离心泵恒压力控制系统设计.docx
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离心泵恒压力控制系统设计
开放实验报告书
样张1
离心泵恒压力控制系统设计
学院名称机械工程与自动化学院
专业名称过程装备与控制工程
学生姓名梁书臣张兵黄占宏李程明
2010年12月29日
前言
离心泵就是根据原理设计的，高速旋转的叶轮叶片带动水转动，将水甩出,从而达到输送的目的。
离心泵有好多种，从使用上可以分为民用与工业用泵；从输送介质上可以分为清水泵、、耐腐蚀泵等。
离心泵的性能参数：
流量、扬程、转速、汽蚀余量、功率和效率。
（1）质量流量
与体积流量
的关系
单位：
。
（2）扬程用符号H表示，单位m。
其公式为H=
为泵出口处单位重量液体的能量，
为泵进口处单位重量液体的能量，均用单位m。
而E为单位液体的总机械能，公式表示为
单位为m。
（3）转速一般用n表示，单位是
。
（4）汽蚀余量又叫净正吸头NPSH，单位是m，是表示汽蚀性能的主要参数。
（5）泵的功率通常指原动机传到泵轴上的轴功率，用N表示，单位是W或kW。
泵的有效功率用
表示，而有效功率与轴功率的比值即为泵的效率用
表示。
离心泵的性能调节一般可分为三种方法：
改变泵的特性曲线的调节
转速调节
切割叶轮外径调节
改变前置导叶叶片角度的调节
改变半开式叶轮叶片端部间隙的调节
泵的串联和并联调节
改变装置特性曲线的调节
闸阀调节
液位调节
旁路分流调节
同时改变泵与装置的特性曲线调节
第1章控制系统方案设计
设计负责人：
参加设计人：
控制方案
离心泵恒压力控系统制设计任务就是：
在供水管网受到扰动时，系统能够自动调节，保证水泵出口管路的水压恒定。
被控变量为水泵出口管路压力，其变化值范围为0-800KPa。
额定工作压力为400KPa，要求控制精度等级为级。
从控制任务要求可知设计控制系统为单点、恒值控制系统。
由于该系统控制精度要求一般，功能上无特殊要求，因此，可采用常规的闭环控制系统实现。
单回路控制系统结构简单、易于实现，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此，在生产过程中得到了广泛的应用。
控制系统操作变量可选择离心泵的流量。
常用离心泵的流量调节可以通过节流调节、旁通阀调节、吸液池液位变化自动调节和改变泵的转速等调节方法实现。
综合各种调节方法，改变泵的转速调节法适用于流量经常需要改变，对泵的运行效率影响最小，是一种最为经济的调节方法，在工业生产中应用也最为广泛。
由此，根据实的设计要求，操作变量可选择冷水泵的转速。
调节转速能有效影响出口管路压力，调节作用明显，反应灵敏。
变频器调节改变电动机的转速，是一种较易实现的调速方法。
故本系统采用变频调速方法调节水泵出口压力。
由于本实验台为教学所用，故需加一个干扰量。
干扰因素对出口压力的影响应明显，因此以换热器壳程出口的流量调节作为干扰输入。
由此构成单回路控制系统。
控制系统流程图如图所示。
图中PT为压力测量，PIC为调节器。
离心泵恒压力控制系统图
从调节规律来讲，PID调节器是模拟调节器中最完善的调节器。
PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，被广泛应用于工业过程控制。
可以满足对整个控制系统的要求。
因此，本系统压力调节器应采用PID算法。
安装在离心泵出口管路上压力传感器PT测量离心泵出口压力值PV，并转换成0～20mADC标准信号传送至工业调节器PC，PC将压力测量值PV与给定值SP比较后，按PID调节规律输出控制信号，驱动变频调速器控制电机的转速，达到恒定离心泵出口压力的目的。
图为离心泵恒压力控制系统控制原理方框图。
图离心泵恒压力控制系统方框图
根据上述控制方案，编制控制点一览表如表所示。
表控制点一览表
监控点
参数及状态
点数
控制
离心泵出口压力
0-100Kpa
1
阀门开度
0-100
1
变频器启动控制
开启/关闭
1
离心泵启动控制
开启/关闭
1
测量
离心泵出口压力
0-100Kpa
1
阀门开度
0-100
1
根据控制点的属性，就可以进一步设计硬件方案了。
硬件方案
恒压力控制系统设计成分布式网络的远程监控系统。
通过TCP/IP以太网络，实现多台计算机对系统进行操控，模拟工业过程。
远程节点上的计算机实现对调节过程的数据采集及处理、监视的功能。
分布式网络结构如图所示。
以串口通信服务器实现计算机监控系统与用智能仪表之间的通信。
串口服务器（NCS6001B）一端与交换机相连接，各监控计算机同交换机连接组成工业以太网；另一端与RS485总线相连，构成RS485网络。
