基于MCGS和智能仪表的温度控制系统设计.doc
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1、基于MCGS和智能仪表的温度控制系统设计总计:毕业论文 34 页 表 格 1 表 插 图 20 幅 指导教师 评 阅 人 完成日期 2013.5.25 摘 要本文主要探讨了温度控制的实际意义与背景,分析研究了温度控制系统的原理和特点以及需要解决的核心问题,了解和掌握AI智能调节器的应用方法以及MCGS组态软件的基本原理与操作。设计和实现由AI-808智能调节器和PC机构成的温度控制系统。针对EFPT过程控制实验装置中的被控对象,设计一个控制系统实现对热水锅炉水温的定值控制,同时具备防止低水位干烧的安全保护联动机制。系统具有自动控制和手动控制两种工作方式,具有流程图监视画面、参数设置和报警功能,
2、并能显示实时趋势曲线和历史趋势曲线,实现稳定的温度控制系统的人机界面。系统具有良好的抗干扰性和控制性能,同时提高了实时控制能力,可以方便地运用于实际工业控制当中。 AI智能仪表主要完成数据的采集和回路的控制,保证系统的可靠性。监控软件的开发采用MCGS组态软件,在MCGS中,通过用户设备的组态即可实现AI智能调节器和PC机的通信。PC机通过RS232/485转换装置、仪表RS485串行接口与仪表进行通讯。根据具体的系统设计方案,运用稳定的温度控制系统最终实现和完成对热水锅炉水温的定值控制。关键词:温度控制;智能调节器;MCGSABSTRACTThis paper mainly discusse
3、s the practical significance of the temperature control and background analysis of the temperature control system principles and characteristics and the need to address the core problems, understand and master the AI smart regulator MCGS configuration software application methods and the basic princ
4、iples and operations. Design and implementation of the AI-808 and PC intelligent regulator body into the temperature control system.EFPT process control device for the controlled object, design a control system for boiler water temperature setting control, along with a dry to prevent low water level
5、 of security linkage mechanism. System with automatic control and manual control work in two ways, with a flow monitor screen, parameter setting and alarm functions, and can display real-time and historical trend curve trend curve to achieve stable temperature control system, man-machine interface.
6、The system has good noise immunity and control performance, while improving the real-time control capability, can be easily applied to real industrial control them. AI intelligent instruments mainly to complete the data collection and loop control to ensure system reliability. Monitoring software ha
7、s been developed using MCGS configuration software, MCGS, the configuration of the device by the user can be realized AI intelligent regulator and PC communications. PC via RS232/485 converter, instrument RS485 serial interface to communicate with the instrument. Depending on the system design, the
8、use of stable temperature control system implementation and completion of the final temperature of the hot water boiler fixed value control.Key words: Temperature control; Intelligent regulator; MCGS目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论- 1 -1.1论文的研究背景及意义- 1 -1.2AI智能调节器及其应用- 2 -1.2.1AI智能调节器- 2 -1.2.2智能调节器在温度控制系统中的
