控裝課程設(shè)計---除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　( 2013 -- 2014學(xué)年度第2學(xué)期 )</p><p>　　名 稱： 控制裝置及儀表課程設(shè)計 </p><p>　　題 目： 除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　院 系： 自動化

2、系 </p><p>　　班 級： 自動化1104班 </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　日期：2014年6月27日</p><p>　　除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p&g

3、t;　　一、課程設(shè)計的目的與要求</p><p>　　1、了解過程控制方案的原理圖表示方法（SAMA圖）。</p><p>　　2、掌握數(shù)字調(diào)節(jié)器KMM的組態(tài)方法，熟悉KMM的面板操作、數(shù)據(jù)設(shè)定器和KMM數(shù)據(jù)寫入器的使用方法。</p><p>　　3、初步了解控制系統(tǒng)參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試的過程。</p><p><b>　　二、設(shè)計正

4、文</b></p><p>　　1、由控制要求畫出控制流程圖。</p><p>　　對如圖1所示的除氧器水位單回路控制系統(tǒng)，要求對除氧器進(jìn)行單變量定值控制。除氧器水位經(jīng)水位變送器測量后，由KMM模入通道送至調(diào)節(jié)器中。調(diào)節(jié)器輸出AO1經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換通道控制調(diào)節(jié)閥，控制除氧器內(nèi)水位。</p><p><b>　　圖1</b></p&

5、gt;<p>　　控制要求：當(dāng)調(diào)節(jié)器的給定值SP和測量值PV之偏差超過給定的監(jiān)視值（15%）時，調(diào)節(jié)器自動切換至手動（M）方式。在偏差允許的范圍內(nèi)（15%），允許切入自動（A）方式。</p><p>　　2. 確定對可編程序調(diào)節(jié)器的要求。</p><p>　　控制系統(tǒng)要求一路模擬量輸入（模入）通道輸入壓力信號，一路模擬量輸出（模出）通道輸出控制信號控制壓力調(diào)節(jié)閥。而KMM具有

6、5路模入通道、3路模出通道（其中第一路模出通道AO1可另外同時輸出一路4～20mA電流信號），可滿足本系統(tǒng)控制要求。</p><p>　　3. 設(shè)計控制原理圖（SAMA圖）。</p><p>　　根據(jù)控制對象的特性和控制要求，進(jìn)行常規(guī)的控制系統(tǒng)設(shè)計。SAMA圖2</p><p>　　SAMA圖例是由美國科學(xué)儀器制造商協(xié)會（Scientific Apparatus M

7、aker’s Association）制訂的標(biāo)準(zhǔn)功能圖例，用于控制系統(tǒng)設(shè)計功能的表達(dá)。圖例表示了最基本的功能，在設(shè)計使用時把某些功能圖例組合在一起，表示某一功能塊或顯示操作器的功能，從而將全部控制功能表達(dá)出來。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　4、繪制KMM組態(tài)圖并填寫KMM控制數(shù)據(jù)表</p><p>　　用所采用

8、的控制儀表制造廠商提供的控制圖例和組態(tài)方法，在控制裝置中實現(xiàn)控制策略。KMM的組態(tài)方式是填表式組態(tài)方法，要根據(jù)控制要求畫出KMM組態(tài)圖并由組態(tài)圖按KMM數(shù)據(jù)表格式填寫控制數(shù)據(jù)表，為制作用戶EPROM作準(zhǔn)備。</p><p>　?。?）繪制KMM組態(tài)圖見圖3</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　（2）根據(jù)KMM組態(tài)圖填寫

9、控制數(shù)據(jù)表。</p><p>　　KMM組態(tài)通過填入以下7個數(shù)據(jù)表格實現(xiàn)。</p><p><b>　　①基本數(shù)據(jù)表</b></p><p>　　(F001-01-□□-)</p><p>　　PROM管理編號：作芯片記號，指定一個四位數(shù)。（我組編號為1142）</p><p>　　運(yùn)算操作周期：

10、1－100ms；2－200ms；3－300ms；4－400ms；5－500ms。</p><p>　　調(diào)節(jié)器類型：0－1PID(A/M)1；1－PID(C/A/M)；2－2PID(A/M)；3－2PID(C/A/M)。</p><p>　　上位計算機(jī)控制系統(tǒng)：0－無通信；1－有通信（無上位機(jī)）；2－有通信（有上位機(jī)）。</p><p>　　上位機(jī)故障時切換狀態(tài)：0－

11、MAN方式；1－AUTO方式。</p><p><b>　　②輸入處理數(shù)據(jù)表</b></p><p>　?。‵002-□□-□□-）</p><p>　　輸入使用：0－不用；1－用。</p><p>　　按工程顯示小數(shù)點位置：0－無小數(shù)；1－1位小數(shù)；2－2位小數(shù)；3－三位小數(shù)。</p><p>

