双闭环流量比值控制系统设计

目录

摘要 (1)

双闭环流量比值控制系统设计 (2)

1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成 (2)

2、课程设计使用的设备 (3)

3、比值系数的计算 (4)

4、设备投运步骤以及实验曲线结果 (5)

5、总结 (16)

6、参考文献 (17)

摘要

在许多生产过程中，工艺上常常要求两种或者两种以上的物料保持一定的比例关系。一旦比例失调，会影响生产的正常进行，造成产量下降，质量降低，能源浪费，环境污染，甚至造成安全事故。

这种自动保持两个或多个参数间比例关系的控制系统就是比值控制所要完成的任务。因此比值控制系统就是用于实现两个或两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。需要保持一定比例关系的两种物料中，总有一种起主导作用的物料，称这种物料为主物料，另一种物料在控制过程中跟随主物料的变化而成比例的变化，这种无物料成为从物料。由于主，从物料均为流量参数，又分别成为主物料流量和从物料流量，通常，主物料流量用Q1表示，从物料流量用Q2表示，工艺上要求两物料的比值为K，即K=Q2/Q1.在比值控制精度要求较高而主物料Q1又允许控制的场合，很自然就想到对主物料也进行定值控制，这就形成了双闭环比值系统。在双闭环比值系统中，当主物料Q1受到干扰发生波动时，主物料回路对其进行定值控制，使从物料始终稳定在设定值附近，因此主物料回路是一个定值控制系统，而从物料回路是一个随动控制系统，主物料发生变化时，通过比值器的输出，使从物料回路控制器的设定值也发生变化，从而使从物料随着主物料的变化而成比例的变化。当从物料Q2受到干扰时，和单闭环控制系统一样，经过从物料回路的调节，使从物料稳定在比值器输出值上。双闭环比值控制系统由于实现了主物料Q1的定值控制，克服了干扰的影响，使主物料Q1变化平稳。当然与之成比例的从物料Q2变化也将比较平稳。根据双闭环比值控制系统的优点，它常用在主物料干扰比较频繁的场合，工艺上经常需要升降负荷的场合以及工艺上不允许负荷有较大波动的场合。本实验通过了解双闭环比值控制系统的原理与结构组成，进行双闭环流量比值控制系统设计（包括仪表选型）以及进行比值系数的计算，最后基于WinCC进行监控界面设计，给出不同参数下的响应曲线，根据扰动作用时，记录系统输出的响应曲线。

双闭环流量比值控制系统设计

1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成

在工业生产过程中,往往需要几种物料以一定的比例混合参加化学反应。如果比例失调，则会导致产品质量的降低、原料的浪费，严重时还会发生事故。这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。

本设计是双闭环流量比值控制系统。其系统结构图如图1所示。该系统中有两条支路，一路是来自于电动阀支路的流量Q

1

，它是一个主流量；另一路是来自

于变频器—磁力泵支路的流量Q

2，它是系统的副流量。要求副流量Q

2

能跟随主流

量Q

1的变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q

2

/Q

1

=K。

图6-2 双闭环流量比值控制系统

(a)结构图 (b)方框图

(a)结构图 (b)方框图

图1 双闭环流量比值控制系统

由图中可以看出双闭环流量比值控制系统是由一个定值控制的主流量回路和

一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成，主流量回路能克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，当扰动消除后，主副流量都回复到原设定值上，其比值不变。显然，双闭环流量控制系统的总流量是固定不变的。从整定的角度看，应使从物料回路响应较主物料回路快一些，以便从物料能跟得上主物料的变化，保证主，从物料的比值恒定。

2、课程设计使用的设备

2.1. THJ-3型高级过程控制系统实验装置，如下图所示：

本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

2.2 THJ-3型西门子PLC过程控制系统。

该过程控制系统的控制柜主要由电源控制组件、西门子PLC控制组件、变频器控制组件等几部分组成。是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。

2.3 西门子S7系列PLC编程软件。

本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC，采用的是Step 7编程软件。利用这个软件可以对PLC进行编程、调试、下装、诊断。

2.4 西门子WinCC监控组态软件。

S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。作为一个国际先进的人机界面(HMI)软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC 集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。

3、比值系数的计算

设流量变送器的输出电流与输入流量间成线性关系，即当流量Q由0～Q

max

变

化时，相应变送器的输出电流为4～20mA。由此可知，任一瞬时主流量Q

1

和副流

量Q

2

所对应变送器的输出电流分别为

I 1＝4

16

max

1

1+

⨯

Q

Q

(1)

I 2＝4

16

max

2

2+

⨯

Q

Q

(2)

式中Q

1max 和Q

2max

分别为Q

1

和Q

2

最大流量值，即涡轮流量计测量上限，由于两

只涡轮流量计完全相同，所以有Q

1max ＝Q

2max

。

设工艺要求Q

2/Q

1

＝K，则式（6-1）、（6-2）可改写为

Q

1

＝

16

)4

(1-

I Q

1max

(3)

Q

2

＝

16

)4

(2-

I Q

2max

(4)