双闭环流量比值控制系统设计 - 图文

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～Qmax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Q1和副流量Q2所对应变送器的输出电流分别为

I1＝

Q1?16?4 (1) Q1maxQ2?16?4 (2) Q2maxI2＝

式中Q1max和Q2max分别为Q1和Q2 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Q1max＝Q2max。

设工艺要求Q2/Q1＝K，则式（6-1）、（6-2）可改写为

Q1＝Q2＝

(I1?4)Q1max (3) 16(I2?4)Q2max (4) 164

于是求得

Q2Q2max＝I2?4×＝I2?4 (5)

Q1maxI1?4I1?4Q1折算成仪表的比值系数K′为

K′＝K×

Q1max＝K (6) Q2max4、设备投运步骤以及实验曲线结果

4.1阀门开关选择：本设计选择电动阀支路和变频器支路组成流量比值控制系统。投运之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8、F1-11、F2-1、F2-5全开，其余阀门均关闭。

4.2具体的实验内容与步骤如下： 4.2.1．强电接线：~220V接面板COM，N与N1、N2、N3短接，D1、D2、D3分别接面板DO1、DO2、DO3；弱电连线：将“FT1电动阀支路流量”（1-5V信号）对应接至模拟量输入通道AI0的+、-，将“FT2变频器支路流量”（1-5V信号）对应接至模拟量输入通道AI1的+、-；将模拟量输出通道AO0接至电动阀控制输入的+、-，模拟量输出通道AO1接至变频器控制输入的+、-。

接线如下图所示：

4.2.2．接通总电源空气开关，闭合三相电源和单向电源，打开电动调节阀、变频器与控制站电源，给电动调节阀、变频器、S7-300PLC上电。如下图所示：

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4.2.3．打开Step 7软件，打开“S7-300PLC”程序进行下载，然后运行WinCC组态软件，打开“S7-300PLC控制系统”工程，然后激活WinCC运行环境，在主菜单中点击“实验十六、双闭环流量比值控制”，进入“实验十六”的监控界面。

4.2.4．在上位机监控界面中将副调节器设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值。如下图所示：

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4.2.5．闭合三相磁力泵电源开关，三相磁力泵上电打水，适当增加/减少副调节器的输出量，使电动阀支路流量平衡于设定值。

4.2.6．选择PI控制规律，并按照单回路调节器参数的整定方法整定副流量回路的调节器参数，并按整定后的PI参数进行副流量调节器的参数设置，同时将副调节器投入自动运行。

4.2.7．待变频器支路流量稳定于给定值后，通过以下几种方式加干扰： （1）突增（或突减）主调节器输出值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；

（2）将中水箱进水阀F2-4开至适当开度（副流量扰动）；

（3）将电动调节阀的旁路阀F1-4（同电磁阀）开至适当开度； （4）将中水箱进水阀F1-7开至适当开度；

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。

4.2.8．分别适量改变副调节器的P及I参数，重复步骤9，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。

4.2.9．适量改变比值器的比例系数K′，观察副流量Q2的变化，并记录相应

的动态曲线。

实验曲线和分析如下：

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