基于PAC的流量控制系统设计本科毕业设计论文.doc
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1、 南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计(论文)学 院: 电子与电气工程学院 专 业: 自动化 学 生: 陈东东 指导教师 : 刘 硕 完成日期 2009 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计(论文)基于PAC的流量控制系统设计Design of Flow Control System Based on PAC总 计: 36 页表 格: 1 个插 图: 37 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计(论文)基于PAC的流量控制系统设计Design of Flow Control System Based on PAC 学 院: 电子与电气工程学院 专 业: 自动化 学 生 姓 名: 学
2、号: 指 导 教 师(职称): 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology基于PAC的流量控制系统设计基于PAC的流量控制系统设计 摘 要 本文基于PACSystems RX3i控制器,以Proficy Machine Edition软件为开发平台,在iFIX上做组态监控的基础上,主要完成对流量控制系统设计。本设计采用流量传感器采集并反馈流量信号给PID控制器,PID控制器控制变频器的输出频率,从而调节水泵转速实现对流量的控制。通过对流量控制系统软件的编程和相关硬件调试,系统实现了预定的流量控制。运行结果表明流量控制的精度达到
3、了设计要求。关键词 流量控制;组态监控;程序设计;PID算法Design of Flow Control System Based on PAC Abstract: This article is based on PACSystems RX3i controller and uses the Proficy Machine Edition software as a development platform, configures monitoring on iFIX, mainly accomplish the design of flow control system. This des
4、ign uses a flow sensor to collect and feedback the flow rate to PID controller. PID controller adjusts output of frequency converter, the flow is in control through adjusting speed of water pump according to frequency. By designing flow control system software and debugging hardware, the system real
5、izes the desired flow control. Testing results show that the accuracy of flow control reaches the design requirement.Key Words: Flow control; configuration monitoring; program design; PID algorithm目 录1 引言11.1 研究目的和意义11.2 过程控制的发展11.3 本文主要工作32 控制系统硬件设计32.1 控制方案32.2 流量的检测方法52.3 控制器的选型72.3.1 电源模块82.3.2
6、CPU模块82.3.3 I/O模块92.3.4 以太网接口模块92.3.5 IC695ALG600的参数设置102.4 变频器113 iFIX监控设计123.1 iFIX软件简介123.2 I/O驱动器123.3 过程数据库143.4 组态监控画面154 PME程序设计174.1 PME及硬件组态174.2 通信的建立204.3 控制算法234.3.1 PID控制算法234.3.2 PID参数的整定254.4 程序流程264.5 程序调试与运行27结论与展望30参考文献31附录32致谢36401 引言本章首先阐明了本文的研究目的与意义,其次论述了过程控制的发展历程、PAC的优点,最后叙述了流量
7、控制的发展及国内外研究现状及主要工作。1.1 研究目的和意义流量是过程控制中主要的控制参数,随着生产水平和科学技术的不断发展,流量控制系统在钢铁、石油、化工、食品饮料等各行各业的应用越来越广泛,但现代工业过程控制系统对设备和被控系统的安全性、可靠性和有效性的要求也越来越高。这时PAC的出现解决了这一问题,PAC是新一代的可编程控制器,它比现有的PLC具有更强大的处理速度和通信速度,以及编程能力。PAC提供了开放的工业标准,扩展的域功能,通用的开发平台,以及其他高级功能,确保了现代工业生产过程高效、安全的进行,保证并提高产品质量。无论是现在还是将来,PAC都将在生产自动化领域扮演一个极其重要的角