智能仪表采用盘装形式，继电器、串口通信服务器等采用架装设备形式。
RS485通讯距离长达1KM以上（部分实际应用已达3-4KM），只需两根线就能使多台AI仪表与计算机进行通讯，优于RS232通讯接口。
按RS485接口的规定，RS485通讯接口可在一条通讯线路上连接最多32台仪表或计算机。
设备接口多，也是工程中广泛应用的一种通讯方式。
图硬件方案图
PID控制策略由下位机，即智能仪表调节器实现，这种方法具有运算速度快，实时性好。
对于冷水泵启停的控制，采用为手动操作和上位机控制异地控制方案。
干扰的加入，通过调节阀的开度改变来实现，调节阀开度也可通过智能仪表来进行调节，通过上位机置指令到智能仪表。
第2章控制系统硬件设计
设计负责人：
参加设计人：
仪表选择
现场安装有压力变送器、电动调节阀、AI519智能仪表、AI719智能仪表、AI301开关模块等。
设备一览表如表所示：
表设备一览表
设备名称
设备作用
规格
数量
串口服务器
串口通讯
NCS6001B
1
智能仪表
压力调节器
AI519BV24S4
1
智能仪表
压力调节器
AI719BV24S4
1
开关模块
开关控制
AI301ME5L2L2L2
1
变频器
改变频率
N2-450
1
调节阀
提供系统干扰
Q8BM-16R
1
差压变送器
压力测量
LDN200
1
交流接触器
启动电动机
CJ10
1
立式离心泵
动力源
DLZ-130/115
1
2.1.1压力变送器
离心泵出口压力测量元件选用扩散硅压力变送器，这类变送器比陶瓷变送器稳定性好，压力的量程可以做的大些，线性度也要好。
更是具有体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快等优点。
环境和测量介质（清水）对压力变送器无特殊要求。
根据实验台的实际工况，离心泵出口压力范围为0-800kpa，要求精度等级。
选择压力变送器量程0-1000kpa，精度等级。
选择开发的SM9320扩散硅压力变送器。
压力变送器数据如表所示。
表压力变送器数据表
位号
PT-101
用途
热载体罐内压力
操作条件
工艺介质
水
操作压力/MPa
0-800kpa
操作温度/℃
10-30
压力变送器规格
型号
SM9320
测量范围/MPa
0～
精度
输出信号/mADC
4～20mADC
测量原理
压阻式
测量元件材质
316L
终端接头规格
1/2NPT
电气接口尺寸
1/2NPT
外壳防护等级
IP65
防爆等级
未安防爆
安装固定方式
2，，管装
输出指示表
不带
2.1.2智能仪表
压力调节器以及提供干扰输入的调节器采用宇电AI系列智能仪表。
AI智能仪表输入可自由选择热电偶、热电阻、电压及电流，内含非线性校正表格，无需校正，测量精确稳定。
采用先进的AI人工智能PID调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。
具备手动/自动无扰动切换功能及上电软启动功能。
采用宇电公司新一代%高精度电流输出模块X3/X5，大大提高了变送及调节输出精度。
采用模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要。
操作方法易学易用；并允许编辑现场参数及自设定密码，“定制”自己的仪表。
100~240VAC输入范围开关电源。
大量采用钽电容或陶瓷电容替代电解电容，具备比同级产品更低的电源消耗、更高的可靠性、稳定性及更宽广的温度使用范围。
根据AI519仪表说明书，选择型号AI519BV24X3S4，B型面板，内置24V电源可为传感器供电。
X3为电隔离型线性电流输出模块，支持0~20mA及4~20mA控制信号的输出。
S4模块是光电隔离的RS485通讯接口，自带隔离DC/DC电源转换器，负责485通讯。
干扰调节器采用AI719BV24X3S4，其型号说明同AI519仪表。
用来控制离心泵的启停开关模块采用AI301ME。
AI301模块通过RS485通讯接口为计算机监控系统提供高可靠性的开关量及频率信号采集输入与继电器开关输出信号。
AI系列智能仪表表数据如表所示。
表智能调节器数据表
位号
PIC-101
PIC-102
PIC-103
用途
压力调节器
干扰输入
开关模块
仪表规格
型号
AI519BV24X3S4
AI719BV24X3S4
AI301MEL2L2L2
输入信号
0-20mADC
0-20mADC
0-20mADC
电源
100~220VAC
100~220VAC
100~220VAC
外形尺寸
152x76x100
152x76x100
安装盘号
1IP
1IP
1IP
制造厂
厦门宇电
厦门宇电
厦门宇电
2.1.3变频器选型
