流量控制系统设计

流量控制系统设计 目 录 第一章 过程控制仪表课程设计的目的意义 .......................... 2 1.1 设计目的....................................................2 1.2 课程在教学计划中的地位和作用 .................................... 2 第二章 流量控制系统(实验部分) .................................. 3 2.1 控制系统工艺流程............................................3 2.2 控制系统的控制要求..........................................4 2.3 系统的实验调试.............................................. 5 第三章 流量控制系统工艺流程及控制要求 .......................... 6 3.1 控制系统工艺流程 ................................................. 6 3.2 设计内容及要求 ................................................... 7 第四章 总体设计 .................................................. 8 4.1 设计思想 .......................................................... 8 4.2 总体设计流程图 ............................................. 8 第五章 硬件设计 ....................................................... 9 5.1 硬件设计概要................................................9 5.2 硬件选型 .......................................................... 9 5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 ................................ 13 第六章 软件设计 ...................................................... 14 6.1 软件设计流程图及其说明 ......................................... 14 6.2 源程序及其说明 .................................................. 16 第七章 系统调试及使用说明 ......................................... 17 第八章 收获、体会.................................................... 20 参考文献 ................................................................. 21 第一章 微控制器应用系统综合设计的目的意义 1.1 实验目的 本次课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。本设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。 本次设计的主要任务是通过对一个典型工业生产过程(如煤气脱硫工艺过程)进行分析，并对其中的液位参数设计其控制系统。