12、　　開平方處理：0－直線；0－開平方處理。</p><p>　　開方小信號切除：給AI1～AI5設(shè)定的開方信號切除值。</p><p>　　傳感器故障診斷：0－無診斷；1－診斷。</p><p><b>　?、跴ID數(shù)據(jù)表</b></p><p>　　（F003-□□-□□-）</p><p>　

13、　PID操作類型：0－常規(guī)PID；1－微分先行PID。</p><p>　　PV跟蹤：定值跟蹤功能，0－無；1－有。</p><p>　　④折線數(shù)據(jù)表（注：本設(shè)計中此數(shù)據(jù)表未用，可不填寫。）</p><p><b>　?、菘勺冏兞勘?lt;/b></p><p>　　可使用百分型可變變量20個，時間型可變變量5個。</p

14、><p>　?。‵005-□□-□□-）</p><p>　　01(百分型) 02(時間型)</p><p>　　百分型數(shù)據(jù)：缺省值為0.0；給定范圍為：-699.0～799.9%。</p><p>　　時間型數(shù)據(jù)：缺省值為0.00min；給定范圍為：0.00～99.99mi

15、n。</p><p><b>　　⑥輸出處理數(shù)據(jù)表</b></p><p>　　規(guī)定模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號從哪個模塊引出。</p><p>　?。‵006-□□-□□-）</p><p>　　連接的內(nèi)部信號缺省值為U0000。</p><p><b>　?、哌\(yùn)算模塊數(shù)據(jù)表</b

16、></p><p>　　用來規(guī)定模塊的類型及模塊相互之間的連接。</p><p>　?。‵1□□-□□-）</p><p>　　運(yùn)算模塊編號：由設(shè)計人員按模塊調(diào)入順序給出的序號。</p><p>　　運(yùn)算模塊數(shù)據(jù)表參見教材：表4-1。</p><p>　　模塊輸入端能用的內(nèi)部信號參見教材：表4-2 </p&

17、gt;<p>　　綜上，通過KMM程序?qū)懭肫鲗懭胄酒拇a如下：</p><p>　　F001-01-01-1142 F002-02-01-1</p><p>　　F002-02-02-2 F002-02-03-0.00</p><p>　　F002-02-04-100.0 F002-02-15-0<

18、/p><p>　　F003-01-01-0 F003-01-04-0 </p><p>　　F003-01-05-100.0 F003-01-06-0.5 </p><p>　　F005-01-01-0.0 F005-01-02-100.0</p><p>　　F005-01-03-15

19、.0 F006-01-01-U0004</p><p>　　F006-01-02-P0001 F101-20-H1-P0001 </p><p>　　F101-20-H2-P0402 F101-20-P1-U0004 </p><p>

20、;　　F101-20-P2-P0502 F102-11-H1-U0001 </p><p>　　F102-11-H2-P0101 F103-13-H1-U0002 </p><p>　　F103-13-H2-P0102 F104-19-H1-U0003 <

21、;/p><p>　　F105-16-H1-P0001 F105-16-H2-P0402 </p><p>　　F105-16-P1-P0103 F105-16-P2-P0104 </p><p>　　F106-30-H1-U0005 F10

22、7-28-H1-P1001 </p><p>　　F107-28-H2-U0005 F108-27-H1-P1002 </p><p>　　F108-27-H2-U0006 F109-45-H1-P0502 </p&

23、gt;<p>　　F109-45-H2-U0007 F109-45-P1-U0008 </p><p>　　F109-45-P2-P0502</p><p>　　5. 掌握KMM程序?qū)懭肫鞯氖褂梅椒ú⒂贸绦驅(qū)懭肫鲗?shù)據(jù)寫入EPROM中。具體如下：</p><p>　　一、KMM程序?qū)懭肫鞯牟僮鞣椒?lt;/p

24、><p>　　程序?qū)懭肫骶哂兄谱骺删幊陶{(diào)節(jié)器的用戶PROM所需要的全部功能，還能夠打印出程序的內(nèi)容并具有程序?qū)懭肫鞅旧淼淖栽\斷功能。</p><p>　　圖4 KMM程序?qū)懭肫鳎ㄗ螅┘懊姘澹ㄓ遥?lt;/p><p>　　程序?qū)懭肫魍庥^見圖4（左）。其鍵盤和顯示單元部分如圖4（右）所示。顯示部分由兩排數(shù)碼管顯示信息，上排數(shù)碼管顯示控制代碼及數(shù)據(jù)，其全部格式見圖5所示。<

