基于S7300PLC和ADAM模块的过程控制实验对象设计Word文档格式.docx
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本课题选用S7-300PLC和ADAM模块对模拟工程现场的压力、温度、流量、液位四大参数进行过程控制，设计过程控制实验装置。
具体的设计内容是过程控制实验装置的控制对象。
分别设计控制对象的机械台架、储水箱，包括水泵选用和安装；
设计夹套锅炉体、加热丝、传感器、调节阀；
设计水箱对象并完成设备主电路设计，绘制工程图纸和仪表数据表。
2控制对象机械台架的设计和安装
2.1控制对象机械台架的设计和安装
本实验装置的设计目的在于模拟工业现场对工业生产过程进行控制。
设计时力求与工业现场保持一致。
本机械台由长方体框架作为主结构，内部安装固定三角铁作为固件结构。
所用材料均是规格为∠30×
30×
3的角钢，通过人工截取，用螺丝、三角片固定组建而成。
主体为长、宽、高为1550mm、500mm、2050mm的长方体。
内部由角钢支撑和固定各检测元件、变送器、控制阀、取源点及控制对象。
所有现场接线排线也依附于角钢铁架，既能方便操作，又能有效的保护人身安全，符合工业现场设计规则。
2.2主要实验设备的安装
本控制现场用到的主要设备有磁力驱动泵、智能调节阀、压力变送器、温度传感器、液位传感器及变送器、流量传感器及变送器（涡轮流量计）、加热丝等。
为了更好的利用空间，本次设计将长方体角钢架大体划分为四层。
第一层安放作为水源的水槽、磁力驱动泵和压力传感器。
第二层安装智能调节阀、流量传感器。
第三层内部架装锅炉和一个水槽，在锅炉底部安装压力传感器，在左上角安装温度变送器和流量变送器。
第四层架装两个水槽，放置液位传感器。
具体安装位置为，从水槽引出管道出接磁力驱动泵，离磁力泵200mm处插入压力变送器，检测供水压力。
而后管道分为两路，各接智能调节阀FV101、FV102。
在离智能电动调节阀200mm处接入流量传感器FE1、FE2。
而后接入锅炉、下水槽，两个上水槽。
各处所需阀门选用球阀，共17处。
控制对象机械台架的设计和安装如附录1所示[2]。
3主要设备的选型和功能简介
3.1压力对象的设计
3.1.1储水箱的设计与安装
储水箱材质可使用不锈钢板、搪瓷钢板、玻璃钢（SMC）、热镀锌钢板、钢板内衬不锈钢板。
结合给水箱设计规范标准，材质的选择，经济实用和安装要求我选用厚度为2mm的不锈钢板作为储水箱材质。
储水箱尺寸为1000mm*430mm*440mm，容积为189L。
储水箱三视图和实物图如图1所示。
图1储水箱三视图
3.1.2水泵的选型与安装
本实验装置选用的水泵采用CQ型磁力驱动泵（简称磁力泵），是将永磁联轴器的工作原理应用于离心泵的新产品。
其优点是设计合理、工艺先进、具有全密封、无泄漏、耐腐蚀的特点。
磁力泵以静密封取代动密封，使泵的过流部件处于完全密封状态，彻底解决了其它泵机械密封无法避免的跑、冒、滴之弊病。
磁力泵选用耐腐蚀、高强度的工程塑料、刚玉陶瓷，不锈钢等作为制造材料，因此它具有良好的抗腐蚀性能，并可以使被输送介质免受污染。
磁力泵结构如图2所示。
图2磁力泵结构示意图
其型号含义如图3所示。
图3型号示意图
本次选用磁力泵的型号为20CQ-12。
意义：
20代表进口直径（mm），CQ代表磁力驱动泵，12代表扬程。
出口直径为12mm，流量为50L/min，电机功率：
0.37千瓦，转速为2800转/min。
该磁力泵在安装时应注意磁力泵应水平安装，不宜竖立，电机务必朝上；
当抽吸液面高于泵轴心时，起动前打开吸入管道阀门；
使用前要进行检查，看电机风叶转动是否灵活，无卡住及异常的声响；
检查电机旋转方向是否与磁力泵转向标记一致；
电机启动后，缓慢打开排出阀，待泵进入正常工作状态后，再将排出阀调到所需开度；
泵停止工作前应先关闭排出阀门，然后关闭吸入管阀门。
3.1.3压力变送器的选型
本实验台的压力变送器选择型号为KY-B3803的压力变送器，原因有以下几点。
1.精度等级。
中国和美国等膜盒压力表国家标的精度是传感器在线性度最好的部分，，中国标的精度就为0.5%。
2.从测量介质上看，我们测量的是相对比较清洁杂志较少的水而不是易结晶的或粘稠的流体，我们就直接采用标准的压力变送器，而不必采用外置膜片和化学密封来阻止介质堵住压力测量孔。