设计中要求学生掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号;掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号;掌握PID调节器的功能原理，完成液位控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。通过对过程控制系统的组态和调试，使学生对《过程控制仪表》课程的内容有一个全面的感性认识，掌握常用过程控制系统的基本应用，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。 1.2 课程设计在教学计划中的地位和作用 本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用，使学生加深对过去已修课程的理解，用本课程所学的基本理论和方法，运用计算机控制技术，解决过程控制领域的实际问题，为学生今后从事过程控制领域的工作打下基础。因此本课程在教学计划中具有重要的地位和作用。 1 第二章 流量控制系统(实验部分) 2.1 控制系统工艺流程 VL1 M Q1 FC1 FT1 M 电加热器 SSR 图2.1 内容器单闭环流量控制系统工艺流程图 SSR为固态继电器说明:FT为流量变送器，FC为智能调节器，VL为电动阀， 控制输出，Q表示流量。图2.3同。 扰动f PID智能调节器 给定量Qs 偏差Qi 流量对象内 电子阀 调节器 D/A 容器 被- + 控 制 量Q1反馈Qf 流量变送器 QQ1 无纸记录仪 A/D 图2.2 内容器单闭环流量控制系统方块流程图 2 VL1 M Q1 FC1 FT1 K FT2 FC2 M Q2 电加热器 SSR 图2.3 双闭环比值控制工艺流程图 Q1 给定量Qs 偏差Qi 流量对象内 调节阀VL1 调节器FC1 容器 - + 反馈Qf 流量检测及变送器FT1 Q2 K - 流量对象 乘法器 调节器FC2 调节阀VL2 夹套 + 流量检测及变送器FT1 图2.4 双闭环比值控制方块流程图 2.2 控制系统的控制要求 3 2.2.1 单闭环控制 要求给定流量范围为0~400L/h，流量从200L/h稳态向300L/h稳态过渡的调节时间不超过100s，超调量不超过5%，稳态误差不超过?5%. 2.2.2 双闭环比值控制 主回路(图2.4中FC1调节的回路)要求如单闭环控制要求，副回路(FC2调节的回路)的比值K为2，主回路Q1随给定Qs改变:在Q1稳定在给定Qs后，副回路调节时间不超过50s，超调量不超过5%，稳态误差不超过?5% 2.3 系统的实验调试 2.3.1单闭环流量控制 ?在实验面板上接好线，确认无误后打开实验机柜电源和水泵开关; ?将智能调节器FC1设置为单路输入内给定、人工模糊自整定PID调节方式; ?调节PID参数:积分分离值为0，先使积分时间TI为一较大值，微分时间TD为0;调节比例带P，使流量Q1能稳定到给定值附近，且过渡时间不太大、超调量满足工艺要求;再调节积分时间TI，使流量Q1的稳态误差减小以满足工艺要求。若此时过渡时间也能达到工艺要求，则可以不要微分作用，若不能满足则慢慢增加微分时间TD，使调节时间减小以满足工艺要求。 说明:在调节比例带P使流量能稳定到给定值附近后，主要需解决的是减少稳态误差(减小TI)、减少超调量(增加比例带P或积分时间TI)和减少过渡时间(增加微分时间TD或减小积分时间TI)，P、TI、TD这3个参数主要需调节的是P和TI，观察无纸记录仪的响应曲线，多试几组参数，使流量控制达到工艺要求。 2.3.2双闭环比值控制 ?在2.3.1中单闭环流量控制已满足工艺要求的前提下，将其做为主回路，不需再改动其参数。 ?将调节器FC2设置为双路输入外给定、人工模糊自整定PID调节方式。 ?将比值器设置为加法方式，比例系数A=0.5，B=0。 ?Q1稳定后，副回路的给定也就一定了。调节PID参数(调节方法如单闭环控制)，给调节器FC2选择合适的PID值以满足工艺要求。 第三章 流量控制系统工艺流程及控制要求 4 3.1 控制系统工艺流程 HPF法脱硫是国内新开发的技术,它是以氨为碱源液相催化氧化脱硫新工艺,采用的催化剂HPF是一种复合催化剂,它对脱硫和再生过程均有催化作用。