《过程控制系统》课程设计任务书

《过程控制系统》课程设计任务书

姚明亮编写

西安工业大学电子信息工程学院自动化系

2015年12月

第1章《过程控制系统》课程设计的目的与基本要求... 3

1.1前言... 3

1.2《过程控制系统》课程设计的目的... 3

1.3《过程控制系统》课程设计的基本要求... 3

第2章《过程控制系统》课程设计选题... 5

2.1课题一基于PLC的单容水箱水位控制系统设计... 5

2.1.1本课程设计的任务描述... 5

2.1.2本课程设计的要求... 5

2.1.3本课程设计提示... 5

2.1.4课程设计报告的要求... 9

2.2课题二基于PLC的双容水箱水位串级控制系统设计... 10

2.2.1本课程设计的任务描述... 10

2.2.2本课程设计的要求... 10

2.2.3本课程设计提示... 10

2.2.4课程设计报告的要求... 14

第1章《过程控制系统》课程设计的目的与基本要求

1.1前言

过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。

1.2《过程控制系统》课程设计的目的

在本课程设计中，通过一个完整的生产过程控制系统的设计，使学生在进一步加深理解和掌握《过程控制系统》课程中所学内容的基础之上，着重训练学生将《自动控制原理》、《自动化仪表与过程控制系统》、《微机控制技术》和《电气设备与PLC控制技术》等课程中所学到知识进行综合应用。锻炼学生的综合知识应用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。

1.3《过程控制系统》课程设计的基本要求

按课程设计任务书提供的课题以及给出的设计任务，确定设计系统结构，分析系统的特点和系统特性，按给定的被控对象设计相应的控制系统，并在实验室连接系统部件、构造硬件系统，硬件系统主要包括控制器（即西门子S7-200系列PLC）、执行器（即电动调节阀）、检测装置（即传感器）、水泵、以及监控计算机。跟硬件系统配套的软件包括MCGS组态软件和PLC的编程软件STEP7-Micro/WIN。本课题主要任务就是完成PLC程序的编写。根据所给课题的任务要求连好被控对象、控制器、执行器、检测装置、计算机等硬件部分。通过用控制器、监控计算机和实验对象的联机调试、执行、观察结果，达到预期应用功能和控制目的，完成设计任务书。

1、能够查阅工艺过程相关资料。

2、依据工艺要求分析、比较、设计方案（对其合理性、工作原理及工作过程做出说明）。

3、被控对象以及仪器仪表的描述。

4、控制方案的选择及其论述，控制系统方框图及其说明。

5、建立被控对象的数学模型。

6、画出控制系统连线示意图及并加以说明。

7、PLC控制系统（主要指的是作为控制器的PLC部分）的设计包括I/O分析、PLC选型、存储容量核算、外部电路及接线设计、梯形图与程序设计等。用PLC的编程软件STEP7-Micro/WIN编写控制器应用程序，并调试。

8、整个控制系统联合调试并记录测试曲线。

9、设计体会。

10、撰写规范化的课程设计报告一份。

第2章《过程控制系统》课程设计选题

2.1课题一基于PLC的单容水箱水位控制系统设计

2.1.1本课程设计的任务描述

在了解、掌握和熟悉单容水箱水位控制系统的工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础之上，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用计算机控制技术予以实现。

2.1.2本课程设计的要求

1、从系统组成、工作原理上对工业用控制器、传感器以及执行机构有一深刻的了解和认识。

2、分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲线（PLC应用程序编写完成，整个系统联调之后才能有测试曲线），建立被控对象的数学模型。

3、根据其数学模型，选择被控规律和整定调节器参数。本课题采用PID控制算法实现，在PLC中应编写相应的程序来实现。

4、了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在所使用的过程控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。

