基于组态软件的流量比值过程控制系统设计

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。

（5） 提交包括上述内容的课程设计报告。

2 设计方案

2.1 控制方案

根据设计要求，系统采用单闭环比值控制。在控制两种物料的比值系统中，起主导作用的物料流量称为主动量，跟随主动量而变化的物料流量称为从动量。设本系统中液体A为主动量，液体B为从动量。将从动量用一个闭环包括进去，而主动量开环。将液体A的流量y1通过比值控制器k作为闭环回路的输入量。所以从动量B的给定是ky1，因为y1开环，故y2要随着y1的变化而变化，即从动量B是一个随动控制系统。

单闭环比值控制系统的特点： 单闭环比值控制系统的优点是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干扰对比值的影响，因此主副流量的比值较为精确。它结构形式较简单，实施起来亦较方便，所以得到广泛的应用，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。单闭环比值控制系统虽然两物料比值一定，但由于主流量是不受控制的，所以总物料是不固定的，这对于负荷变化幅度大，物料又直接去化学反应器的场合是不适合的。此外，这种方案对于严格要求动态比值的场合也是不适应的。

2.2 系统结构图

图2.1 系统结构图

上图为系统结构图。当打开液体A的阀门，流量检测传感器测出其流量值，经变送单元送至比值器，比值器的输出与液体B流量测量变送送出的流量值相减，其偏差作为液体B流量控制器的输入值，控制器的输出用来控制调节阀，从而使液体B的流量得到了控制。这就使液体B的流量随液体A的流量变化而变化。其中液体A的电动调节阀是为了方便设置A的流量。

系统结构原理图和流程图如下图2.2，图2.3所示：

图2.3 系统流程图

图2.2 系统结构原理图

3 硬件部分设计

3.1 电动调节阀的选择

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，如图3.1所示，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 图3.1 电动调节阀

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。

3.2 电磁流量传感器的选择

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。根据本实验装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，如右图3.2，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，纪录仪表，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： 图3.2 电磁流量传感器

（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。

3.3 水泵的选择

水泵采用丹麦格兰富循环水泵，借动力设备和传动装置或利用自然能源将水由低处升至高处的水力机械，噪音低，寿命长，功耗小，220V供电即可，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，本实验就是利用水泵将B液罐的溶液送到A液罐。

3.4 过程模块的选择

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。牛顿模块（NUDAM MODULES）具有组态简单、采集的信号稳定、抗干扰能力强、编程容易等众多优点，它被广泛地应用于工场、矿山、学校、

车间等需要数据采集的场合。每一单一的牛顿模块都是地址可编程的，它使用 01 - FF 两位地址代码。正是由于模块的多样性使得构筑系统时更加容易。在一般情况下用户无需进行硬件开发，只是选择合适的模块和变送器就行了，软件可以通过组态实现，而对于特殊的需要则必须进行专项的软件开发。牛顿7000系列模块还具有体积小，安装方便，可靠性高的优点。

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7530。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 PID控制算法

本系统的主要的实现是PID算法的实现，根据流量比值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。取采样周期Ts=1s。本系统采用PID位置控制算式，其控制算式如下：

u(k)?u(k?1)?KP(1?TTI?TDT)e(k)?KP(1?2TDT)e(k?1)?KPTDTe(k?2)?u(k?1)?a0e(k)?a1e(k?1)?a2e(k?2)a0?KP(1?a1?KP(1?a2?KPTDTTTIT?)TDT)

2TD算式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，以u(k)作为计算机的当前输出值，以Kc*PV作为给定值，PV2作为反馈值即AD设备的转换值，e(k)作为偏差。