所产废液完全可以回兑到炼焦煤中,从而大大简化了工艺流程。脱硫、脱氰效率较高, 33一般可达到塔后煤气含HS?100mg/m，含HCN?300mg/m。 2 HPF法脱硫的工艺流程是:鼓风机后的煤气进入预冷塔与塔顶喷洒的冷却水逆向接触,被冷却为30?，冷却水从塔下部用泵抽出,送外冷器被低温水冷至28?送回塔顶循环喷洒。采取部分剩余氨水更新循环冷却水,多余循环水返回机械化氨水澄清槽。 冷后的焦炉煤气经过两台并联的脱硫塔,从塔顶喷淋脱硫液以吸收煤气中的HS、HCN(同时吸收氨,以补充脱硫脱氰过程中消耗的氨)。脱HS后的煤气送入洗22 涤工段。 两台并联的脱硫塔都有自己独立的再生系统，吸收了HS、HCN的溶液从塔2 溜出，经液封槽进入各自独立的反应槽，再经溶液循环泵送入再生塔。同时由空气压缩机送来的压缩空气鼓入再生塔底部,溶液在塔内即得到再生。再生后溶液经液位调节器返回各自对应的脱硫塔循环使用。 浮于再生塔顶的硫泡沫利用位差流入泡沫槽,硫泡沫经泡沫泵送入戈尔膜过滤器分离,清液流入反应槽,硫膏经压缩空气压榨成硫饼装袋外销。为避免脱硫液盐类积累影响脱硫效果,排出少量废液送往配煤。 脱硫工艺的流程如图3.1所示。图中L表示液位;P表示压力;T表示温度;F表示流量;I表示指示;C表示控制;V表示阀门;Q表示累计。 5 图3.1 HPF脱硫工艺流程流程图 3.2 设计内容及要求 31).循环上水的流量范围在800~1000m/h，精度要求为?5%。 2).抽水高度(即预冷塔高度)约20m。 第四章 总体设计方案 6 4.1 设计思想 设计的关键在于循环水的抽送、流量的检测和控制，分别可以通过选择合适的工业水泵、流量计、无纸记录仪和流量积分演算智能调节器、电动调节阀完成相关功能。 另外，假设氨水与循环上水的流量比值有固定要求，可增加比值器实现流量比值控制。设循环上水的流量为主控量Q1，氨水的流量给定则为Q2s=Q1*K，二者的配比为氨水:循环上水=K:1，则可用实验中的流量比值控制系统实现该控制环节。 4.2 总体设计流程图 循环上水给定偏差Q1i Q1 量Q1s 调节阀VL1 调节器FC1 循环上水 - + 反馈Q1f 流量检测及变送器FT1 Q2 K - 比值器 调节器FC2 调节阀VL2 氨 水 + 流量检测及变送器FT1 图4.1 双闭环比值控制方块流程图 第五章 硬件设计 7 5.1 硬件设计概要 硬件设计主要是智能调节器的设计，可采用单片机做实时监控芯片，结合外围电路实现流量信号的变换、采集、PID运算与控制输出等功能。为了能实时调整PID参数，需增加键盘扫描电路;为了显示PID参数和流量的大小，需增加显示模块。 5.2 硬件选型 5.2.1 智能调节器的自行设计 I/V转换可用OP07构成的比例放大器实现。由于ADC0809的转换速度只有几十微妙，相对流量的变化时间很小，可以不要保持器。而ADC0809与DAC0832都是八位的转换器件，理论上的控制精度可达到1/255*100%=0.4%，足以满足流量控制的精度要求。V/I转换可用RCV420转换器。 单片机选择STC89C52一是CMOS工艺的单片机功耗较低;二是价格便宜;再者内部程序存储器有8KB的FLASH ROM，能满足绝大部分工控过程实时监控程序的烧写需求。 显示部分用LCD，采用长沙太阳人电子的SMC1602a字符型液晶显示器。 键盘扫描可用8279加4*4矩阵键盘以中断方式实现。 5.2.2 智能调节器选型 采用虹润的HR-WP-XLS80智能调节器代替，其参数如下 ?输入信号:模 拟 量 热电偶:B、E、J、K、S、T、WRe3-25、F2 电 阻:Pt100、Pt100.1、Cu50、Cu100、BA1、BA2 电 流:0,10mA、4,20mA、0,20mA，输入阻抗?250Ω 电 压:0,5V、1,5V 波 形:矩形、正弦或三角波 幅 度:光电隔离，大于4V(或根据用户要求任定) 频 率:0,10KHz(或根据用户要求任定) ?输出信号:DC 4,20mA ?