5、分析调试结果，主要说明所使用控制算法中各参数的作用，若所选控制参数得到的测试结果与理想不同，请说明其原因。

2.1.3本课程设计提示

一、控制方案设计的提示

对于过程控制系统的工程设计与应用而言，控制方案的设计是核心。在《自动化仪表与过程控制系统》课程的学习中，同学们学了简单控制系统和复杂控制系统。在大多数情况下，具有单回路的简单控制系统完全可以满足工艺生产的要求，但是也有另外一些情况，譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对调节质量的要求又很高；或者调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力，此时需要一种合适的复杂控制系统来满足运行的需要。

控制方案的选择要根据设计任务和技术指标要求，综合考虑安全性、稳定性、经济性和技术实施的可行性进行反复比较得来的。本部分的设计内容包括以下五点：

1、根据实际生产过程，选择合适的控制系统结构；

2、根据生产工艺要求，合理选择系统性能指标；

3、合理选择被控参数和控制参数；

4、合理设计控制器的控制规律；

5、过程参数的测量与变送、控制执行器的选择。

二、建立对象的数学模型的提示

过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案，分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。建立过程数学模型的基本方法，一般来说有机理分析法和试验法两种。

机理分析法虽然具有很大的普遍性，但是，许多工业过程其内部机理较复杂，所以对这些过程进行建模，单独采用其中一种方法，想要比较精确的建立其模型，是比较困难的。所以，在实际应用时，往往采用两种方法相结合来求得对象的数学模型。

通常对被控对象的组成部分进行机理分析，分析对象是由哪些部分串联或并联组成最终可以得出对象模型的结构，然后根据试验建模法再求得模型结构中的参数。

试验法在实际的应用中的关键的一个环节是过程响应曲线的获得，其中获得的方法有阶跃响应曲线法和矩形脉冲响应曲线法两种。

三、PLC 控制系统设计原则及步骤提示

1、PLC控制系统设计的基本原则

1）最大限度地满足工艺流程和控制要求。工艺流程的特点及要求是开发PLC控制系统的主要依据。设计前，应深人现场进行调查研究，收集资料，明确控制任务。

2）监控参数、精度要求的指标以满足实际需要为准，不宜过多、过高，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便，并可降低系统的复杂性和开发成本。

3）保证控制系统的运行安全、稳定、可靠。正确进行程序调试、充分考虑环境条件。选用可靠性较高的PLC、定期对PLC进行维护和检查等都是很重要和必不可少的。

4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。

2、PLC控制系统设计的基本步骤

1）首先要分析控制任务，了解被控对象的工艺流程，画出工艺流程图。

2）确定PLC的输入、输出信号的类型、点数，正确选择输入、输出模块的规格、型号；根据主电路如电机、电磁阀的容量及操作要求，合理选择配电、保护和控制电器。

3）进行必要的计算，合理选择低压电器及PLC的类型和容量等。

4）编制I/O分配表及所用到的PLC内部有关如时间继电器、计数器、中间继电器等元件的地址编号表。

5）画出梯形图或顺序控制流程图(SFC状态流程图)、步进梯形图和外部接线图等。

6）按照梯形图用助记符语言编程或按顺序控制流程图用步进顺控指令方法编制PLC应用程序。编程可手动编程也可按制造厂提供的编程软件平台，输入梯形图在PC机上自动编程。

7）用手持式编程器或PC机通过RS-232串形通信口，将编制好的程序写入到PLC的存储器中。先接上专用RS-232通信电缆，一端连接PLC，一端连接PC机。9芯插头，设置好异步串型通信参数（如传送位数、通信速率等)，即可下载程序至PLC。

8）进行实验室模拟调试，输入可用按钮、开关或模拟信号等代替现场采集到的信号，输出负载用信号灯等代替，其目的是验证用户程序的控制逻辑是否符合工艺要求。

9）进行PLC主电路及外部配套电路设计，如PLC和各类负载供电电源、外部主电路及控制继电器连锁电路设计等，以及控制柜、外部接线等设计。

10）现场运行调试。先不带载，只带接触器线圈与信号灯进行分段、分级调试。正常后，再带实际负载运行，最后固化程序存在PLC的EPROM中。然后考机运行，时间约72小时。主要考核系统稳定性、抗干扰性等。

