过参课程设计带封皮版.docx

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过参课程设计带封皮版

任务书

三、课程设计工作进度计划：

星期一：

讨论设计题目、查看试验室装置、查资料；

星期二：

完成对件设计

星期四：

分析系

4、主要参考资料

《THJ-4过程控制装置使用说明》天煌教学仪器厂；

《自动检技术与应用》梁森等主编机械工业出版社；

《过程检测技术及仪器（第2版）维等编著，化学工业出版社，2011年2月

指导教师（签名）：

系主任（签名）：

年月日年月日

目录

一、串级控制系统概述1

1.1串级控制系统的概述1

1.2串级控制系统的特点1

1.3主、副调节器控制规律的选择1

1.4主、副调节器正、反作用方式的选择2

1.5串级控制系统的整定方法2

二、设计方案4

2.1设计目的4

2.2总体设计方案4

2.3所需设备5

2.4所需设备的工作原理5

三、内容与步骤8

四、脚本程序10

五、心得体会13

六、参考文献14

一、串级控制系统概述

1.1串级控制系统的概述

图2是串级控制系统的方框图。

该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控

C2-副参数；

f1（t）-作用在主对象上的扰动；

f2（t）-作用在副对象上的扰动。

1.2串级控制系统的特点

串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。

1．改善了过；

4．具有一定的自适应能力。

1.3主、副调节器控制规律的选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。

主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。

由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。

1.4主、副调节器正、反作用方式的选择

正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。

对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K0为负。

1.5串级控制系统的整定方法

在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：

1.逐步逼近法

所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后要求为止。

2.两步整定法

两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。

整定的具体步骤为：

（1）．在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：

1）曲线法来整定副回路。

记下相应的比例度δ2S和振荡周期T2S。

（2）．将副调节器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T1S。

（3）．根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td的数值。

（4）．按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。

3.一步整定法

由于两步整定法要寻求两个4：

1的衰减过程，这是一件很花时间的事。

因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。

所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。

具体的整定步骤为：

（1）．在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。

（2）．按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。

（3）．改变给定值

二、设计方案

2.1设计目的

本课程设计使用T置；

2.连线调试本系统；

3.编程实现通过控制界面对系统参数的检测与控制；

4.分析系统的工作特性；

5.完成课程设计报告。

2.2总体设计方案

本系统的主控量为锅炉内胆的水温T，副控量为锅炉内胆循环水流量Q，它是一个辅助的控制变量。

内胆内的电热管持续恒压加热，执行元件为电动调节阀，它控制管道中流过的冷水的流量大小，以改变内胆中的水温。

副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量T的控制目的，因而副调节器可胆的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路的调节作用可快速消除扰动的影响。

本系统结构图和方框图如图1所示。

图2-1锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统

（a）结构图（b）方框图

2.3所需设备

1.试验对象，

3.SA-44-1挂件一个

4.SA-24-1挂件一个

5.SA-21挂件一个SA-22挂件一个SA-23挂件一个

2.4所需设备的工作原理

2.4.1温度传感器

温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。

这些呈现规律性变化本次设计中我们使用的是PT100铂电阻，pt100是铂热电阻，简称为：

PT100铂电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工业原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。

用处：

通过两根导体的热膨胀系数不同来测量温度，选用铂电阻是因为铂耐高温性较好一般可以做到1800度以上。

2.4.2模拟量采集模块

模拟量采集模块采用RS485通讯网路，将分散的现场数据点的模拟量经AD变换传输到主机或由PC控制远程主站点。

具有独特的双看门狗安全设计。

DATA-7215模拟量采集模块具有计量数据采集、测量数据采集、设备开关状态采集和对外逻辑控制等多项功能，主要用作各种测控终端的数据采集、控制和显示设备，适用于各行业的自动化、信息化系统。

模拟量采集模块分为输入模块与输出模块。

2.4.3三相电加热管

电加热管是管状电热元先进，热效率高，发热均匀，高温电阻丝中有电流通过时，产生的热通过氧化镁粉向金属管表面扩散，再传递到被加热件或空气中去，达到加热的目的。

适用于加热空气、油、水、化学介质、热压模，熔化盐、碱及低熔点合金等。

由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。

2.4.4磁力泵

磁力泵是一种无密封泵。

主要针对叶片泵中的离心泵进行设计，通常由泵体、隔离套及连接部件组成能够承受压力的屏蔽密封腔体。

在密封腔体的外部有一个旋转的永磁场，并通过磁场的作用，带动密封腔体内部的磁性转子部件同步旋转，而密封腔体内部的转子部件带动叶轮实现对流体的作功。

磁力泵是利用磁性联轴器的工作原理无接触地传递扭矩的一种新泵型，当电动机带动外磁转子旋转时，通过磁场的作用带动内磁转子与叶轮同步旋转，从而达到抽送液体之目的，由于液体被封闭在静止的隔离套内，所以它是一种全密封、无泄漏的泵型。

在电机轴上装有一个圆筒形的外磁转子，在其内侧圆柱面上均匀密排着N.S极相间排列的外磁钢（永磁体）。

在泵轴的右端也装一个圆筒形的内磁转子，在其圆柱外表面上同样均匀密排着N.S极相间排列的内磁钢（永磁体）。

由于内磁转子与输送介质相接触，为防止受介质磁转子之间有一个非磁性材料制作的隔离套，隔离套紧紧固定在泵盖上，将被抽送的介质以静密封的形式密封在泵体内，故介质不会外泄。