精度: 测量显示精度 ?0.5%FS或?0.2%FS 8 频率转换精度 ?1脉冲(LMS)一般优于0.2% 5.2.3电动调节阀选型 采用湖南力升信息设备有限公司的LSDZ-50电动调节机构，技术指标如下 出轴力矩(N.m):50 动作范围:0~360? 动作时间(S):20 控制电路选项:4-20mA输入 位置输出:4-20mA直流 动力电源:220VAC 50Hz 精度:定位精度:0.5%，位置反馈精度:0.5% 环境温度:-25~+55? 5.2.4流量计选型 采用北京尺度方圆传感器有限公司的LWGY-250A05S，技术指标如下 精度: ?0.5%R 3口径: 250mm, 量程120—1200m/h 重复性: 0.05%,0.2% 5.2.5比值器选型 采用虹润的HR-WP-XQS80，技术指标如下 ?特性 显示方式:以双排四位LED显示第一路测量值(PV1)和第二路测量值(PV2)，以红色/绿色光柱进行两路测量值百分比的模拟显示。 显示范围:-1999,9999字。 测量精度:?0.2%FS或0.5%FS;?0.1%FS(需特殊订制)。 分 辨 率:?1字。 报警方式:1-4个报警点控制(1AL、2AL、3AL、4AL)LED指示。 报警精度:?1字。 ?运算模型 加减运算:S0=AS1?BS2 公式4.1 9 乘法运算:S0=AS1×BS2 公式4.2 除法运算:S0=AS1?BS2 公式4.3 计算精度:?0.5%FS?1字或?0.2%FS?1字 运算周期:0.4秒 ?输入信号 热 电 偶: K、E、S、B、J、T、R、Wre3-25热 电 阻:Pt100、Cu100、Cu50、BA2、BA1 直流电压:0,20mV、0,100mV、0,5V、1,5V、0,5V开方、1,5V开方、-5,5V;-10V,10V、0,10V 直流电流:0,10mA、4,20mA 、0,20mA、0,10mA开方、4,20mA开方。 ?输出信号 输出精度:同测量精度。 电流信号:DC 4,20mA，负载电阻R?500Ω;DC 0,10mA，负载电阻R?750Ω。 电压信号:DC 0,5V;DC 1,5V，负载电阻R?250KΩ，否则不保证连接外部仪表后的输出准确度。 5.2.6无纸记录仪选型 采用虹润的HR-SSR单色无纸记录仪，技术指标如下 显示器:采用160*128点阵、高亮度黄底黑字液晶屏，LED背光、画面清晰; 基本误差:0.2%F.S 输入规格: 全隔离万能输入 1,8通道信号输入，通道间全隔离，隔离电压大于400 输入阻抗: 电流:250Ω，电压>1MΩ; 热电阻:要求三线电阻平衡，引线电阻<10Ω。 电 压:(0,5)V、(1,5)V、mV信号; 电 流:(0,10)mA、(4,20)mA; 热电阻: PT100、Cu50、BA1、BA2; 热电偶:S、B、K、T、E、J、R、N; 传感器配电 24VDC; 10 输出规格: 模拟输出 4-20mA输出; 12路可组态继电器触点输出:触点容量为3A、250VAC(阻性 负载); 报警输出 上上限、上限、下限、下下限; 补偿运算: 蒸汽„„„ 根据IFC67公式计算蒸汽密度补偿饱和蒸汽与过 热蒸汽的质量流量或热流量。 一般气体„„温度、压力补偿测量标准体积流量。 天然气„„„温度、压力补偿测量标准体积流量。 液体 „„„ 温度补偿测量标准体积流量或质量流量。 补偿范围:蒸汽 压力 0.1,4.5MPa 温度 100,500? 3 密度 0.1,100Kg/m 比焓 2508,3224KJ/Kg 一般气体 压力 0,60MPa 温度 -100,500? 液体 温度 ,100,500? 累积范围: 0,99999999 记录时间:记录间隔:1、2、5、10、15、30、60、120、240秒可选。 记录长度:八录，72小时/笔 (记录间隔1秒),720天/ 笔(记录间隔4分)。记录间隔可根据对象的不同而不同:对于 变化缓慢的信号如温度，其记录间隔可取得大些，如 30 秒;而 对于变化比较快的信号如流量，其记录间隔可取 1,5 秒;其他 如液位信号，其记录间隔可取1,10秒。 数据备份和转存: 128M、256M 、512M、1G U盘可选 热电偶冷端补偿误差: ?1? 11 断电保护时间: 内置FLASH存储器保护参数和历史数据，断电后可永久保 存。