25、/p><p>　　圖5 控制數(shù)據(jù)的代碼</p><p>　　下排數(shù)碼管給出數(shù)據(jù)填寫過程中的提示信息或出錯代碼。</p><p>　　控制代碼及數(shù)據(jù)的內(nèi)容填寫由鍵盤控制。各鍵功能如下（按由上至下，從左到右的鍵盤順序）：</p><p>　　READ鍵：把用戶PROM程序讀入寫入器的RAM中。</p><p>　　A鍵：選擇增

26、加運(yùn)算單元的功能。</p><p>　　C鍵：選擇用戶PROM校核功能，擦除檢查、缺省值讀出和程序?qū)懭肫鞯淖栽\斷功能。</p><p>　　例如：C333+ENT(表示輸入C333后按ENT鍵，以下同)，表示進(jìn)行用戶PROM擦除檢查，沒有擦除干凈則顯示“ERROR21”。</p><p>　　C444+ENT表示把控制數(shù)據(jù)的缺省值裝入程序?qū)懭肫鞯腞AM。（上電時自動

27、執(zhí)行該功能。）</p><p>　　C222+ENT表示進(jìn)行用戶PROM和程序?qū)懭肫鱎AM之間的校核檢查，有錯則顯示“ERROR20”。</p><p>　　UF鍵：送運(yùn)算單元的單元編號。</p><p>　　F鍵：選擇控制數(shù)據(jù)的寫入功能。</p><p>　　WRIT鍵：把程序?qū)懭肫鱎AM中的程序?qū)懭胗脩鬚ROM中。</p>

28、<p>　　D鍵：選擇刪除運(yùn)算單元的內(nèi)容。</p><p>　　L鍵：選擇打印功能。</p><p>　　C1鍵：調(diào)用各個項目碼的第一部分。（在寫入運(yùn)算單元時，調(diào)用運(yùn)算式的編號部分。）</p><p>　　C2F鍵：調(diào)用各個項目碼的第二部分。（在寫入運(yùn)算單元時，調(diào)用輸入信號部分。）</p><p>　　P鍵和U鍵：用于運(yùn)算單元的置數(shù)

29、。</p><p>　　DATA鍵：調(diào)用數(shù)據(jù)部分。</p><p>　　STOP鍵：停止打印。</p><p>　　ENT鍵：確認(rèn)鍵，填入設(shè)置的代碼和數(shù)據(jù)。</p><p>　　6. 按控制系統(tǒng)模擬線路原理圖接線。</p><p>　　由運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)模擬控制對象特性，構(gòu)成控制系統(tǒng)的模擬控制回路。系統(tǒng)原理接線

30、圖如圖6所示。</p><p><b>　　圖6系統(tǒng)原理接線圖</b></p><p>　　模擬被控對象由兩個線性運(yùn)算放大器分別構(gòu)成的積分環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。控制回路中設(shè)定值和測量值信號分別送入工業(yè)控制信號轉(zhuǎn)換器中的A/D模擬量輸入通道1、2中進(jìn)行顯示和記錄。</p><p>　　運(yùn)算放大器構(gòu)成的是一個積分環(huán)節(jié)和一個一階慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)的

31、反饋回路。對于一階慣性環(huán)節(jié)，運(yùn)放的反饋網(wǎng)絡(luò)是電阻和電容的并聯(lián)，等效阻抗，輸入網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗，這個放大器構(gòu)成的閉環(huán)特性傳遞函數(shù)，設(shè)定，則。設(shè)計實驗中選取，，計算得這個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。對于積分環(huán)節(jié)，。這樣，被控對象的傳遞函數(shù)為，是一個非自衡對象。</p><p>　　7. 進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)整，對控制系統(tǒng)各項功能進(jìn)行模擬測試并記錄定值擾動控制曲線。</p><p><b>　　上電準(zhǔn)

32、備。</b></p><p>　　通電。使調(diào)節(jié)器通電，初上電，調(diào)節(jié)器先處于“聯(lián)鎖手動”方式。</p><p>　　運(yùn)行數(shù)據(jù)的確認(rèn)。用“數(shù)據(jù)設(shè)定器”來確認(rèn)，對于運(yùn)行所必需的控制數(shù)據(jù)、可變 參數(shù)等是否被設(shè)定在規(guī)定值。必要時可進(jìn)行數(shù)據(jù)的設(shè)定變更</p><p>　　按控制面板上的R（Reset，

33、復(fù)位）按鈕，解除 “聯(lián)鎖方式”后，調(diào)節(jié)器可進(jìn)行輸出操作、方式切換等正常的運(yùn)行操作。</p><p>　　組態(tài)工業(yè)控制信號轉(zhuǎn)換設(shè)備的顯示畫面，以便記錄調(diào)試曲線。</p><p>　　通過“數(shù)據(jù)設(shè)定器”進(jìn)行PI參數(shù)的調(diào)整，使控制品質(zhì)達(dá)到控制要求（衰減率為75%-90%）。記錄定值擾動10%時的動態(tài)過程曲線。</p><p>　　打印過程曲線，并對曲線進(jìn)行特性分析。<