8、色。本设计中采用GE先进的PACSystems RX3i对流量系统进行控制,通过流量传感器采集并反馈信号给PID控制器,PID控制器控制变频器输出频率,从而调节水泵转速实现对流量的控制。采用PAC控制将会使系统的安全性、可靠性和有效性得到进一步的提升。1.2 过程控制的发展随着瓦特蒸汽机的发明和使用,人类的工业水平得到了快速发展,将人们从繁重的劳动中解脱出来,大大的提高了生产力和劳动效率。随着工业进一步的快速发展和科技水平的提高,工业自动化成了势在必行的发展趋势。工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下,按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。工业自动化的实现是
9、建立在自动控制系统的基础上的。而作为自动控制系统的核心控制器,随着科技的发展和工业的高要求也在不断的更新。在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内,过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是:分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段1。从过程控制采用的理论与技术手段来看,可以粗略地把它划为三个阶段:开始到70年代为第一阶段,70年代至90年代初为第二阶段,90年代初为第三阶段开始。其中70年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期,又是现代控制应用发展的初期,90年代初既
10、是现代控制应用发展的繁荣时期,又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段,包括人工控制,以古典控制理论为主要基础,采用常规气动、液动和电动仪表,对生产过程中的温度、流量、液位和压力进行控制,在诸多控制系统中,以单回路结构、PID策略为主,同时针对不同的对象与要求,创造了一些专门的控制系统,如:使物料按比例配制的比值控制,克服大滞后的Smith预估器,克服干扰的前馈控制和串级控制等等,这个阶段的主要任务是稳定系统,实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。第二阶段是发展阶段,以现代控制理论为主要基础,以微型计算机和高档仪表为工具,对较复杂的工业过程进行控制。这个阶段的建模理论、在线辨识和实时控制
11、已突破前期的形式,继而涌现出了大量的先进控制系统和高级控制策略,如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制,消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这个阶段的主要任务是克服干扰和模型变化,满足复杂的工艺要求,提高控制质量。1975年,世界上第一台分散控制系统在美国Honeywell公司问世,从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫集散控制系统,它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术,采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则,完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术,使系统的可靠性极高,再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形
12、式,使得它组态、扩展极为方便,还有众多的控制算法(几十至上百种)、较好的人机界面和故障检测报告功能。经过20多年的发展,它已日臻完善,在众多的控制系统中,显示出出类拔萃的风范,因此,可以毫不夸张地说,分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。第三阶段是高级阶段,目前正在来到。PAC是一种新型的可编程自动化控制器,它满足控制引擎集中,涵盖PLC用户的多种需要,以及制造业厂商对信息的需求。与PLC相比更具有开放的体系结构和优秀的互操作性、灵活性;与PC相比又具有更高的稳定性和更好的实时性,因此能更好地满足现代工业自动化的要求。是目前工业自动化领域研究的热点之一。流量是过程控制中主要的控制参数之一
13、,由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响,控制对象具有一定纯滞后和容量滞后的特点,流量输出的过程缓慢,呈现非线性,经常采用PID控制器来实现对流量的控制和调节2。即使在美国、日本等工业发达国家,PID控制的使用率仍达90%,PID控制技术在国外经历了数十年的发展,从模拟PID控制发展到数字PID控制,技术不断完善与成熟。尤其近十多年来,随着微处理技术的发展,国外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃,智能控制技术发展迅速,如专家控制、自适应控制、模糊控制等,现已成为工业过程控制的重要组成部分。智能控制与常规PID控制相结合,形成所谓智能PID控制,这种新型的控制方式已引起人们的普遍关
14、注和极大兴趣,并已得到较为广泛的应用。流量控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,随着生产水平和科学技术的不断发展,现代控制系统的规模日趋大型化,复杂化3。对生产过程运行在线监控,及时准确的把握生产运行状况,已成为目前过程控制领域的一个研究热点。但从国内生产的流量控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同国外的日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。1.3 本文主要工作论文主要完成的工作有:(1)首先是流量计的选择,在条件允许的情况下,选择合适的流量计以确保精度。(2)完成PAC与计算机、水箱、控制台之间的硬件连线。(3)PID是过程控制中最基本、最常用、最重要的控制算法。在PLC和
