串级双容水箱仿真P3DCS.doc

上海电力学院
计算机测控系统课程设计
课题: 基于DCS技术的水箱水位串级控制
系统设计与仿真实现
专业:
班级: ____
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学号:
指导教师:
一、课程设计目的
采用P3DCS系统设计完成水箱水位串级控制系统并进行参数整定和调试,包括数据库组态,SAMA图组态,流程图组态,操作器组态,设计手动和单回路自动控制,串级自动控制等控制方案,并实现手自动无扰切换和报警,设计相应的模拟量控制和逻辑控制方案并实现,进行仿真,参数整定与系统调试。
课程设计内容
采用P3DCS系统设计完成水箱水位串级控制系统并进行参数整定和调试,包括数据库组态、SAMA图组态、流程图组态、操作器组态,设计手动和单回路自动控制、串级自动控制等控制方案,并实现手自动无扰切换和报警,设计相应的模拟量控制和逻辑控制方案并实现,进行仿真、参数整定与系统调试。
其中上水箱水位的对象传递函数为
上水箱水位对下水箱水位传递函数为
其它执行器和测量电路的传递函数简化为K = 1
系统概述
两个水箱的串联在工业中运用的非常广泛,上下水箱组成一个串联,这样的一个串联系统跟单容水箱在控制时间上对比有了一定的迟延,这是由于容积迟延造成的,通过在P3DCS组态软件的使用下,设计一个串级控制系统。设计串级回路控制的目的就是在控制系统中加入副回路,从而加快系统的调节速度和增强系统的动态性能。主副回路控制系统的PID参数采用两步整定法,先整定副回路上水箱的PID参数使之达到稳定,然后再整定主回路的参数使之达到稳定的状态。并通过P3DCS组态软件对系统的曲线进行实时监控,调出最优PID参数。
系统的工艺流程如下图(图 1)所示:
图 1
根据水箱系统的结构,我们设置一个串级控制回路,把下水箱作为串级控制系统的主控制回路,上水箱作为串级的副控制回路。从而得出串级控制系统的方框图如(图2)所示:
图 2
课题设计及其步骤
第一部分硬件设计
上水箱水位板
下水箱水位板
D/A转换板
电源
伺服放大版
CRT板
内存板
键盘及自诊断板
滤波版
键盘
CPU板
显示器
CRT
打印机打印机
STD(内部)总线
外部总线
根据图2系统示意图,硬件设计采用STD总线IPC来进行

图2-1-1 IPC硬件组成框图
硬件组成说明:
CPU板及打印机、CRT板及CRT、键盘及自诊断板及键盘、内存板、电源、构成了STD工业控制基本系统;
自诊断板:使用了WDT看门狗技术,无论何种原因引起死机,自诊断系统能在1s—2s内测出并恢复正常运行,整个计算机系统工作可靠;
上、下水箱水位板由计数电路组成,检测检测主、副回路管道送来的水位信号;
D/A转换板是水箱水位的驱动口板,计算机系统检测两水箱水位与设定值进行比较,并对其偏差进行PID运算,其运算结果通过D/A转换器由数字量转换为模拟电压信号量输出至伺服放大板,从而控制主调节阀;
伺服放大板:相当于电动单元组合仪表中的伺服放大器,接收来自D/A转换板输出的阀位信号,检测阀的实际位置,若实际位置与D/A转换板输出的阀位有偏差,则阀动作,达到与D/A输出一致的位置后停止,实现计算机系统对调节阀的控制;
滤波板:对STD总线有关信号进行滤波处理,提高整个系统的可靠性。
第二部分软件设计
本次课程设计主要有两个方面的工作:即是组态设计和系统调试:
组态设计
1)系统配置组态
主要是指DCS中工程师站、操作员站、控制站的主机系统配置信息及外设类型,I/O-卡件信息,电源布置,控制柜内安装接线等。
实时数据库组态
数据库组态是系统组态中应尽早完成的工作,因为只有有了数据库,其他的组态工作(控制回路组态、画面组态等)才可以调试。运行P3DCS软件,首先进行I/O配置:点击系统数据库图标,进行各参数的点名与说明。由于本次设计要求是双容水箱串级控制系统,所以数值量有上水箱水位PV2、下水箱水位PV1、设定值SP、主控制器输出AO1、副控制器输出AO2、控制器输出AO等,逻辑量有控制器状态DO等。保存后关闭窗口,进行SAMA图组态的制作。如图4所示:
图 4
3)控制算法组态
控制算法组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能用DCS算法予以实现。点击SAMA图组态图标,打开SAMA图制作窗口。SAMA图组态用于将系统内部定义的功能算法模块按照逻辑组合起来,编译下装到过程控制站中进行调用和执行。由于本次课程设计是串级回路控制系统,所以我采用系统自带的2个PID功能块、1个M/A手操器功能块和若干线性功能块来构成SAMA图的基本框架。PID1(左)用于控制下水箱水位,PID2(右)用于控制上水箱水位,M/A用于设