34、;/p><p>　　三、課程設(shè)計總結(jié)與收獲</p><p>　　本次課程設(shè)計主要是以KMM調(diào)節(jié)器的使用為核心進(jìn)行控制方案的設(shè)計和控制系統(tǒng)的模擬實現(xiàn)。作為組長，我和小組成員經(jīng)過討論，認(rèn)為“除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計”這個課題在書中實例的基礎(chǔ)上做了一些拓展，比后面幾個課題的難度略小，比較適合我組成員的整體水平，故選擇了該課題；這次的課程設(shè)計給我留下的印象也非常深刻，由于之前沒有接觸過表格式的程序

35、語言，對KMM可編程調(diào)節(jié)器的了解也并不深入，所以只有反復(fù)研究任務(wù)設(shè)計書，理解任務(wù)設(shè)計書中的關(guān)鍵步驟。當(dāng)然這樣并不夠，我們小組還提前去實驗室觀察其他班同學(xué)做實驗，之前看書時存在的一些疑惑也得到了充分的解答，例如模擬機(jī)上的積分環(huán)節(jié)部分反饋電阻一端為什么要接-3V電壓，如何檢查電路是否存在故障等等。</p><p>　　由于前期的準(zhǔn)備較充分，在實驗室上機(jī)操作時總體上還是比較順利的，當(dāng)然也仍然存在著一些問題。下面我總結(jié)一

36、下我們組在這次課程設(shè)計中遇到的幾個令人印象深刻的問題。</p><p>　　首先在電路接線首次完成后，進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程中，采用手動方法無論調(diào)節(jié)閥開度給多大，測量值始終為下限值。經(jīng)萬用表測量，發(fā)現(xiàn)積分環(huán)節(jié)輸出超過4V，一階慣性環(huán)節(jié)輸出接近0V。初步懷疑模擬被控對象部分線路接觸不良或運(yùn)放損壞。在更換一組運(yùn)放后繼續(xù)調(diào)試，測量值隨閥門開度增大而上升，問題解決。</p><p>　　其次，當(dāng)設(shè)定值給定

37、以后，偏差大于15%時，由于被控對象的無自平衡特性，手動控制很難調(diào)節(jié)使對象達(dá)到穩(wěn)態(tài)，必須手動調(diào)節(jié)閥門令測量值緩慢地接近設(shè)定值，并當(dāng)偏差在允許范圍內(nèi)時立即切換到自動方式，否則測量值可能會不停上升或下降至偏差超過允許范圍，這樣就無法切換到自動狀態(tài)，或者即使切換到自動方式也會馬上跳回手動方式。</p><p>　　最后是手動在線整定PID參數(shù)的問題。在最初寫程序的時候，借鑒Matlab仿真程序的結(jié)果，PID初始參數(shù)設(shè)定

38、為δ=100%，TI=0.5min，在實驗過程中通過給定值10%階躍擾動觀察實驗輸出曲線的特性。通過微調(diào)后確定PID參數(shù)為δ=96%，TI=0.55min。此時衰減率達(dá)到88%，穩(wěn)態(tài)誤差為0，看似比較理想。然而我們忽略了調(diào)節(jié)時間這個指標(biāo)。經(jīng)過韋老師的指點，我們意識到所得的輸出曲線并不完美，就是因為調(diào)節(jié)時間太長，超過了40秒。這是由于比例帶和積分時間取得太大，使得比例作用和積分作用太弱，從而過渡過程時間較長。另外由于對象本身含有積分環(huán)節(jié)，

39、理論上調(diào)節(jié)器僅僅使用P調(diào)節(jié)也能夠達(dá)到較為理想的結(jié)果。對此我們也完全可以在實驗中進(jìn)行檢驗。</p><p>　　當(dāng)然，有問題才有進(jìn)步。通過本次課程設(shè)計以及上機(jī)操作，通過問題的出現(xiàn)與解決這一整個過程，我從中得到了很多經(jīng)驗，也吸取了不少教訓(xùn)，對控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制儀表的應(yīng)用有了更加具體、深入的認(rèn)識。最后，謝謝隊友們的相互配合，得以順利完成任務(wù)。還要感謝韋老師的耐心指導(dǎo)，使我受益良多！</p><p&

40、gt;<b>　　四、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王秀霞,韋根原.控制儀表與裝置試驗及課程設(shè)計指導(dǎo)書.華北電力大學(xué).2006.04 </p><p>　　[2]吳勤勤.控制儀表及裝置(第四版).化學(xué)工業(yè)出版社.2013.07</p><p>　　[3]金以慧,方崇智.過程控制.清華大學(xué)出版社.1993.04</p>