14 第14章 组态王在过程控制综合实验系统中的应用.pptx

第1页：第14章教学目标

第14章 组态王在过程控制综合实验系统中的应用。【本章教学目标与要求】

• 了解 A3000 过程控制系统；
• 掌握组态王在过程控制系统的设计方法；
• 掌握过程控制系统 PID 应用设计；
• 掌握组态王与现场设备的通信设置过程。

第2页：过程控制系统的应用背景

过程控制系统在石油、化工、电力、冶金等工业领域有着广泛的应用。随着计算机技术发展，过程控制出现了最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有了更多的功能。

工控组态软件是近年来在过程控制自动化领域兴起的一种新型软件开发技术，具有开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点。工控组态软件的发展为过程控制系统提供了友好的人机交互界面，具有使用简单、形象直观、模拟性强、贴近工业现场等特点。

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第4页：14.1 A3000液位控制系统简介

14.1 A3000 液位控制系统简介。A3000 过程控制实验系统是由北京华晟公司开发、专门用于过程控制实验的平台，总体设备物理系统如图所示，包括现场系统和控制系统。

现场系统包括了对象单元、传感器、执行器、供电系统，组成了一个通过外部标准控制信号连接的完整、独立的现场环境。为了防止动力设备静电积累而触电或者损坏设备，系统必须可靠接地。系统动力支路分两路：一路由三相磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、磁力驱动泵、涡轮流量计及手动调节阀组成。

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第6页：系统控制逻辑结构

系统控制逻辑结构如图所示：现场信号通过各种传感器发送到控制系统单元，控制系统单元主要由模块、PLC、智能仪表构成，控制系统通过通讯总线把监控信号发送到上位机，通过监控计算机的组态界面实现对现场信号的监控。

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第8页：A3000的被控对象

A3000 过程控制装备被控对象由上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、不锈钢储水箱、电加热锅炉、冷热水交换盘管等组成。过程控制装备中的上、中、下三个水箱可以模拟单容对象与多容对象多种类型的系统设计。

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第10页：表14-1 中水箱液位控制回路设备

中水箱液位控制回路设备如表 14-1 所示，系统分别采用智能仪器、PLC 控制以及智能模块实现液位控制。

说明：源文件该页为扫描提取文本，数字与字段粘连，上表按可辨识的设备名称、位号与用途整理；工程量与信号类型以原文标注为准，建议对照原课件表格核对。

第11页：14.2 基于智能仪表的液位监控系统设计

14.2 基于智能仪表的组态王液位监控系统设计。

【举例】：以 A3000 过程控制系统为基础，采用智能仪表作为控制器，执行机构采用电磁调节阀，实现单容水箱液位 PID 单回路控制。

设计要求：

1. 设计组态界面，动态显示液位变化，界面可调 PID 各参数，实现手自动。
2. 设备、管路从图库中选，液位变化、管路中流体流动具动画效果；流程图界面中可包含实时曲线窗口。实时曲线引入调节器 PV、MV、SP 三个变量；三条曲线颜色便于区分，对应变量名标示清楚。
3. 引入液位高、低实时报警记录。
4. 自动状态下，SP 值变化原来稳状值的 10%，系统可以稳定。超调量（最大偏差）不大于稳定值的 15%。

第12页：设计步骤

【设计步骤】：

1. 系统硬件配置
2. 组态王工程设计
3. 系统运行调试

第13页：电动调节阀

（1）电动调节阀：电动调节阀采用四线制接线，电源为 220V AC，其信号线分为输入控制信号和阀位输出信号（4～20mA）。接通 220V AC 电源后，打开保护盖可以看见指示灯亮起，用百特仪表手动输出 20mA（量程设置为 4～20mA）到控制端，齿轮开始旋转，同时调节阀的轴向上移动到最大行程。

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第15页：液位压力传感器

（2）液位压力传感器：液位传感器实际是一个压力传感器，通过检测水箱底部压力换算得到液位高度。

第16页：智能仪表

（3）智能仪表：A3000 智能仪表控制系统采用了百特公司 XM 类系列的智能 PID 调节仪表，具有智能 PID 控制算法，可以实现自整定功能。该仪表的特点有：

• 适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场和设备配套。
• 采用单片计算机技术设计，可保证全量程不超差，长期运行无时漂、零漂。
• 只需做相应的按键设置和硬件跳线设置（打开盖子跳线），即可在以下所有输入信号之间任意切换，即设即用。
• 独特的 PID 参数专家自整定算法，将先进的控制理论和丰富的工程经验相结合，使得 PID 调节器可适应各种现场。
• 可带 RS485/RS232/Modem 隔离通讯接口或串行标准打印接口。

第17页：组态王对控制器的设备组态

2、组态王工程设计　（1）组态王对控制器的设备组态：在工程浏览器中按设备配置向导为智能仪表建立逻辑设备，选择相应的通讯方式（RS485/RS232）与通讯参数，使组态王能够与百特智能仪表交换数据。

