过程控制专业课程设计.doc

过程控制工程综合实验

设 计 说 明 书

学 院： 机电工程学院
专业班级： 自动化-1班
姓名学号： 2714
指引教师： 杨松 张勇

12月

目 录
第1章 系统工作原理分析 1
1.1 被控对象 1
1.2 检测装置 2
1.3 执行机构 2
1.4 控制屏组件 2
第2章 系统连接调试办法 4
2.1 三相磁力泵使用及接线办法 4
2.2 电动调节阀使用及接线办法 4
2.3 传感器使用及接线办法 4
2.4 MCGS触屏使用及其与PLC通讯电缆接法 5
2.5 PLC使用及其I/O信号接线办法 5
第3章 PLC及触摸屏程序编写 6
3.1 PLC程序设计 6
3.2 MCGS触屏显示程序设计 6
第4章 编程调试 7
第5章 总结 8
参照文献 9

第1章 系统工作原理分析
1.1 被控对象
由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、3KW三相电加热模仿锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等构成。

图1 中水箱单容液位定值控制系统
(a)构造图 (b)方框图
1．水箱：涉及上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，并且透明度高，便于学生直接观测液位变化和记录成果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱构造独特，由三个槽构成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管水先流入缓冲槽，出水时工作槽水通过带燕尾槽隔板流入出水槽，这样通过缓冲和线性化解决，工作槽液位较为稳定，便于观测。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中、下水箱实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。
2．模仿锅炉：是运用电加热管加热常压锅炉，涉及加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可运用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层循环水可以使加热层热量迅速散发，使加热层温度迅速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完毕温度定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。
3．盘管：模仿工业现场管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同温度检测点，它们滞后时间常数不同，在实验过程中可依照不同实验需要选取不同温度检测点。盘管出水通过手动阀门切换既可以流入锅炉内胆，也可以通过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完毕温度滞后和流量纯滞后控制实验。
4．管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈也许性。有效提高了实验装置使用年限。其中储水箱底部有一种出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。

1.2 检测装置

1．压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。采用工业用扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同步采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用原则二线制传播方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。
2．温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口水温。Pt100测温范畴：-200～+420℃。通过调节器温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。
3．流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制动力支路、由变频器控制动力支路及盘管出口处流量进行检测。它长处是测量精度高，反映快。采用原则二线制传播方式，工作时需提供24V直流电源。流量范畴：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。

1.3 执行机构

1．电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具备精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作以便等长处，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC阀位信号，使用和校正非常以便。
2．水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。
3．电磁阀：在本装置中作为电动调节阀旁路，起到阶跃干扰作用。工作压力：最小压力为0MPa，最大压力为1.0MPa ；工作温度：－5～80℃；工作电压：AC220V。
4．三相电加热管：由三根1KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内水进行加温，每根加热管电阻值约为50Ω左右。

1.4 控制屏组件

1．SA-01电源控制屏面板
充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。图1-2为电源控制屏示意图。合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均批示380V左右，定期器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮，对象照明灯亮。此时打开24V开关电源即可提供24V电源。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相、单相Ⅱ、单相Ⅲ、三相电源空气开关即可提供相应220V和380V电源输出，作为其她设备供电电源。
2．SA-02 I/O信号接口面板
该面板作用重要是通过航空插头（一端与对象系统连接）将各传感器检测信号及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，便于学生自行连线构成不同控制系统。
3．SA-11交流变频控制挂件
采用日本三菱公司FR-D720S-0.1K-CHT型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。也可用变频器面板旋钮直接手动控制变频器输出来驱动三相磁力驱动泵。关于变频器使用请参照变频器使用手册中有关内容。
变频器惯用参数设立：
P1＝50；P160＝0；P161＝1；P182＝4；P79＝0。
注意：在学生做实验连接实验导线时，切勿将变频器输出接到380V三相磁力驱动泵输入端，更不能将380V电源输出接到220V三相变频磁力泵输入端，否则将损坏磁力驱动泵。
4．三相移相SCR调压装置、位式控制接触器
采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA原则电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器端电压，从而实现锅炉温度持续控制。
位式控制接触器和THAI708型仪表一起使用，通过THAI708型仪表输出继电器触点通断来控制交流接触器通断，从而完毕锅炉水温位式控制实验。
5. PLC控制组件
可编程控制器（简称PLC）是专为在工业环境下应用一种数字运算操作电子系统。当前国内外PLC品种繁多，生产PLC厂商也诸多，其中德国西门子公司S7系列PLC，性能价格比越来越高。S7系列PLC有很强模仿量解决能力和数字运算功能，具备许多过去大型PLC才有功能，其扫描速度甚至超过了许多大型PLC，S7系列 PLC功能强、速度快、扩展灵活，并具备紧凑、无槽位限制模块化构造，因而在国内工控现场得到了广泛应用。在本装置中采用了S7-300PLC控制系统。
6. PLC控制系统：S7-300是采用模块化构造中小型PLC，涉及一种CPU315-2DP主机模块、一种SM331模仿量输入模块和一种SM332模仿量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331为8路模仿量输入模块， SM332为4路模仿量输出模块。图1-15所示为S7-300PLC控制系统构造图。

