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1、I 工业过程控制工业过程控制 课课 程程 设设 计计 设计课题设计课题 ： 基于组态软件的温度单回路过程控制系统设计基于组态软件的温度单回路过程控制系统设计 学院名称学院名称 ： 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指导教师 ： 设计地点设计地点 ： 设计时间设计时间 ： II 工业过程控制工业过程控制 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号 题题 目目基于组态软件的温度单回路过程控制系统设计 课题性质课题性质工程设计课题来源课题来源自拟课题 指导教师指导教师 主要内容主要内容 选择一种合适的组态软件，使用实验室现有的过程控制设备
2、， 结合串级控制系统的控制要求和设计原则，合理选用 PID 控制规律， 设计一个组态功能合理，画面美观，组态控制程序完善的温度单回 路过程控制系统。 任务要求任务要求 1. 根据温度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. 根据温度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，正确设计温度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。 主要参主要参 考资料考资料
3、 1 过程控制系统陈夕松，汪木兰北京：科学出版社，2005 2 过程控制工程邵裕森北京：机械工业出版社，2000 3 InTouch HMI9.5应用程序开发基础课程，Wonderware公司，2006 4 过程可视化组态软件 InTouch 应用技术马正午，周德兴北京： 机械工业出版社，2006 审查意见审查意见 指导教师签字：指导教师签字： 20102010 年年 6 月月 24 日日 III 目 录 引 言.1 1 系统设计分析2 1.1 设计目的 2 1.2 设计要求 2 1.3 设计的内容 2 2 系统方案的设计及控制规律的选择 2 2.1 系统控制方案 2 2.2 系统结构框图 3
4、 3 仪表与模块的选择 4 3.1 仪器仪表的选择 4 3.2 模块的选择 5 4 组态画面设计.6 4.1 组态王简介 .6 4.2 组态软件设计 .6 43 组态画面 .7 5 组态程序设计.10 5.1 PID 控制算法.10 5.2 PID 控制算法流程图 11 5.3 PID 脚本程序12 6 组态王标记名字典 .13 7 系统调试过程.14 总 结16 参 考 文 献17 1 引引 言言 现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控 制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度 的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产
5、品了。将单 片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞 后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精 度。 温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。本文以它为例进行 介绍，希望能收到举一反三和触类旁通的效果。 现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工 控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点， 那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨 额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达 20%， 而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没
6、有任何必要，因为 这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单 片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合 的。 随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高 集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术 的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度 传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如 果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。 2 1 1 系统设计分析系统设计分析 1.11.1 设计目的设计目的 运用组态软件“组态王
7、King View6.53” ，结合工业过程实验室已有设备， 按照定值系统的控制要求，应用 PID 算法，自行设计，构成单回路温度控制系 统，并整定现相关的 PID 参数以使系统稳定运行，最终得到一个具有较美观组 态画面和较完善组态控制程序的温度单回路控制系统。 1.21.2 设计要求设计要求 利用电阻丝加热器对流经加热罐中的水进行加热，使用组态软件实现控制监 控，采用合理的控制规律，是管道中流动水的温度稳定在设定值附近，以达到 整体系统稳定运行的效果。水温的测量范围为 0100，测量精度1%。 1.31.3 设计的内容设计的内容 运用组态软件“组态王 6.53” ，结合工业过程实验室已有设备