9、应用- 2 -1.3MCGS组态软件简介- 3 -1.4论文的主要工作- 3 -2系统控制方案设计- 4 -2.1过程控制实验装置简介- 4 -2.1.1工艺流程- 4 -2.1.2现场仪表- 5 -2.2锅炉热水温度控制方案设计- 6 -2.2.1系统控制要求- 6 -2.2.2控制方案设计- 6 -3系统硬件设计- 9 -3.1控制系统结构- 9 -3.1.1DCS一般结构- 9 -3.1.2多智能仪表DCS结构- 9 -3.2智能调节器- 10 -3.2.1AI-808调节器简介- 10 -3.2.2AI-808调节器参数设置- 12 -3.3智能调节器与PC机的通信- 16 -3.4系
10、统接线图设计- 16 -4系统软件设计- 17 -4.1MCGS组态软件- 17 -4.1.1MCGS组态软件概述- 17 -4.1.2MCGS软件的系统构成- 17 -4.1.3MCGS组态软件用户窗口设计步骤- 19 -4.2水温控制系统设计- 19 -4.2.1新组态工程的建立- 19 -4.2.2流程图画面的设计- 20 -4.2.3智能调节器和PC机通信组态- 24 -5总结与展望- 26 -参考文献- 27 -附录1 外文文献译文- 28 -附录2 外文文献原文- 30 -大连大学学位论文版权使用授权书- 34 -1 绪论1.1 论文的研究背景及意义随着现代工业的逐步发展,在工业生
11、产中,温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中,温度是一个非常重要的过程变量。在各种不尽相同的生产情况和多种多样复杂的工艺下应达到的温度控制要求,所采用的加热方式、燃料、以及控制的方案也大有不同。例如,在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域都需要对各种锅炉的温度进行控制,燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程十分的复杂,不确定因素非常多,所以系统的控制技术和控制理论的先进性尤为重要。温度的精确控制在自动控制中向来是比较困难的,由于它滞后性强,惯性大导致控制精度不能提高,控制时间较长2。因此在对温度进行控制时,速度和精度是核心问题。温度与人们的生存生
12、活生产息息相关。从古人类的烧火取暖,到今天的工业温度控制,处处都体现了温度控制。随着生产力的发展,人们对温度控制精确度要求也越来越来高,温度控制的技术也得到迅速发展。各种温度控制算法如:PID温度控制,模糊控制算法,神经网络算法,遗传算法等都应用在温度控制系统中。温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用,在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源,它的出现迄今已有两百余年的历史。期间,从低级到高级,从简单到复杂,随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高,温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片
13、机的温度控制系统,基于PLC 的温度控制系统,基于工控机(IPC)的温度控制系统,集散型温度控制系统(DCS),现场总线控制系统(FCS)等3。温度控制是工业控制中发展最早、最重要的分支之一,其应用已涉及社会生活的几乎所有领域。在铁,钢铁,机械,石化,电力,工业炉窑等工业生产中,温度是非常普遍,非常重要的热力学参数。温度控制通常是指一个特定的空间的温度的控制和调节,以达到符合要求的过程。温度控制的对象是多种多样的。在现场工业控制中,温度控制一般也是主要的被控物理量,尤其是一些工作环境要求高的领域,温度更是一个主要的控制参数。为了保证正常的生产过程中,提高产品的数量和质量,降低劳动强度,节约能源
14、,根据某些特定规则的改变往往需要工作环境温度控制的对象。但是,温度控制是一个典型的非线性控制,时变大和时滞长的特点,可能会导致系统不稳定,传统的经典控制方法是很难实现良好的动态和静态性能。在工业过程控制系统中,有许多这种纯滞后性质的理论引入这样一个系统的控制对象,但在工程实践中,没有多少有效的方式。一个主要的原因是,它是很难获得精确的数学模型,控制的概念是,由于传统的控制方法,实现了精确的控制效果,需要明确的数学模型的建立过程及其控制变得复杂。随着人工智能和控制论学科的发展,加入了人工智能替换传统观念的方法来模仿人的思维,在控制策略上实现了飞跃。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛
15、,但从温度控制器来讲,总体的发展水平依然是有待提升,同德国、日本、美国等一些发达国家比较还有很大的不足。目前,我国在这方面总体技术水平处于上世纪50年代左右,市面上的成品主要以常规的PID控制器和“点位”控制为主。这些控制器只能应付一般程度上的温度控制要求,难以驾驭那些复杂度高、滞后高、时变慢的温度系统。而能偶适应于较高控制要求领域的自适应能力强智能化的控制仪表,国内目前还不够成熟。形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面,国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速,并在智能化、自