第2章 系统连接调试办法
2.1 三相磁力泵使用及接线办法
磁力传动泵也称磁力泵，其明显特点是该泵无轴封部件，即不存在动密封泄漏点。磁力传动泵由泵、磁力传动器、磁力传动泵特有构造某些和电机构成。其核心部件磁力传动器由外磁转子、内磁转子和不导磁隔离套构成。依照磁场能穿透空气隙和非磁性介质原理，当电机带动外磁转子旋转时，通过磁力线作用耦合了与叶轮相联内磁转子作同步旋转，实现了力矩非接触式传递，由本来常规泵一根轴加设轴封部件改为两根轴加设隔离套构造，将动密封转化为静密封，从而彻底解决了介质泄漏问题。
磁力传动泵重要用于石油、化工、医药、核工业、军工等领域液体输送流程设备，如炼油厂、乙烯厂、天然气加工厂、各类化工厂、制药厂、核燃料厂、核电厂等。

2.2 电动调节阀使用及接线办法
调节阀安装不符合规定而出故障会导致巨大挥霍，反之，安装得当，可保证正常开工并可延长使用寿命。减少维修工作量和获得良好系统控制性能。
（1）安装调节阀总体上应考虑如下方面：①安全：安装过程中人员和设备安全。
②控制性能：配管系统压力损失应与计算调节阀尺寸时所考虑压力损失一致，以保证所需流量特性。进出口应尽量保证足够直管段。
③安装位置：应有足够空间便于操作人员手动操作（涉及旁路操作）以及保证调节阀和附件就地拆卸和维修也许性。
④调节阀组：普通在工艺过程配管中均安装切断阀旁路阀与调节阀配成阀组，以适应设备持续操作需要。维修调节阀时用切断阀隔离。用旁路阀调节。下面图5中推荐调节阀组布置方式。安装人员一方面应结识到调节阀是一种精密仪器设备，不准碰撞跌摔，以免损坏。详细注意如下几点：①阀最佳正立垂直安装在管道上。阀自重较大和有震动场合应加支承架。②阀体要避免因先后配管或调和法兰严重不同轴而受到过大应力。
③在初次开工前和停工检修后应先冲洗配管系统后装调节阀。或在阀前安装过渡滤口。④必按照阀体上流动方向箭头安装调节阀。

2.3 传感器使用及接线办法
1．压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。采用工业用扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同步采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用原则二线制传播方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。
2．温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口水温。Pt100测温范畴：-200～+420℃。通过调节器温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。
3．流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制动力支路、由变频器控制动力支路及盘管出口处流量进行检测。它长处是测量精度高，反映快。采用原则二线制传播方式，工作时需提供24V直流电源。流量范畴：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。

2.4 MCGS触屏使用及其与PLC通讯电缆接法
1.软件安装
找到相应文献夹 ，运营里面SETUP.EXE，所有默认设定，直至完毕，插上TPC7062KSUSB下载线，自动安装驱动程序。将触摸屏和PLC相连接，在YL-235A中，触摸屏通过COM口直接与PLC编程口连接，所用通讯电缆采用PC-PPI电缆，见下图。
2.打开桌面上 ，界面如下：
点击新建，按下拟定，在实时数据库里，新增对象，双击名字，可进行属性修改，如下图，咱们这里新增5个，分别为启动按钮，停止按钮，运营批示、停止批示、报警批示。
3.双击设备窗口设备窗口
将双击左边通用串口父设备和西门子s7-200pp ，双击通用串口父设备0，进行属性设立串口端标语（1～255）设立为： 0 - COM1；
通讯波特率设立为：6-9600；
数据位位数设立为：0-8；
停止位位数设立为：0-１；
数据校验方式设立为：2–偶校验；
双击“西门子_S7200PPI”，进入设备编辑窗口，如下见图。默认右窗口自动生产通道名称I000.0—I000.7,可以单击“删除所有通道”按钮给以删除。
接下进行变量连接，这里以“启动按钮”变量进行连为例阐明。
① 单击“增长设备通道”按钮，浮现下图所示窗口。参数设立如下：
通道类型： M寄存器；
数据类型：通道第00位
通道地址：1；
通道个数：2；
读写方式：读写。
② 单击“确认”按钮，完毕基本属性设立。
③ 双击“只读M001.0”通道相应连接变量，从数据中心选取变量：“启动按钮”。
用同样办法，增长其他通道，连接变量，如图，完毕单击“确认”按钮。