8、，按照流量 比值控制系统的控制要求，应用 PID 算法，自行设计，构成单回路闭环控制系 统，并整定相关的 PID 参数以使系统稳定运行，最终得到一个具有较美观组态 画面和较完善组态控制程序的温度单回路控制系统。 2 2 系统方案的设计及控制规律的选择系统方案的设计及控制规律的选择 2.12.1 系统控制方案系统控制方案 为了取得较好的控制效果，基于组态软件的温度单回路过程控制系统在系统 设计时，采用 PID 控制规律。通过温度传感器将检测到的实时温度值与温度设 定值的差值送入计算机，计算机运用 PID 算法得到相应的控制信号，并将其输 3 出给执行器，然后执行器调节加热器，以达到调节温度的控制
9、目的。 2.22.2 系统结构框图系统结构框图 根据控制要求，温度单回路控制系统的控制参数是水的温度，测量便采用 温度传感器，被控参数是加热器的功率，控制器是计算机，执行器是加热器， 所以温度单回路控制系统的结构框图如图 2-1 所示。 计算机 控制器 电阻丝加 热器 加热罐水 温 水温检测 传感器 一一 SP P T PT1 图 2-1 温度单回路系统结构框 图 根据系统组成框图和组成的仪表单元，得到系统流程图如图 2-2 所示。 计算机 AD 模 块 7017 DA 模 块 7024 可控硅 220VAC TT Cu50 加热罐 图 2-2 系统流程图 4 3 3 仪表与模块的选择仪表与模
10、块的选择 3.13.1 仪器仪表的选择仪器仪表的选择 3.1.1 温度传感器 测量水温的传感器采用电热阻 Cu50。热电阻 Cu50 在50150测量范围 内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大，测量精度越高，热补偿性好， 在过程控制领域使用广泛。系统采用三线制 Cu50，温度信号经过变送单元转换 成 420mADC 电流信号，便于计算机采集。 3.1.2 加热器 采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电阻丝的发热功 率，输入控制信号为 420mA 标准电流信号，其移相触发与输入控制电流成正 比。输出交流电压来控制加热器电阻丝的两端电压，从而控制加热罐的温度。 输入 4mA 电
11、流时，加热器电阻丝的两端温度为 0V，输入为 20mA 电流时，加热 器电阻丝的两端温度为 220V。 3.1.3 电动调节阀 采用电动调节阀对控制回路的水的流量进行调节。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 420mA 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
12、，420mA 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露。性能稳定可靠，控 制精度高，使用寿命长等优点。 3.1.4 其他设备 在控制回路中所涉及到的设备还有水泵，变频器，电磁阀，开关电源等。 5 水泵采用丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长，扬程可达 10 米，功耗小， 220V 即可供电，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水 系统。 所用到的电磁阀的工作电源为 DC24V，管段能力强，使用方便，结构简单。 所采用的 24V 开关电源最大电流为 2A，满足系统需要。 3
13、.23.2 模块的选择模块的选择 3.2.1 D/A A/D 模块的选择 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 420mADC，电压 输出 15VDC，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 7017，八通道模拟输出模块，电压输入 15VDC。 。使用 7024 模块的 4 通道 IN4 作为温度信号检测输入通道。 3.2.2 通信模块 系统常用的并行总线有 RS2
14、32,RS485 等。RS485 更适合于多站连接，且距 离传输较远，为小于 1200 米，是双端发双端收，在传输线上允许接的驱动器和 接收器数目较多，且数据传输速率较快，正因为它具有如此优点所以价格方面 比较贵。而 RS232 一般适用于短距离，为小于 20 米。是单端发单端收。 对此实验来讲，距离很近，且 RS232 就可满足系统的要求，从价格方面和其他 方面考虑，本实验采用 RS232 通讯总线。 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，速度为 300115200BPS，可长距离传输。 控制回路中电磁阀的开关量输出模
15、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。 6 4 4 组态画面设计组态画面设计 4.14.1 组态王简介组态王简介 组态王是在 PC 机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，该软件 包从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中，同时负责把数据的变 化用动画的方式想象得表示出来，还可以完成变量警报、操作记录、趋势曲线 等监视功能，并按实际需要生成历史数据文件，它以 Windows 98/Windows 2000/Windows XP 中文操作系统为操作平台，采用了多线程、COM 组态等新