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
达到调节电动机转速的目的。
选用台安N2变频器，具体型号：
N2-203-H3N4。
采用220V交流电源供电，3马力，标准型三相机种。
2.1.4调节阀的选型及计算
由设计任务要求可知离心泵出口管路压力变化大，要求大的可调范围，开度变化及阀上的压差变化相对较大，宜选用等百分比流量特性。
阀体耐压等级、使用温度和耐腐蚀性能，根据实验台的工艺条件，定型产品都能满足需要。
执行机构从节能方面考虑，选用电动执行机构。
在定型产品中QSBM系列智能电动调节阀是—种高性能的压力平衡式调节阀，适用控制各种高温、低温流体广泛应用于电力、石油、冶金、化工、医药、锅炉、轻工等行业自动控制系统中。
电动执行机构接受4～20mA控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力的调节。
该型调节阀的主要特点是：
配备PSL智能型直行程电动执行器，体积小、重量轻、推力大、操作方便，无调整电位器，可靠性高、噪声小。
有数字显示窗口，可看到控制信值、阀位值。
断信号时可使执行器或开；或关；或保持；或在0～100％之间予置的任意位置。
QSBM系列电动调节阀实际上是一种低流阻流道设计、力平衡结构、套简导向的双座密封调节阀。
与其它的调节阀相比BM系列调节阀具有更大的额定流量系数、更高的允许压差、更长的寿命、最佳的动态稳定性及维护方便等优点。
QSBM系列电动调节阀如图所示
图QSBM型电动调节阀
QSBM系列电动调节阀数据如表所示
表调节阀数据表
位号
LV-101
计算
用途
调节阀（控制P-101压力）
选择
管道编号
连接端型式
管道材质
螺纹规格
法兰规格及密封面
法兰标准
管道规格
法兰材质
操作条件
工艺介质
水
型号
操作温度
型式
阀前压力
作用形式
阀后压力
弹簧范围
阀关闭差压
相对行程
手轮
供气压力
操作密度
动力粘度
密度（空气=1）
压缩系数
临界压力
噪声等级
空气故障时阀位置
关
电气接口尺寸
阀体/阀芯规格
气信号接口尺寸
阀型号
气源接口尺寸
阀型式
流开/流关
阀座数量
阀口径
流量特性
散热片/延伸杆
阀体材质
阀芯材质
调料材料
泄漏等级
设备安装
2.2.1系统电源控制电路
整个实验台采用工业用电提供动力电源。
总电源上设置一空气开关，在总电源中取零线L，火线U组成220V交流电源为仪表供电。
三相调节阀与总电源相连。
见下图。
图开关电源及调节阀连线
通过变频控制离心泵电机，电动机的启/停是经过AI301模块电的控制实现的具体硬件连线如图3-7。
图离心泵控制电路接线图
2.2.2仪表接线
AI519仪表电源从总电源分出，如图3-6的U、L线。
作为调节器，压力变送器产生的压力信号于AI519的16、17端子接入。
压力调节器处理完信号后，于11、13端子输出4-20mA控制信号，通过250Ω精密电阻（转换电路）转化成1-5V电压信号送至变频器，调节电机转速。
如图3-8所示。
图3-8开关电源及调节阀连线
调节器AI719负责调节阀开度的改变。
调节阀开度通过计算机监控系统下置。
则AI719仪表接线如图3-8所示。
图3-8干扰输入调节器
如图所示，计算机将信号通过串口服务器，经过RS485双绞线的传送，信号自719仪表的3、4端子输入。
调节信号于11、13端子输出至电动调节阀（图3-6）。
2.2.3串口服务器的接线
计算机监控系统通交换机与串口服务器相连。
各智能仪表通过RS485双绞线与串口服务器相连。
这样计算机监控系统就可对智能仪表进行监控了。
串口服务器的接线，如图3-9所示。
图3-9串口服务器的接线
仪表参数的设定
AI-519仪表作为下位机，其参数设定直接影响控制系统的控制精度。
仪表的设定可以通过自动和手动两种方式。
表盘显示窗显示输出值状态下，按A/M键可以使仪表在自动及手动之间进行无扰动切换。
也可通过计算机进行自动手动切换，通过控制系统的自动手动切换按钮。
手动即在仪表盘上直接操作，在基本显示状态下按
键并保持约2秒钟即可进入现场参数表。
自动则是通过仪表内部设置好的控制参数进行控制。
为保护重要参数不被随意修改，我们把在现场需要显示或修改的参数叫现场参数。
现场参数表是完整参数表的一个子集并可由用户自己定义，能直接调出供用户修改，而完整的参数表必须在输入密码的条件下方可调出。
设置Loc=密码（密码可为256~9999之间的数字，初始值为808）确认，可进入显示及修改完整的参数表，一旦进入完整参数表，则所有的参数都是有权修改的。
表3-6智能调节器参数设置表
寄存器地址
参数名称
AI-519设置
AI-719设置
00H
SV给定值/SteP程序段
25
0