2.5 PLC使用及其I/O信号接线办法
PLC模块输入端子普通采用汇点式接线方式，如图1所示；输出端子接线普通依照负载不同分组，采用分割式或分组式接线方式，分组式接线方式如图2所示，分割式接线方式如图3所示。三菱FX2N-48MR输出端子详细分了五个组，详细分法是：Y0-Y3，Y4-Y7，Y10-Y13，Y14-Y17，Y20-Y27，如果要将其中不同组合成一组，则将其COM端短接即可。

第三章 PLC及触摸屏程序编写

3.1 PLC程序设计
打开Step 7软件，编写PLC控制程序并下载，然后将S7-300PLC置于运营状态，然后运营MCGSE嵌入式开发软件，编写触摸屏程序并下载，使用PLC编程电缆将PLC于触摸屏连接通讯。监视触摸屏数据，并在触摸屏上修改系统手自动状态及PID等控制参数，观测液位调节状态。程序规定：规定在触摸屏上可监控到实际液位，调节阀门当前输出开度，PID手自动状态及PID三个参数值可修改，规定系统手自动切换时做到无扰切换。
3.2 MCGS触屏显示程序设计
详细组态过程涉及：①依照锅炉系统实际需要对监控画面进行设计，其中涉及锅炉控制系统现场，锅炉液位、温度和进出水电动阀实时曲线，锅炉液位和温度历史曲线，PID 显示模块及报警显示，可以实现锅炉系统实际运营上位动态效果，对锅炉液位、温度、进出水电动阀阀位和 PID 参数设定，各个画面之间还可以自由切换；②易控中数据库变量是联系工程运营系统各种功能纽带，要完毕上下位通信，实现易控和下位 PLC 之间进行数据交互功能，就需要通过 I/O 通信串口通道，选取 FX 编程口和 PLC 相连，把 PLC 控制信号相应设备变量与数据库变量关联起来；③为了实现易控工程运营效果，还编写了相应画面程序；④通过对报警变量、报警区和报警级别进行配备，并设计了报警窗显示，可以实现报警功能［13］。在系统实际运营中，易控组态软件设计获得良好监控效果。

图4 水箱液位PID控制系统图

第四章 编程调试

选取中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至恰当开度（50%左右），别的阀门均关闭。
将S7-300PLC控制挂件挂到屏上，并用MPI通讯电缆线将S7-300PLC连接到计算机RS232串口，经实际测试，程序正常运营，满足实验设计基本规定。

第五章 总结

一方面感谢教师以及学校安排组态技术及应用课程设计，感谢教师认真指引和精心协助，另一方面感谢同窗鼎力协助。 
我觉得课程设计是十分故意义，并且是十分必要。咱们在课堂上掌握仅仅是专业课理论知识，实际操作能力却相对较差，而做类似课程设计为咱们提供了良好实践平台。做好一种课程设计，不但仅需要咱们把所学知识可以较好地运用，还用学会查阅有关资料。特别在设计程序时，更要细心。通过这次设计，更进一步理解到理论知识与实践相结合重要意义，以及坚持、耐心和努力这些品质重要性，这对于自己此后学习和工作很重要。 
在本次课程设计中，由于平时缺少实践经验，在过程中走了许多弯路，但也有许多收获。如果没有在过程中许多同窗及教师协助，这次设计将会很难完毕。宝剑锋自磨砺出，梅花香自苦寒来，这次设计让我明白了科学道路是无止尽，要活到老，学到老，同步通过这次课程设计更让我对将来道路布满信心

参照文献

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