16、技术， 实现了实时多任务。它具有丰富的图库及图库开发工具，支持各种主流 PLC、 智能仪表、板卡和现场总线等工控产品；有一种类似 C 语言的编程环境，便于 处理各种算法和操作，还内嵌了许多函数供用户调用，实现各种功能。 4.24.2 组态软件设计组态软件设计 在 Windows XP 环境下，控制系统软件以组态王 6.01 作为开发平台。整个 监控系统实现数据采集，总体监视，相关参数实时在线调整，显示实时曲线， 历史曲线等功能。 4.2.1 设备设置 组态王对设备的管理是通过对逻辑设备名的管理实现的，具体将就是每一 个实际 I/O 设备都必须在组态王中指定一个唯一的逻辑名称，此逻辑设备名就 对
17、应着该 I/O 的生产厂家、实际设备名称、设备通信方式、设备地址、与上位 计算机的通讯方式等信息内容。 系统中与上位计算机进行数据交换外部的设备主要是 AD 设备牛顿 7017 模 块和 DA 设备牛顿 7024 模块。在组态王软件工程浏览器中，设置 7017 模块 IN4 通道和 7024 模块 i01 通道名称分别为 AD 和 DA，与计算机 COM1 串口通信，通 信地址分别为 0 和 1。 通信参数的设置如下表所示： 表 1 通信参数的设置表 7 设置项推荐值 波特率 9600 数据位长度/位 7 停止位长度/位 1 奇偶校验位偶校验 4 43 3 组态画面组态画面 本系统绘制的组态画
18、面主要有开机画面，系统组成画面等。 开机画面主要显示课题题目，制作人姓名，班级等相关信息。画面上设置 有两个提示按键，分别提示操作员进入主界面或退出操作系统等。 系统主界面主要绘制的温度单回路控制系统的工艺组成图。包括水箱，管 道，加热罐和阀门等设备以及相关的操作提示按钮等。基于动画连接，主界面 可实现自动，手动切换，以及显示 PID 参数整定框和实时曲线框以方便操作员 在线调节 PID 参数观察控制效果。 组态画面设计的大致步 骤如下： 1：创建一个新项目 图 4-1 新建项目 2：创建一个新画面 3：动画连接 图 8 所谓动画连接，就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系，建立动画 连接后
19、，根据数据库中变量的变化，图形对象可以按动画连接的要求进行改变。 建立动画连接的基本步骤：1 创建或选择连接对象，2 双击与变量相关的图形对 象，弹出动画连接对话框 3 选择对象想要进行的连接 4 为链接定义输入详细资 料 图 4-2 动画连接 4：最终的组态画面如下所示： 系统主界面如下图 4-3 所示。 9 图 4-3 温度单回路控制系统组态图 图 4-4 退出界面 10 5 5 组态程序设计组态程序设计 5.15.1 PIDPID 控制算法控制算法 PID 是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法，它具有原理简单， 易于实现，稳定性好，适用范围广，控制参数易于整定等优点。PID 控
20、制不需 了解被控对象的数学模型,只要根据经验调整控制器参数 ,便可获得满意的结果。 其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。但是通过软件编程方法实现 PID 控 制 ,可以灵活地调整参数。 连续 PID 控制器也称比例积分微分控制器，即过程控制是按误差的比 例（P-ProportionAl） 、积分（I-IntegrAl）和微分（D-DerivAtive）对系统进 行控制。 它的控制规律的数学模型如下： t d I p dt tde Tdtte T tektu 0 1 式中，e(t)：调节器输入函数，即给定量与输出量的偏 u(t)：调节器输出函数。 将式展开，调节器输出函数可分成比例部分、积分部
21、分和微分部分，它们 分别是: 比例部分 比例部分的数学表达式是,p 在比例部分中，Kp 是比例 tekp 系数，Kp 越大，可以使系统的过渡过程越快，迅速消除静误差；但 Kp 过大， 易使系统超调，产生振荡，导致不稳定。因此，此比例系数应选择合适，才能 达到使系统的过渡过程时间短而稳定的效果。 其中： U 控制器的输出，比例系数，e 调节器输入偏差， 控制量的基准。 P K 0 U 比例作用：迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定 积分部分 积分部分的数学表达式是从它的数学表达式可以看 0 t P I K e t dt T 0P uK eu 11 出，要是系统误差存在，控制作用就
22、会不断增 加或减少，只有 e(t)=0 时，它的积分才是一个不变的常数，控制作用也就 不会改变，积分部分的作用是消除系统误差。 积分时间常数的选择对积分部分的作用影响很大。较大，积分作用较I T I T 弱，这时，系统消除误差所需的时间会加长，调节过程慢；较小，积分作用I T 增强，这时可能使系统过渡过程产生振荡，但可以较快地消除误差。 微分部分 微分部分的数学表达式是. p D k T de t d t 位置式 PID 控制算法 5.25.2 PIDPID 控制算法流程图控制算法流程图 取 sp , pv 形 成偏差 e(k) 取 a0 , e(k) 做乘法 取 a1 , e(k-1) 做乘