3、PLC选型要点

1) PLC容量估算

a、估算I/O点数(开关量与模拟量分别统计)。在实际点数基础上再加上15-20％的备用量，以备工艺改进和扩充需要。

b、估算存储量。小型PLC内存约2KB，中型约2KB-8kB，大型则8KB以上。内存容量经验估算方法如下：开关量输入：存储器字节数=输入点数×10；开关量输出：存储器字节数=输入点数×8；定时器/计数器：存储器字节数=定时器/计数器数量输入点数×2；模拟量：存储器字节数=模拟量通道数×100；通信接口：存储器字节数=通信接口数目×300。由于用户程序的编制与系统控制的复杂程度以及算法、程序结构等因素，使得PLC容量的估算很难精确，一般要加大15-20％的余量。

(2) PLC功能选择。各公司生产的PLC功能配置不尽相同，应以“够用”为原则去选择，一般工业顺序控制只需要具有逻辑运算、定时器/计数器等基本功能就可完成任务。如果是工业过程控制或数控机床、机器人等控制，则需要选A/D、D/A转换模块、PID控制模块或运动控制定位模块。这些模块位数愈多，其分辨率与精度愈高，价格也就愈高。至于扫描速度、指令功能、抗干扰功能等随着计算机技术的发展，对一般中小型工业控制都能满足要求，根据需要进行选择，一般8位就够用了。

(3) 选择I/O模块。I/O模块的价格占到PLC总价的一半以上，不同的I/O模块的性能及电路均不同，必须根据需要合理选择。

a、输入模块的选择。输入模块分为数字量和模拟量两种，数字量又分直流、交流和脉冲三种；模拟量输入则分为电压和电流两种。

PLC工作电压一般为5V，以数字方式(二进制)工作。所以从外部输入的模拟信号必须先转换成标准信号（0～10mA、4～20mA、0～l0V），再通过A/D转换器转换成数字信号输入PLC。如果模拟量点数多，还要通过扫描采样开关电路，再接入A/D转换器，以节约硬件资源、提高可靠性。

b、输出模块选择。输出模块分为三种方式：继电器输出(R)、晶体管输出(T)和双向晶闸管(S)输出。要根据驱动的最终负载特性进行选择。例如，一般电动机或电磁阀启停、开关控制，控制频率不太高的可选择继电器输出模块；若驱动的是变频调速、频繁正反转的伺服电机，因其控制频率较高，则需选择晶体管输出模块。

4、 PLC控制系统的外电路及外部接线设计

外电路设计，主要指输入、输出设备(按钮、行程开关、限位开关、接触器、电磁阀等)与PLC的连接电路；各运行方式、主电路及联锁电路设计(自动、半自动、手动、连读、单步、单周期等)；电源电路(主电路供电、传感器、各负载电源等)；控制柜内电路及配线；外部接线、接地等设计。这些电路的设计原则一般同机床电气设计原则。例如，强弱电分开、高低电压分开和交直流分开，各设备要单独接地不可串接，大电流接点和线圈要有吸收和灭弧电路，以避免干扰波发射等。

2.1.4课程设计报告的要求

1、提供完整的设计任务书。

2、被控对象以及仪器仪表的描述。

3、控制方案的选择及其论述，控制系统方框图及其说明。

4、建立被控对象的数学模型。

5、画出控制系统连线示意图及并加以说明。

6、PLC控制系统（主要指的是作为控制器的PLC部分）的设计包括I/O分析、PLC选型、存储容量核算、外部电路及接线设计、梯形图与程序设计等。用PLC的编程软件STEP7-Micro/WIN编写控制器应用程序，并调试。

7、整个控制系统联合调试并记录测试曲线。

8、设计体会。

9、参考文献（至少3篇）

2.2课题二基于PLC的双容水箱水位串级控制系统设计

2.2.1本课程设计的任务描述

2.2.2本课程设计的要求