当电机带动外磁转子旋转时，由于永磁体的吸斥作用，带动内磁转子同步旋转，因为叶轮与内磁转子连成一体，从而叶轮也就和内磁转子一起旋转而达到输送液体的目的。

优点：

全封闭、无泄露。

防毒、防爆，保证安全生产。

运转可靠，使用寿命长。

运转平稳，振动小、噪音低。

缩短了操作人员与有毒、有害介质的接触时间。

大修周期长，节省费用。

缺点：

效率低3%--10%（金属隔离套）

价格偏高。

2.4.5流量传感器、变送器

三个涡轮流量计速V且垂直于磁场强度为B磁力线方向通过距离为L的两电极时，在电极间就产生相应的电动势E，法拉第电磁感应定律为：

E=B

2.4.6三相scr移相调压装置

采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，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的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

2.4.8锅炉防干烧保护装置

为保证试验效果好、不降低锅炉加热功率的前提下，本套装置配备了良好的防干烧保护系统，当锅炉内胆液位低于红色警戒水位线时，保护装置将切断调压模块输出电压，以有效保护电加热管不被干烧损坏。

2.4.9电动调节阀

其直行程电动执行器主要是由相互隔离的电气部分和齿轮传动部分组成，电机作为连接两个隔离部分的中间部件。

电机按控制要求输出转矩，通过多级正齿轮传递到梯形丝杆上，梯形丝杆通过螺纹变换转矩为推力。

因此梯形螺杆通过自锁的输出轴将直线行程传递到阀电动执行机构是以电动机为驱动源、以直流电流为控制及反馈信号，当控制器的输入端有一个信号输入时，此信号与位置信号进行比较，当两个信号的偏差值大于规定的死区时，控制器产生功率输出，驱动伺服电动机转动使减速器的输出轴朝减小这一偏差的方向转动，直到偏差小于死区为止。

此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。

三、内容与步骤

本试验选择锅炉内胆和循环水组成串级控制系统。

试验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-6、F2-8、F2-9打开。

将变频器A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节变频器频率，给锅炉内胆和夹套贮满水。

然后关闭变频器、关

1.将各模块电源与24V电源开关正负相连。

2.三相磁力泵U、V、W分别与三相电源输出U、V、W相连。

3.三相SCR移相调压装置的三相电源输入U、V、W分别与三相电源输出U、V、W相连。

4.三相SCR移相调压装置的三相电源输出U、V、W分别与三相电加热管输入端U、V、W相连。

5.三相SCR移相调压装置的移向调控输入的正端与远程数据采集模拟量模块A/01的负端相连，6.远程数据采集模拟量输出模块A/00的正端连所在模块的电源正端，负端连连电动调节阀4~20m正端，然后在从连电动调节阀4~20m负端连至此模块的负端。

7.锅炉铂电阻与远程数据采集热电阻输入模块的第一列接口相对相连。

8.流量变送器模块上的电动阀支路流量与远程数据采集模拟量输入模块正负相连。

9.电动调节阀上的220V的L、N分别与单相电源输出的单相I的1L和1N相连。

接线如图3-1

图3-1硬件接线实物图

3.2操作步骤

1．将试验控制器相关控制种类挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线接好。

2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，按下启动按钮，打开相关部件电源。

3．打开上位机组态环境，进入本节试验项目的控制工程运行环境。

4．在上位机监控界面中将主控调节器设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值。

四、脚本程序

本试验采用MCGS组态软件进行调试，MCGS组态软件

本装置中智能仪表控制方案、远程数据采集控制方案和S7-200PLC控制方案均采用了北京昆仑公司的方案和开发平台，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。

图4-1MCGS组态软件五大组成

图4-2MCGS组态图

启动脚本

control=0

q0=0

q1=0

q2=0

q3=0

q4=0

q5=0

ei=0

ei1=0

ei2=0

ei3=0

ei4=0

ei5=0

mx1=0

mx=0

op12=0

op11=0

电动阀输出=0

变频器输出=0

调压器输出=0

循环脚本

ifalarm2<1oralarm2>31then

do12=1

do14=1

endif

ifcontrol=1then

ei=内胆温度-主设定值

q0=k1*（ei-ei1）

ifti1=0then

q1=0

else

q1=k1*0.2*ei/ti1

endif

q2=k1*td1*（ei-2*ei1+ei2）/0.2

mx=q0+q1+q2

op11=op11+mx

ifop11<0then

op11=0

endif

ifop11>100then

op11=100

endif

ei2=ei1

ei1=ei

endif

ei3=op11/2.5-变频器支路流量*2

q3=k2*（ei3-ei4）

ifti2=0then

q4=0

else

q4=k2*0.2*ei3/ti2

endif

q5=k2*td2*（ei3-2*ei4+ei5）/0.2

mx1=q3+q4+q5

op12=op12+mx1

ifop12<0then

op12=0

endif

ifop12>100then

op12=100

endif

调压器输出=op12

ei5=ei4

ei4=ei3

退出脚本

do12=0

do14=0

电动阀输出=0

变频器输出=0

调压器输出=0

六、参考文献

[1]《THJ-4过程控制装置使用说明》天煌教学仪器厂；

[2]《自动检测技术与应用》梁森等主编，机械工业出版社；

[3]《过程检测技术及仪器（第2版）》杜维等编著，化学工业出版社；

[4]《化工过程控制原理》周春晖主编，化学工业出版社；

[5]《化工检测技术及显示仪表》杜维等主编，浙江大学出版社；