23、法 取 a2 , e(k-2) 做乘法 做 a2e(k-2) 减 a1e(k-1) 做 a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k) 做 a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)+u(k-1) 输出 u(k) 数据传送：u(k)u(k-1) 数据传送：e(k)e(k-1) e(k-1) e(k-2) 0 0 1d d d t PD I e uKee tTu Tt 12 图 5-1 PID 控制算法流程图 5.35.3 PIDPID 脚本程序脚本程序 启动时： 本站点Ts=20; 本站点I=本站点Ti/本站点Ts; 本站点D=本站点Td/本站点Ts; 本站点ukp=0; 本站点u
24、k1=0; 本站点ek1=0; 本站点ek11=0; 本站点ek12=0; 运行期间： if(本站点自动开关=1) 本站点Ts=15; 本站点I=本站点Ti/本站点Ts; 本站点D=本站点Td/本站点Ts; 本站点a0=本站点P*(1+1/本站点I+本站点D); 本站点a1=本站点P*(1+2*本站点D); 本站点a2=本站点P*本站点D; 本站点ek1=本站点sp-本站点温度; 本站点ukp=本站点a0*本站点ek1-本站点a1*本站点 ek11+本站点a2*本站点ek12+本站点uk11; 本站点uk11=本站点ukp; 本站点ek12=本站点ek11; 本站点ek11=本站点ek1; i
25、f(本站点ukp1000) if(本站点ukp0) 13 本站点uk1=0; else本站点uk1=本站点ukp; else本站点uk1=1000; 关闭时： 本站点ukp=0; 本站点uk1=0; 本站点ek1=0; 本站点ek11=0; 本站点ek12=0; 6 6 组态王标记名字典组态王标记名字典 根据控制系统的需要建立数据词典，以便确定内存变量与 I/O 数据，运算 数据的关系。只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。本 系统中所涉及到的变量的类型主要有 AD，DA 设备进行数据交换的 I/O 实型变量， 控制电磁阀开关的 I/O 离散变量，用于定以开关动画连接的内存离散
26、变量，参 于 PID 运算的内存实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型及内存整型 变量等。具体的参数词典如下表所示。 14 图 6-1 数据词典 7 7 系统调试过程系统调试过程 将系统按要求接线结束之后，检查无误后开始电源，进入了组态的控制画 面，并且调入了 PID 的控制窗口， 根据温度单回路控制系统的原理,其控制过 程如下：阀门 2 打开,水泵启动,阀门 3 关闭,加热器对液体进行加热,温度计仪 表对液体温度进行检测，反馈给调节阀门 2 进行调节,使液体温度能又快又稳达 到给定值。液体温度高于给定值时的控制过程阀门 2 打开，阀门 3 打开，水 15 泵启动，对加热器进行加水，使加热
27、器液体温度下降到给定值 实时曲线及历史记录曲线如下： 图 7-1 实时曲线 图 7-2 历史曲线 16 总总 结结 转眼间为期一个星期的课程设计就结束了，在这短暂的一周之中，通过自 己不断地学习，不断地自我发现、感到自己的知识结构水平提出高了许多，对 计算机控制方面的知识的掌握程度也加深了许多，对知识之间的相互联系也有 了更深的了解；通过不断地提高自己的认识水平与能力、不断地学习新方法、 新思想、新的思维方式、不断地改变自己的人生观和方法论、感到自己不但成 长且成熟了许多；通过不断地把课本知识应用于实际，不断地把查阅到的资料 与文献中有用的东西应用于实现，不断地把所学的理论与方法应用于设计之中
28、， 从而提高了自己理论联系实际的能力。 本次工业过程课程设计，以温度单回路系统作为控制系统，基于组态王 6.53 作为监控软件，以 PID 调节规律作为控制算法，完成了系统的控制要求， 监控界面清晰美观，功能较为完善。 这次设计从软件编写、调试到软硬件联机调试，我投入了大量的时间和精 力。经过本次课程设计，我对工业过程控制系统的开发控制流程有了全面的了 解，初步了解了 PID 控制规律在实际控制工程中的应用，很好的做到了理论与 实践的结合，进一步加深了对 PID 控制算法理解，除此之外，还对在实际工程 中应用极为广泛的组态王软件，这位我们以后的工作打下了良好的基础。 课程设计是对大学所学课程的
29、一个高度的综合。无论是基础知识还是专 业知识都被设计统一起来，使零散的知识系统化，形成了一种能力，这也是课 程设计所要达到的目的。人生的路是漫长而曲折的，在这漫长而曲折的道路上 需要自己的不断努力与拼搏。作为一名大学生，要对未来要充满期盼，充满希 望，要微笑着走人生的每一步。 “路漫漫其修远兮，我将上下而求索” 。 本设计及论文是在我的指导老师及工业过程控制老师的亲切关怀和悉心指 导下完成的。从课题的选择到项目的最终完成，两位老师都始终给予我细心的 指导和不懈的支持。在此谨向各老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 17 参参 考考 文文 献献 1 陈夕松，汪木兰过程控制系统北京：科学出版社，200
30、5 2 邵裕森过程控制工程北京：机械工业出版社，2000 3 InTouch HMI9.5应用程序开发基础课程，Wonderware公司，2006 4 马正午，周德兴过程可视化组态软件 InTouch 应用技术北京：机械工 业出版社，2006 5 熊新民. 工业过程控制实验及课程设计指导书. 6 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2007 7陈夕松，汪木兰过程控制系统M北京科学出版社，2005.8 8施仁，刘文江过程控制M.北京：电子工业出版社，1991.179-184. 9刘焕志，直接用 D/A 输出驱动固态继电器进温度控制M北京：电子工业 出版社 1996.41-44 10陶永华，新型 PID 控制及其应用M北京：机械工业出版社，2000