集成硬件时钟，掉电后也能准确运行。 时钟误差: ?1分/月 供电电源: 开关电源 85VAC,265VAC，50Hz?5% 环境温度: 0,50? 环境湿度: 0,85%RH 5.2.7水泵选型 北京)水泵系统有限公司的立式单级管道泵 IL，技术指采用威乐山姆逊( 标如下 流量范围: 900m3/h 压力范围: 最大扬程:85m 功率范围: 0.25kw至200kw 说明:需用两台泵并联抽水。 5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 来自变送器4~20mA LCD 电流信号 送调节阀 SP1 DAC I/V V/I TP0 0832 C 8 98279 P3.2 ADC C0809 5 2 4*4矩阵 键盘 图5.1 智能调节器(自行设计)硬件原理图 第六章 软件设计 6.1 软件设计流程图及其说明 12 6.1.1主函数 8279初始化 LCD初始化 定时/计数器T0初始化 中断方式初始化 显示PV、SV值 等待中断 图5.1 智能调节器(主函数流程图设计) 说明:8279工作于二键锁定、编码方式;T0工作于定时方式1;PID参数的设置由键盘中断完成;PID运算过程和输出控制由T0中断完成;PV值为当前流量，SV为给定量。 6.1.2 键盘中断函数 13 读8279回送键值 键值处理 调用相应的参数修改函数 中断返回 图5.2 读键值修改PID参数中断函数 6.1.3 定时器T0中断函数 启动A/D转换获取当前流量 调用积分分离PID函数 完成控制输出 更新PV显示值 更新定时初值，启动下一次定时 中断返回 图5.3 定时器T0采样中断流程图 6.1.4 LCD显示函数 14 清当前LCD显示内容 显示SV、PV值 返回 图5.4 LCD显示函数流程图 6.1.5 参数(P、Ti、Td、A、Ts)设置函数 清当前LCD显示内容 显示当前设置参数类型 读键值(0~9) Y 确认键, N Y 数据长度超限, N 将键值赋给相应位 更新当前设置参数 子函数返回 图5.5 PID参数设置函数流程图 15 第七章 系统调试中遇到的问题及解决方法 7.1 调试单闭环流量控制系统时遇到的问题 7.1.1 阀门开度100%，流量最大值才150L/h 我首先想到的是量程范围是否设置错误了，于是检查了一次智能调节器的二级参数，结果没找出错误。于是很冒昧地请了吴老师帮忙，结果是分流开关被我开的过大导致主回路的流量过小，把分流开关关小就可以提高主回路的流量值了。我完全忘了那是分流开关，只好乖乖接受吴老师的批评教育了。 7.1.2无纸记录仪显示反馈流量振荡 y (L/h) y (L/h) 300 200 200 150s t t 图6.1 比例带过小 图6.2 比例带适中 解决方法——增大比例带P，由200调到了800，反馈流量最终能稳定在给定值200L/h附近，此时调节时间(由振荡到稳定在给定值?%5)为150s，未达到控制要求。 7.1.3 调节时间过大 解决方法:减小积分时间Ti，由30s减小到22.5s，调节时间减少到100s左右。然后增加微分时间Td，由0增加到0.5s，可使调节时间小于90s，达到控制要求。同时，从无纸记录仪上观察到流量过渡曲线(在给定值200与给定值300之间)超调小于5%，稳态误差也小于?5%，各项指标达到控制要求。 之后又多试了几组参数，最终得到较为理想的一组参数如下 比例带P=620，积分时间Ti=22.5s，微分时间Td=0.5s，运算周期To=2s。 16 对应流量控制指标为:从200L/h到300L/h，调节时间为80s，无超调，稳态误差?2%。 7.2 调试流量比值控制系统时遇到的问题 7.2.1 不了解比值器的连线方式 实验时第一次接触比值器，虽然知道X、Y是输入，Z是输出，但不知道面板上标的X、Y、Z该怎么连线，问搭档和周围的同学没人知道，看实验指导书也没有介绍怎么接线，因为怕接错了把仪表烧坏，所以求吴老师指导。在吴老师的细心指导下我了解了比值器中的信号为直流电流信号，所以无论输入或者输出都要串联连接。