16、适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行业广泛应用。目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展4。1.2 AI智能调节器及其应用1.2.1 AI智能调节器AI调节器即人工智能调节器,是集成CPU、存储器、显示器、键盘、I/O 接口、通信接口以及软件的一个 CPU模块。通过面板操作AI调节器,设置其“输入规格”、“显示上限”、“显示下限”和“输出规格”等各类参数后,就可以测量正确地读取各种不同的参数值和输出的要求以及不同类型的控制信号,以便AI调节器上的输入可以直接连接各种
17、传感器和变送器,可适应各种传感器和变送器,且输出也能适配不同标准要求的执行器和记录仪器。AI 调节器本身具备D/A 和A/D 功能, 因此也就有了实现数据采集和输出的模块。当调节器工作在手动方式时, 控制功能关闭, 等同于一个既具有模拟量输出又具有模拟量输入功能的 I/O 模块。AI调节器多输入的技术规格使得在建立多种不同过程参数的计算机控制平台时只需要一台 AI 调节器就能兼容, 而不用多种信号调理模块。而且,它提供的 4- 20mA 直流电流输出可供电动调节阀等执行器直接使用,无须增加 V/I转换电路或模块。因而用AI调节器构成过程计算机控制系统的输入输出通道简化了系统结构。1.2.2 智
18、能调节器在温度控制系统中的应用AI人工智能调节器具由高稳定性、高可靠性、多功能、多用途和操作简单、灵活等特点,在化工、冶金、火电、轻工等行业得到广泛应用。AI调节器本身具有先进的人工智能算法,通常与计算机或工业控制计算机联用,构成以智能仪表为下位机的小型集散控制系统。此类设计方案在许多中小企业中也得到广泛应用,具有重要的理论意义和实用价值。目前, 在对液位、温度和流量等热工参量的检测控制中越来越多地运用到了智能调节器。智能调节器在工业生产中的应用越来越广泛。以智能调节器为控制器, 适当进行参数设置,可以构成多种过程控制系统。这些系统可以对液位、温度和流量等热工参量进行定值控制。研究智能调节器的
19、应用领域和使用方法, 有助于在实践中提高工业生产的智能化水平8。1.3 MCGS组态软件简介MCGS是一套基于Windows平台的,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统, 可运行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等操作系统。它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点,比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性,在自动化领域有着更广泛的应用。MCG
20、S为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台, 能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能6。 MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台,能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 使用MCGS,用户无须具备计算机编程的知识,就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定,功能成熟,维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点,已成功应用于石油化工
21、、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域,经过各种现场的长期实际运行,系统稳定可靠。1.4 论文的主要工作本文以过程控制实验装置中的热水锅炉为被控对象,设计和实现由AI-808智能调节器和PC机构成的温度系统。AI-808智能调节器主要完成数据的采集和回路的控制,保证系统的可靠性。PC机完成系统监控和管理,通过RS232/485转换装置、仪表RS485串行接口与仪表进行通讯。2 系统控制方案设计2.1 过程控制实验装置简介2.1.1 工艺流程过程控制实验装置的工艺流程包括: 内部4.5KW三相星形连接电热丝,21升的热水夹套锅炉。 38
22、升的高位溢流水箱(产生稳压的工艺介质水)。 35升的液位水槽和105升的计量水槽。 配三相电机的循环水泵。 2只电磁阀(扰动)和29只手动球阀。流程图实线内的图形,方框为安装在对象框架内的工艺设备及流量、压力、液位、温度信号的检测、变送、执行单元,虚线方框为安装在操作台上的变送、执行单元。22只手动阀开关可以组成不同的工艺流程。在简化图中, 表示阀全开, 表示阀全关, 表示阀半开半关。删去这些截止状态的手动阀,就得到了工艺流程的变更。控制对象及工艺流程如图2.1所示。图2.1 控制对象及工艺流程2.1.2 现场仪表现场仪表包括:序号图位号型号规格名称用途1P1-1(PL-1)Y-10000.2
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