07H
P比例带
820
14960
08H
I积分时间
2
1
09H
d微分时间
0BH
InP输入规格
1-5
1-5
0CH
dPt小数点位置
0
0
0DH
SCL信号刻度下限
0
0
0EH
SCH信号刻度上限
100
100
11H
OPt主输出类型
4-20
4-20
16H
仪表地址（读/写）
2
5
19H
Loc参数封锁
808
808
表3-7智能调节器参数设置表
寄存器地址
参数代号
AI-301ME
设定值
16
10H
开关量状态
1
22
16H
仪表地址（读/写）
0
25
19H
Loc参数封锁
808
26
1AH
MV手动输出值
Cn测量路数
系统硬件连接
系统硬件连接如图所示。
第3章控制系统监控界面设计
设计负责人：
参加设计人：
概述
3.1.1组态王软件的构成
“组态王”是运行于MicrosoftWindows/NT中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务。
组态王（KingView）软件包括组态王工程浏览器（ProjManager）和运行系统（TOUCHVIEW）两个独立软件，其中工程浏览器内部嵌入开发系统（TOUCHMAK）。
组态王工程浏览器是一个具有集成开发的环境。
在工程浏览器中您可以创建您自己的工程，并对工程进行管理。
可以查看工程的各个组成部分，完成构造数据库、定义外部设备等工作。
工程浏览器内嵌的开发系统“TOUCHMAK”是应用程序的开发环境。
在这个环境中完成设计画面、动画连接等工作。
TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。
运行系统“TOUCHVIEW”是组态王软件的实时运行环境。
在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHIVEW中才能运行。
TOUCHVIEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。
它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
3.1.2组态王与下位机通讯
“组态王”把第一台下位机看作是外部设备。
在运行期间，组态王通过驱动程序和这些外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。
每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统能够达到很大的规模。
“组态王”与下位机通讯方式如图所示。
图组态王与下位机通讯
3.1.3组态王动画效果的实现
动画连接的引入是设计人机接口的一次突破，它把程序员从重复的图形编程中解放出来，为程序员提供了标准的工业控制图形界面，并且有可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。
组态王运行环境（ToutchVew）中的某些图素是动态的，以动画方式反映工业现场的状况，那么这种动态画面是如何实现的呢？
这需要通过与现场状况同步变化的数据库中的变量实现画面的动画效果。
组态王“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。
这样，工业现场的数据（比如温度、液面高度等），当它们发生变化时，通过驱动程序，将引起实时数据库中变量的变化，如果画面上有一个图素，比如指针，规定了它的偏转角度与某个变量相关，就会看到指针随工业现场数据的变化而同步偏转。
画面图素与现场工业参数的连接通信如图所示。
图画面图素与现场参数的连接通讯
创建工程
“组态王”用工作目录标识工程，不同的工程应置于不同的目录。
工作目录下的文件由“组态王”自动管理。
创建“组态王”工程需要指定工程路径和工程名。
以下为创建“恒压力控制系统”工程过程。
启动“组态王”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件\新建工程”，弹出新建工程向导，单击“下一步”继续，弹出“新建工程向导之二对话框”，在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，如如图所示。
图新建工程路径
单击“下一步”继续。
弹出新建工程向导之三对话框”，在工程名称文本框中输入工程的名称：
“恒压力控制系统”。
在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字，如图所示。
图新建工程名称
创建主控界面
离心泵恒压力监控系统，可在上位机对整个控制流程进行监控。