而且由公式4.1、公式4.2、公式4.3可知比值器应工作在运算方式2(即加法运算，公式4.1)，比例因子A即为流量比值K，比例因子B置0。 7.2.2 副回路流量为0，与给定200L/h有明显偏差，但调节器无输出 “有偏差就肯定有控制输出”，本着这个想法，我怀疑是不是接线有问题，于是检查了一次接线，可是没发现错误。接着我想到了输出是有的，可能极性反了，即调节器的正反作用设置有误。结果一查二级参数，调节器工作在正作用方式下，将其改为反作用方式后电动调节阀立刻产生动作，流量迅速提升。 7.2.3 调节器2的比例带已经调到999.9最大值，副回路流量仍然振荡 y (L/h) y (L/h) 300 200 200 120s t t 图6.3 副回路Td=1的响应曲线 图6.3 副回路Td=0的响应曲线 这完全可以肯定振荡与比例带无关，可以考虑调节积分时间和微分时间。先去掉FC2的微分作用，使Td=0，观察无纸记录仪发现副回路流量不再振荡。 17 7.2.4 主回路已稳定，改变比例K时副回路的过渡时间(2分钟)太长 y (L/h) y (L/h) 300 300 200 200 70s 0s 0s 120s t t 图6.6 副回路Ti=7.5s的响应曲线 图6.5 副回路Ti=15s的响应曲线 要使副回路响应加快首先可以调节FC2的比例带P，可是调小了容易振荡，调大了对减少调节时间的作用不明显。于是将FC2的比例带固定在680，减小积分时间Ti，使Ti=7.5s，结果可使调节时间减少到70s。 最后多试了几组参数，最佳的参数如下 主回路保持单闭环实验的参数不变，副回路调节器FC2的比例带P=680，积分时间Ti=7.5s，微分时间Td=0，运算周期To=2s,积分分离值AT=100。 当比值K=2时，主回路Q1随给定Qs改变:主回路Q1的过渡时间为75s，无超调，稳态误差小于?5%。副回路调节时间约90s(即主被控量Q1稳定后Q2经15秒左右稳定)，无超调，稳态误差约?2%。 18 第八章 收获、体会 在整个课程设计过程中，我切实感受到一句话——“实践出真知”的分量。有些东西是教堂上的课本没有的——或者根本找不到，或者没有现成的例子，这就要综合自己所学的知识技能再加上临时的补充去解决这些问题。此设计采用双回路控制系统，方案简单、并且在设计中采用了智能仪表能够更好的适应环境变化对于控制系统的要求。但是这个方法在上课时没学好，刚开始看到那流程图时没有任何头绪，大都是些没接触过的东西，心里很是抗拒。可是心里还是很想做好这次课程设计，于是硬着头皮把说明的文字对着图看了好几遍，最后弄明白了整个工艺流程，并提取出需要我设计的流量控制部分。 实验中遇到最大的困难要数调参数了，看似简单的PID,只要改变其中任何一个参数整个系统的性能就变化很大。于是我照着指导老师的方法，依次调节P、I、D。尽管有理论指导，在调试过程中仍遇到不少问题，有些是粗心大意将参数设置错了，有些则是难以把握P、I、D各项的数值。这是一个比较繁琐的过程，但经过不懈努力，最后终于调试达到要求。 随着技术进步，人工模糊自整定PID控制在实际中的应用越来越显得不足，但是对于一些简单控制系统来说还能达到控制要求，计算机控制以及各种智能仪表将在自动控制系统中占有绝对的优势～以后本人会逐步学习优越的控制方案，应用智能控制仪表完成更好的系统控制～ 19 参考文献 书籍 [1] 吴同茂编.《过程控制仪表》实验及课程设计指导书.长沙:中南大学出版社，2008年 [2] 于海生等编.微型计算机控制技术.北京:清华大学出版社，1999年3月 [3] 向婉成编.控制仪表与装置.北京:机械工业出版社，1999年10月 [4] 凌玉华等编.单片机原理及应用系统设计.长沙:中南大学出版社，2006年4月 [5] 胡寿松主编.自动控制原理.北京:科学出版社，2007年 网络资料 [1] 虹润精密仪器有限公司.HR-SSR单色无纸记录仪 [2] 虹润精密仪器有限公司.HR-WP流量积算显示控制仪说明书 [3] 虹润精密仪器有限公司. HR-WP-XQ比值器说明书 [4] 湖南力升信息设备有限公司.LSDZ、LSDD、LSDK执行机构说明书 20