使用简介：1. 关闭阀门00，往AE2000B2型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90以上时停止灌水。2.打开以西山泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。3. 打开上水箱出水阀，开至适当的开度。4.在电源关闭的情况下对系统进行连线将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到15V位置。将上水箱液位+（正极）接
30、到ICP7017的AI0+端，上水箱液位（负极 ）接到ICP7017的AI0端。将ICP7024的AO0+端接至电动调节阀的420mA输入端的+端（即正极），将ICP7024的AO0端接至电动调节阀的420mA输入端的端（即负极）。电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。5.启动装置将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。打开电源带漏电保护空气开关。打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。开启24VDC电源开关。打开7017、7024的电源开关。6. 启动计算机MCGS组态软件，打开电动调节阀和单相电源泵开关。再设定给定值，调整比例系数待系统稳定后加入积分作用，即在界面上设置积分时间（Ti）不为0，观察被控制量是否能回到设定值，最后再引入适量的微分作用。第7章 总结在此次课程设计过程中我学习到了MCGS的基本运用，在对单容水箱液位PID控制系