监控主界面进行实时数据显示与操作，包括离心泵出口压力、电动调节阀开度、PID调节参数等；监控主界面设置趋势曲线可以实时显示压力设定值及实时测量值；通过设置操作按钮在上位机上对远程水泵进行启停操作。
3.3.1建立监控画面
进入新建的“恒压力控制系统”组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件\画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“新建画”对话框。
在该对话框中，输入新的画面名称：
“离心泵恒压控制系统”及画面属性，如图所示。
图新建控制系统画面
点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统，如图所示。
图组态王开发系统
3.3.2创建图形和文本对象
（1）图形和文本对象
在组态王开发系统中，利用“工具箱”中提供的工具绘制控制系统流程图和“文本”对象图形，如图所示。
在工具箱中选中“文本”，此时鼠标变成“I”形状，在画面上单击鼠标左键，输入“####”文字。
（2）创建按钮对象
在工具箱中选用“按钮”工具，然后在画面上绘制4个按钮，分别输入名称：
“启动装置”、“关闭装置”、“启动水泵”和“关闭水泵”。
（3）创建实时趋势曲线
在工具箱中选用“实时趋势曲线”工具，然后在画面上绘制趋势曲线。
图创建图形画面
I/O设备组态
3.4.1定义I/O设备
组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。
外部设备包括：
下位机、其他Windows应用程序、网络上的其他计算机。
下位机包括：
PLC、仪表、模块、板卡、变频器等，它们一般通过串行口和上位机交换数据。
只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。
本控制系统中下位机使用AI智能仪表与组态王通信，为了在一个通讯接口（COM4）上实现计算机与多台RS485设备通讯，需要给每台RS485设备编一个互不相同的通讯地址。
系统中使用的下位机及通讯接口如表所示。
表设备组态表
设备名称
生产单位
计算机串口号
设备地址
AI-519工业控制器
厦门宇电
COM4
2
AI-719工业控制器
厦门宇电
COM4
5
AI-301开关量模块
厦门宇电
COM4
0
首先设置串口通讯方式。
选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM4”，弹出“串口设置”，根据仪表硬件设置输入通讯参数，并选择RS485通信方式，如图**所示。
图设置设备地址
完成串口通讯方式设置后，就可以定义I/O设备。
以AI-519为例，说明定义I/O设备过程。
选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM4”，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“智能仪表/宇电/AI系列/串性”如图所示。
图定义设备生产厂家、名称和通讯方式
单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，为外部设备设置逻辑名称，这里输入AI-519-02，如图所示。
图设备逻辑名称
单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，为设备选择连接串口，控制系统中所有AI仪表公用一棵双绞线，通过串口服务器与计算机虚拟串口COM4通讯，如图所示。
图选择AI-519通讯串口
单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，填写设备地址。
这里输入的地址要与RS485设备地址一致，AI-519仪表地址为2。
如图所示。
图设备地址
单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，设置通信故障恢复参数，这里使用系统默认设置，如图所示。
图设备配置向导五
单击“下一步”，检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。
至此AI-519设备定义完成，此时可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“AI-519-02”，此时，组态王可以与AI-519设备交换数据了。
同样方法按表***仪表参数定义AI-719和AI-301智能仪表。
3.3.2构造数据库
数据库是“组态王”软件
升级会员 