基于组态软件的流量比值过程控制系统设计

《过程控制工程》课程设计报告书课题名称基于组态软件的流量比值过程控制系统设计姓名学号专业指导教师机电与控制工程学院年月日摘要随着科学技术的快速发展，人们对过程控制提出了更高的要求，在许多生产过程中，要求两种或两种以上的物料流量成一定的比例关系混合进行反应，对物料比例的要求甚为严格，如果不能满足要求，或是比例失和调，将会导致产品的质量达不到要求，以致造成损失，严重时会导致事故的发生.研究比值控制系统很有必要，提高比值控制系统的精度及水平具有深远的意义。

根据系统的工艺要求及实际需要，提出了流量比值控制的设计方案，因为组态王开发监控系统软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点，本设计着重说明了组态王在设计开发流量比值控制系统中的应用。

单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。

此文主要讲的是强碱氢氧化钠的单闭环流量控制法。

实际运行结果表明，系统不仅能按比值关系进行控制，而且具有较强的抗干扰能力。

该设计可以用于化工厂，制药等场所。

关键字：单闭环比值控制系统设计主副物料工业生产过程任务书1. 根据双容液位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. 根据双容液位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，正确设计双容液位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。

目录1.绪论 (1)2.方案论证....................... ... .. (3)3.方案说明 ......................... ... .. (6)4.硬件方案......................................... (7)5.软件设计......................................... (9)6.调试 ........................................ (16)7.心得 .................................. ..... .. (17)8.致谢........................................ . (18)9.参考文献 (19)10．附录....................................... . (20)1 绪论在工业生产过程当中，有很多是要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故，所以严格控制其比例，对于安全生产来说是十分重要的。

特别是在产品生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行生产，如果比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统.由于过程工业中大部分物料都是以气态,液态或混合的流体状态在密闭管道,容器中进行能量传递与物质交换,所以保持两种或几种物料的比例实际上是保持两种或几种物料的流量比例关系,因此比值控制系统一般是指流量比值控制系统.在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,这种物料称之为主物料,表征这种物料的参数称之为主动量。

由于在生产过程控制中主要是流量比值控制系统,所以主动量也称为主流量,用Q1表示；而另一种物料按主物料进行配比,在控制过程中随主物料而变化；因此称为从物料,表征其特性的参数称为从动量或副流量,用Q2表示。

一般情况下,总是把生产中主要物料定为主物料。

在有些场合,以不可控物料定为主物料,用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。

比值控制系统就是要实现副流量Q2与主流量Q1成一定比值关系,满足如下关系式:K=Q2/Q1，式中K为副流量与主流量的流量比值。

本课程设计主要针对工业上优质氢氧化钠的生产，介绍的是一种单闭环流量比值控制系统，利用该系统，利用单闭环比值随动控制实现氢氧化钠生产中氧化铜溶液的自动配料。

通过检测在硫酸钠溶液中按一定比例自动连续地掺加氧化铜溶液的多少。

利用单闭环比值控制的方式可以实现氧化铜溶液与硫酸钠溶液比例的恒定，达到了提高氢氧化钠质量的目的,同时生产生成的硫化铜经过焙烧氧化后可以循环利用。

由此得到合格的产品和安全的生产过程。

经实验和实践运行，证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。

2.方案论证2.1 控制方案2.1.1 方案比较比值控制系统在实际生产中，可以根据实际情况选择不同的控制方案，比值系统的类型主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。

方案一：开环比值控制系统是最简单的比值控制系统其系统组成如图2-1 所示，整个系统是一个开环控制系统。

图2-1（1）工艺流程图（2）开环比值控制系统原理图方案二：根据比值系统的类型来设计生产氢氧化钠的控制系统，由单闭环比值控制系统原理设计的系统框图如图2-2 所示。

图2-2 单闭环流量比值控制系统原理框图2.1.2 方案论证就所设计的两种方案的方框图来看，明显可以看出方案二较之于方案一复杂，选用的设备也更多，但对于实际生产，生产效率和质量十分重要，因此对系统的稳定性和精确度要求较高，下面就这些因素对两个方案进行论证。

方案一的开环比值控制方案对副物料氧化铜溶液本身无抗干扰能力，只能适用于副物料较平稳且要求不高的场合。

实际生产过程中，副物料的干扰常常是不可避免的，因此生产上很少采用开环比值控制方案。

方案二的单闭环流量比值控制系统，与串级控制系统很相似，但功能很是不同。

可以见得，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级不同的地方，串级中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而比值中，副流量不会影响主流量，这是两者之间本质上的区别。

经过分析，当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。

另外，如果主流量处于不变的状态，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。

2.1.3 方案选择通过前面方案的论证可知，开环比值控制系统适用于稳定性要求不高，扰动小的工业场合。

而单比值闭环控制系统它不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身的干扰对比值的影响，因此主副流量的比值较为精确。

设计针对控制对象，主流量选择为硫化钠溶液，而副流量则选择是氧化铜溶液，实际生产中，由于这两种化学成分并不十分稳定，因而可能造成扰动频繁，并且属于负荷变化较大。

经过分析，选择方案二的单闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统。

如下图所示的原理方框图2-3。

图2-3 氧化钠溶液单闭环比值控制自动配料系统框图。

3. 方案说明3.1 设计目的通过组态王软件，结合实验设备，按照定制系统的控制要求，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，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制结构程序的液位单回路过控制系统。

3.2 控制要求1. 根据流量比值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. 根据流量比值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，正确设计流量比值单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。

4 硬件方案4.1 流量检测传感器本设计当中采用工业用的LDS-10S 型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0～0.3m3/h，压力1.6Mpmax,4-20mA 标准信号输出。

可与显示，记录仪表，积算器或调节器配套。

它的优点：1.采用整体焊接结构，密封性能好；2.结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；3.采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；4.仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽；流量转换器采用LDZ-4 型电磁流量转换器，与LDS-10S 型电磁流量传感器配套使用，输入信号：0～0.4 输出信号：4～20mA DC，允许负载电阻为0~750 Ω，基本误差：输出信号量程的±0.5%。

4.2 电动调节阀采用电动调节阀对控制回路的液体的流量进行调节。

采用德国PS 公司进口的PSL202 型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电路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，抗堵转，控制精度高。

控制单元与执行机构一体化，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。

由输入控制信号4~20mA 及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，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 阀位反馈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，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断防止泄漏。

性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。

4.3 过程模块采用牛顿7000 系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块。

牛顿7000 系列模块体积小，安装方便，可靠性高。

D/A 模块采用牛顿7024，四通道模拟输出模块，电流输出4~20mADC，电压输出1~5VDC，精度14 位。

使用7024 模块的1 通道I01 作为可控硅的电压控制通道。

A/D 模块采用牛顿7017，八通道模拟输入模块，电压输入1~5VDC。

使用7024 模块的1 通道IN1 作为A 流量信号检测输入通道，7024 模块的2 通道IN2 作为B 流量信号检测信号输入通道。

通信模块采用牛顿7520。

RS232 转换485 通讯模块。

使用RS-232/RS485 双向协议转换，转速为300~115200bps，可长距离传输。

控制回路中电磁阀的开关量输出模块采用牛顿7043，16 通道非隔离集电极开路输出模块。

最大集电极开路电压30V，每通道输出电流100mA，可直接驱动电磁阀设备。

4.4变频器采用西门子MICROMASTER 440 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。

该系列有多种型号，额定功率范围从120W 到200kW 恒定（转矩CT 控制方式），或者可达250kW（可变转矩VT 控制方式），供用户选用。