压力单闭环定液位控制系统

工业过程控制
课程设计
题目: 基于组态软件流量单回路过程控制系统
院系名称：电气工程学院
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
设计地点：中2-211 设计时间：
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。

工业过程控制课程设计任务书
摘要
流量单闭环控制系统时间上就是根据流量传感器来检测管道中的流量，再通过也为传感器来检测容积的液位，送人计算机，让计算机按照PID控制规律就行分析计算从而调节管道中的流量，实践上就是控制电动阀的阀门开度的大小，从而实现液位定位，和流量定位。

关键字：流量液位传感器，电动阀，PID控制规律
目录
摘要 (2)
目录 (3)
1.设计目的与要求 (4)
1.1设计目的 (4)
1.2设计要求 (4)
2.系统的设计结构 (4)
2.1对对象的认识 (4)
2.2方案设计 (5)
2.3系统结构 (6)
3.仪器仪表的选择 (6)
3.1液位传感器 (7)
3.2电动阀的选择 (7)
3.3电磁流量传感器 (7)
3.4水泵选择 (8)
3.5模拟器件选择 (8)
4.系统组态设计 (9)
4.1工艺流程图与系统组态图设计 (10)
4.2流量单回路闭环系统的组态图 (10)
4.3 数据字典 (11)
4.4 应用程序 (11)
4.5 动画连接 (12)
5.设计心得 (13)
参考文献 (13)
附录A 流量比值控制系统PID控制算法 (14)
附录B PID控制算法流程图 (14)
1设计目的与要求
1.1 设计目的
这次设计单回路流量闭环控制系统，通过组态王软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快稳的性能要求，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程序的流量单回路过程控制系统。

并满足控制系统所要求的稳定性，快速性和准确性。

1.2 设计要求
(1) 根据流量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，正确设计流量但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.系统的设计结构
2.1 对对象的认识
我设计的这个流量单回路闭环控制系统，通过调节电磁阀的开口大小从而调节流量的大小，通过调节流量的大小从而调节流入上下水箱的流量，与小水箱HB信号比较，从而确定电磁阀的动作，最终使下水箱的在设定的高度。

也能读出在这个高度内下水箱流出水的流量，和流入水箱的水的高度一样。

2.2 方案设计
整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。

在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律（见附录A和附录B），调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。

结构组成如下图2.2所示。

当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由
HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。

若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。

其整个流程图如图2.1所示。

图2.1 单回路控制系统硬件组成图
2.3 系统结构
单回路流量闭合控制系统的组成很简单，主要由四部分组成，分别为计算机控制器，电动调节器，被控对象，流量测量变送单元，计算机控制器组要是主要是用一些控制算法，使系统的输出能稳定在一定的设定值，电动调节阀主要是把计算机输出信号变成阀门的开度大小，从而控制管道中的流量，从而被控对象容器的水位达到一定的设定的高度。

图2.2 流量单回路控制系统方框图
3 仪器仪表的选择
我设计的流行单回路控制系统，它用到的仪器有电动调节阀，流量变送器，水泵，电机，A/D ,D/A 等模拟器件。

还要用液位或者压力传感器来检测容器的时时高度，以便于调节控制。

下面给予详细的描述。

3.1 液位传感器
液位传感器用来对上谁为水箱的压力进行检测，采用工业的DBYG扩散硅压力变送器，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。

压力传感器用来对上水位水箱和中水位水箱的压力进行检测，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2.4 液位传感器图片
当然液位传感器还可以换成压力传感器，二者都能过测液位。

这里就不在介绍压力传感器测量液位的方法了（其实很多简单，用兴趣者可以查查资料就明白了）。

3.2 电动阀的选择
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，抗堵转，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转实现对压力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。

电动阀是调节的主要部分，所以一定要具有良好的调节性能。

3.3 电磁流量传感器
（1）流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。

根据本试验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0~.03m3/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。

避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。

主要优点：
1）采用整体焊接结构，密封性好；
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）仪表反映灵敏，输出信号与流量呈线性关系,量程比宽；
（2）流量转换器采用LDZ-4型电磁流量传感器配套使用，输入信号：0~0.4mV 输出信号：4~20mA DC, 许负载电阻为0~750欧姆，基本误差：输出信号量程的0.5%。

3.4 水泵选择
水泵的型号很多，工作原理也不一样，水泵有油泵清,水泵污,水泵潜水泵,离心水泵,消防水泵,耐酸水泵,提升水,泵立式水泵,卧式水泵,自吸水泵,增压水泵变频水泵,稳压水泵,计量水泵多级水泵,供水泵,废水泵管道,水泵磁力,水泵隔膜,水泵液下水泵,不锈钢水泵,耐腐蚀水泵,抽水泵.水泵的选择很是麻烦，为了简单期间采用丹麦兰富循环水泵。