第18页：组态王定义数据变量

（2）组态王数据变量定义：按智能仪表的寄存器地址在组态王数据词典中定义变量，过程值、操作值、设定值与 PID 三个参数及手自动切换分别对应不同的参数号。

说明：源文件该页为扫描提取文本，序号与字段存在粘连，参数名、寄存器与意义的对应关系按原文可辨识内容整理；序号沿用原文编号（中间编号原文未列出）。

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第20页：画面创建

（3）画面创建：在组态王开发系统中创建液位监控画面，绘制水箱、管路与调节阀等设备，并加入实时曲线窗口显示 PV、MV、SP 三条曲线。

第21页：PID控制参数设置

（4）PID 控制参数设置：在组态王工程界面中，有三个对话框分别设置 PID 的比例系数、积分时间和微分时间这三个参数。由表 14-3 所示，PID 三个参数的值分别对应智能仪表的 PARA1.31、PARA1.32、PARA1.33 这三个寄存器，在组态王界面设置后这三个寄存器的值随之改变，达到 PID 参数设置的效果。

第22页：系统运行调试

3、系统运行调试：PID 控制器控制曲线如图所示，当控制参数 P=24，I=20，D=2 或 4 时，系统具有比较好的控制效果。

第23页：14.3 基于PLC的液位控制设计

14.3 基于 PLC 的组态王液位监控系统设计。

【举例】：以 A3000 过程控制系统为基础，采用西门子 S7-200 作为控制器，执行机构齜为控制器，执行机构采用电磁调节阀，实现单容水箱液位 PID 单回路控制。设计要求同 14.2 小节。

第24页：PLC系统硬件配置

1、系统硬件配置：以西门子 S7-200 PLC 作为控制器，通过串口与上位机通讯，模拟量输入通道接入液位信号，模拟量输出通道接至电磁调节阀。

第25页：PLC程序设计

2、PLC 程序设计：在 S7-200 中分配 PID 调节器相关变量的内部地址。

第26页：组态王对PLC的设备组态

3、组态王工程设计　（1）组态王对 PLC 的设备组态：西门子 S7-200 使用串口通讯，在组态王中选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择“PLC”的“西门子”“S7200 系列”“PPI”。设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“S7200”。在定义数据库变量时，只要把 I/O 变量连接到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。

第27页：组态王定义数据变量

（2）组态王定义数据变量：

第28页：组态王界面与PID参数设置

（3）组态王界面　（4）PID 参数设置：在 PLC 液位 PID 控制系统中，在组态界面设置的 PID 三个参数分别关联到 PLC 的 V112、V120、V124 寄存器，通过 PLC 程序改变 PID 控制器的输出来实现对液位的控制。

第29页：14.4 基于智能模块的监控设计

14.4 基于智能模块的组态王监控系统设计。

【举例】：以 A3000 过程控制系统为基础，采用研华的 ADAM 模块作为控制器，执行机构采用电磁调节阀，实现单容水箱液位 PID 单回路控制。设计要求同 14.2 小节。

第30页：智能模块系统硬件配置

1、系统硬件配置：A3000 系统包括研华的 ADAM4017、ADAM4024、ADAM4050，24V 直流电驱动，通过 RS485 转换网络到以太网，再将数据传到上位机。模块从左到右地址分别为 1、2、3，通讯波特率 9600bps，连接原理图如图所示。

第31页：ADAM模块的工程设计

2、组态王工程设计：ADAM4000 是 DDC 控制器，不具有控制算法，所以必须由计算机直接控制。包括了 ADAM4017、ADAM4024、ADAM4050 模块，对应地址分别是 1、2、3。通过研华的软件来设置地址，并设置通讯波特率 9600bps、无校验、数据位 8、停止位 1、通讯超时 3000ms、通讯方式 RS485，选择 checksum 属性。

第32页：组态王设备组态

（1）组态王设备组态：新建工程项目，然后选择设备 COM1，在工作区选择“新建”并双击，在“设备配置向导—生产厂家、设备名称、通讯方式”窗口中选择“智能模块”、“亚当4000系列”、“Adam4017”，选择“串行”，逻辑名 A4017，选择“下一步”。然后设置串口号，依据计算机的通讯端口来选择，这个端口可以以后按照同样的步骤来更改。单击“下一步”，然后设置地址，首先设置内给定仪表，所以设定地址 1。

第33页：组态王定义数据变量

（2）组态王定义数据变量：

说明：源文件该页为扫描提取文本，字段存在粘连，上表按可辨识的参数名、意义与设备整理；序号沿用原文编号（中间编号原文未列出）。

第34页：PID参数设置

（3）PID 参数设置：智能模块的 PID 控制是依靠组态王的 PID 控件实现的，PID 控件参数设置界面如图所示，具体设置方法见第九章。