15、组态软件中一般都有PID指令或模块,但是算法程序不公开,这使使用者对算法的正确使用产生障碍。所以全面了解PID算法并完成编程和调试是非常重要的。(4)在Proficy Machine Edition软件中完成对流量控制的编程。(5)利用iFIX组态进行实时监控并做出监控画面,生成曲线图。2 控制系统硬件设计2.1 控制方案本设计中用到电动机、变频器、流量传感器、两个水箱、PAC、阀门等硬件。其流量控制管道仪表流程图如图1所示。在实验台中流量控制分为2种控制方案,一种是工频磁力泵和电动调节阀的控制方案,另外一种是变频磁力泵和电磁阀的控制方案。当然也可以两种方案一起使用,但是他们的基本原理都是一样
16、的,考虑到实际问题我选择了第二种的控制方案,且没有用到电磁阀,所以它是一个变频调速过程。PAC模拟量输入模块将流量传感器检测到的流量信号作为反馈信号,并与给定量比较,经过PID控制器运算后输出调节变频器从而达到控制流量的目的。控制方框图如图2所示。图1 流量控制管道仪表流程图图2 控制方框图启动电源之前,先把手动阀1、2打开是为了工作时管道畅通。启动电源,在Proficy Machine Edition软件中下载连接程序无误后,摁下启动按钮,设置一个流量值,通过PAC的数字量输出模块保持工作指示灯亮,使变频器上电且启动,通过流量传感器采集流量值反馈给PAC中的PID控制器,对偏差进行运算输出一
17、个数值传送到变频器,从而带动电机旋转,水从B水箱经流量传感器到达A水箱并被指示仪表显示出来。采集到的流量值在设定值之间浮动,多次调试后达到最佳值。实验完毕后,摁下停止按钮,并关闭电源。其系统结构图如图3所示。图3 系统结构图流量控制系统管道仪表的组成:(1)磁力泵:磁力泵(磁力驱动泵)主要由泵头、磁力传动器(磁缸)、电动机、连接底板等几部分零件组成。磁力泵磁力传动器是有内、外转子及不导磁的隔离套等组成4。当电动机带动外转子旋转时,磁场能穿透空气隙和非磁性物质,带动与叶轮相连的内磁转子作同步旋转,实现动力的无接触同步传递,将容易泄露的动密封结构转化为零泄漏的静密封结构。磁力泵从B水箱到A水箱抽送
18、水,是整个系统的动力单元。(2)变频器:变频器发送频率到磁力泵,从而带动并控制磁力泵的转速。(3)电磁继电器:电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)释放。这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。它主要是控制变频器的通断、指示灯的明灭。(4)流量传感器:采集瞬时的流量值反馈给控制器,控
19、制器运算调节变频器从而控制流量的大小。(5)流量指示仪表:用以显示通过的瞬时流量值。(6)水箱。(7)阀门。2.2 流量的检测方法流量的检测方法繁多。根据流量的定义,流量的测量主要有以下4大类测量方法:(1)差压流量测量法:利用流体流过通道中阻力件时产生的压力差与流量之间的确定关系求得流量即是利用压力能与动能的转换和守恒原理而测量流量的。(2)容积式流量测量法:利用标准容积的容器,接连不断的对流动介质进行测量从而直接确定流量。(3)流体振动式测量法:流体在流动过程中遇到某种阻碍后在它的下游会产生一系列自激振荡的旋涡,测量流量旋涡的振动频率就可推算出流量值。(4)流速式流量测量法:通过测量管道截
20、面上流体平均流速来测量流量。本设计中用到的SMC流量计的检测方式是卡曼涡街式,即利用流体流过障碍物时产生稳定的漩涡,通过测量其漩涡产生的频率而实现流量计量的5。卡曼涡街是流体横向流过圆柱体时,在圆柱体背面的两侧交替产生旋涡,且在脱离后形成旋涡尾流的现象。产生旋涡的原因是流体受阻后动能和压力能相互转换,且压强沿圆柱体周边向及边界层的厚度方向发生变化,边界层外部流体的较大压强作用迫使边界层内部压强较小的质点向相反方向流动,从而使边界层增厚,形成旋涡,然后从圆柱体表面脱离,旋涡随着流速增大被拉长后消失。当一侧旋涡长大脱离时,另一侧的旋涡正在形成并长大,这样交替形成两行旋涡尾流,形似“涡街”。本设计中
21、用到的SMC FLOW SWITCH PF2W520-03-2属于流体振动式测量法的范畴。SMC FLOW SWITCH PF2W520-03-2是水用数字式流量开关,检测方式是卡曼涡街式,流量和设定流量量程为216L/min,最小单位为0.1L/min,显示单位分别为瞬间流量和累计流量。它是将检测到的流量信号传送给PAC,显示部分用的是PF2W300,流量计和显示部分外形如图4所示。其具体参数如表1所示,流量传感器三视图如附录中图1所示。表1 SMC流量计参数表型 号PF2W520-03-2测定流体水检测方式卡曼涡街式流量和设定流量范围216L/min设定最小单位0.1L/min显示单位瞬时
22、流量L/min,gal(US)/min积算流量L,gal(US)使用压力范围01MPa耐压1.5MPa累积流量范围0999999L使用温度范围050不结露线性5F.S.以下精度3F.S.以下温度特性5F.S.以下(050)输出规格27:NPN开路选择30V80mA两输出工作指示灯ON灯亮OUT1:绿色OUT2:红色响应时间1秒响应时间延迟变量可调,窗口固定显示:3位数电源电压DC1224V(波动10以下)工作电流70mA以下耐电压外部端子和外壳间AC1000V1分钟绝缘电阻外部端子和外壳间2M(DC500V)抗噪音1000Vpp,脉冲宽度:1s,持续1ns抗振动10500Hz振幅1.5mm,加
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