噪音低，寿命长，不会影响教师授课减少使用麻烦。

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。

3.5 模拟器件选择
当需要构成计算机控制系统时，过程控制装置的数据采集和控制采用目前最新的牛顿7000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举。

有效的拉近了实验室与工业现场的距离。

它体积小，安装方便，可靠性极高。

1) D/A模块：采用牛顿7024模块。

4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（1~5V）信号均可。

2) A/D 模块：采用牛顿7017模块。

8路模拟电压（1~5V）输入。

3) DO模块：采用牛顿7043模块。

4)通讯模块：采用牛顿7520转换模块。

485/232转换模块，转换速度极高（300~115KHz），232口可长距离。

4 系统组态设计
组态王是运行在Windows98/NT/2000上的一种组态软件，但我用的是Window7系统也能运行组态王6.53版次，使用方便。

使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“数据采集和监控系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息处理和判断决策的控制信号传向现场实施有效的生产控制。

组态王的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。

管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。

组态网易于学习和使用，拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，既可以节省您的大量时间，又能提高系统性能。

组态王可用于电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等多种工程领域。

无论您的应用场合如何，您都可以使用组态王构造有效的监控和数据采集系统。

4.1 工艺流程图和系统组态图
图2.5 工艺流程图
图2.6 系统组态图
4.2 流量单回路闭环系统的组态图如下图2.7。

图 2.7 流量单回路闭环系统组态图4.3 数据词典
用组态王组成的系统的数据词典如图 2.8
图 2.8 数据词典图
4.4 应用程序
if(\\io\kz==1)
{
\\io\S=9;
}
if(\\本站点\K2==1)
{
\\本站点\a01=\\本站点\P1*(1+1/\\本站点\I1+\\本站点\D1);
\\本站点\a11=\\本站点\P1*(1+2*\\本站点\D1);
\\本站点\a21=\\本站点\P1*\\本站点\D1;
\\本站点\ek0=\\本站点\sp1-\\io\流量1;
\\本站点\uk=\\本站点\a01*\\本站点\ek0-\\本站点\a11*\\本站点\ek01+\\本站点\a21*\\本站点\ek02+\\本站点\uk01;
\\本站点\uk01=\\本站点\uk;
\\本站点\ek02=\\本站点\ek01;
\\本站点\ek01=\\本站点\ek0;
if(\\本站点\uk<1000)
{
if(\\本站点\uk<0)
{\\本站点\uk0=0;
}
else{\\本站点\uk0=\\本站点\uk;
}
}
else{\\本站点\uk0=1000;}
}
\\io\d=\\本站点\uk0;
4.5 动画连接
用PLC仿真I/O接口，定义好变量后，动画连接如图图2.9所示
图2.9 动画连接图
5 设计心得
通过此次设计，我掌握了流量单回路控制系统的构成。

知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变松组成。

并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤。

了解到，一般情况下，它都要经过一下几个步骤：认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等，直到最后的动画链接成功，并达到控制要求。

经过以上步骤，我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会，也学会了很多与设计相关的知识。

对组态王软件也有了很大的了解，学会了初步的应用。

认识到了组态王的一些应用情况，组态王软件的组成与功能，其应用程序项目如何建立，数据词典如何建立，动画如何进行链接，命令语言程序如何编写，趋势曲线如何建立，还有I/O设备的配置和组态网络的建立等等一系列与组态王软件应用相关的知识。

总的来说，这次设计是一次收获很大的设计，学到了很多教学中学不到的东西，对我的动手能力有了很大的帮助。

参考文献
［1］陈夕松，华成英．过程控制系统[M]．北京：科学出版社，2006
［2］熊新民．工业过程控制课程设计指导书，2008
［3］邵裕森．过程控制工程[M]．北京：机械工业出版社，2000
［4］姜重然．工控软件组态王简明教程[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007
附录A 单回路控制系统PID 控制算法
根据流量单回路控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C 语言的程序编写语言实现PID 控制算法。

本系统采用PID 位置控制算法，其控制算式如下：
0120122()(1)(1)()(1)(1)(2)(1)()(1)(2)(1)2(1)D D D P P P I D P I D P D P T T T T u k u k K e k K e k K e k T T T T
u k a e k a e k a e k T T a K T T T a K T
T a K T =-+++-+-+-=-+--+-=+
+=+
= 上述算式中，P K 为比例系数，I T 为积分时间，D T 为微分时间，以 ()
u k 作为计算机的当前输出值，以sp 作为给定值，pv 作为反馈值即AD 设备的转换值，()e k 作为偏差。

PID 控制算法流程图见附录B 。

附录B PID 控制算法流程图。