3.接液材质。
一般考虑的是压力变送器所测量的介质，一般的压力变送器的接触介质部分的材质采用的是316不锈钢，我们的测量介质对316不锈钢没有腐蚀性，选择普通的316不锈钢满足使用。
4.输出信号。
目前由于各种采集的需要，现在市场上压力变送器的输出信号有很多种，主要4～20mA，0～20mA，0～10V，0～5V等等，但是比较常用的是4～20mA和0～10V两种，在我上面举的这些输出信号中，只有4～20mA为两线制（我们所说的输出为几线制不包含接地或屏蔽线），其他的均为三线制.而我们在此选用4～20mA两线制。
5.介质温度。
由于压力变送器的信号是通过电子线路部分转换的，所以一般情况下，压力变送器的测量介质温度为-30到+100度。
我们测量的是普通水质，考虑到后面有温度控制，介质温度不会高于100℃，市场上绝大部分产品都可选用，不需特殊定制[3]。
压力变送器实物如图4所示。
图4压力变送器实物图
压力变送器具体参数如下[4]：
型号：
KY-B3803
量程：
150KPa
电源：
24VDC
精度：
0.25%
输出：
4～20mA
量程相对最大0～35MPa最小0～250Pa
绝对最大0～35MPa最小0～35KPa
负压最大-100KPa～35MPa最小±
500Pa
接线图如图5所示，不能和压力传感器相混淆，它的接线和液位传感变送器一样。
图5压力变送器接线图
其接线框图如图6所示。
图6压力变送器接线框图
3.1.4压力单回路主电路设计
恒压供水系统的设计主要完成水泵供水时保持恒压，为整个实验装置供水。
该控制系统用智能仪表作为调节器，压力变送器作为反馈单元，把检测到的水泵出口水压信号传到智能仪表上，用智能仪表控制变频器，变频器驱动水泵变频调速运行，以达到恒压供水的目的。
设置调整智能仪表的PID等参数，实现闭环控制[5]。
实验装置：
交流变频器MMV440、智能仪表（PIC101）、压力变送器（PIT101）、磁力驱动泵（PV101）、250欧的标准电阻[6]。
其管道仪表流程图和控制回路接线图如图7、图8所示。
图7恒压供水管道仪表流程图
图8恒压供水控制回路仪表接线图
3.2温度对象的设计
本实验装置的设计思想包括对温度对象的控制，我们以锅炉里的水作为温度控制对象。
为了更好的与工业现场相结合，增加了对锅炉外部进行流动水扰动的功能。
具体通过夹套锅炉来实现。
3.2.1夹套锅炉的设计、管道选用和安装
夹套锅炉材质为不锈钢，厚度2.5mm，锅炉内径250mm，外径360mm，夹套高度440mm，锅炉总高度525mm，内胆容积为25L，夹套容积为23L。
锅炉下水管道直径30mm，锅炉下方阀门孔径45mm。
温度控制系统的执行器为加热丝。
加热丝安装在锅炉底部，功率为1.5KW。
为了缩短实验时的升温时间，我们采用三只加热丝相连接同时供热，总功率为3*1.5KW，加热丝接线图如下[7]。
锅炉顶部安装两个温度传感器，分别检测内胆温度和夹套温度。
夹套锅炉三视图如图9所示。
防干烧联锁接线图如图10所示。
图9夹套锅炉三视图
图10防干烧锅炉加热丝接线图
夹套锅炉的进水出水装置与水箱设计一致。
溢管分别从内胆侧壁、夹套侧壁引出，距离箱顶150～200mm。
这样设计符合实际需求，也在保证水箱有效容积的基础上，使水箱的公称容积最经济[8]。
检测内胆温度的传感器标号为TE101，分度号为Cu50，长度L=300mm，直径Ф6，卡套螺纹连接。
检测夹套温度的传感器标号为TE102，分度号为Pt100，长度L=300mm，Ф6，卡套螺纹连接。
铂（铜）电阻温度传感器是利用金属铂（铜）在温度变化时本身电阻值也随着变化的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铂（铜）电阻的电阻值所对应的温度值。
其受热部分（感温元件）是用细金属铂（铜）丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。
当被测介质中有温度梯度存在时，其回路内产生热电流的物理现象。
所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。
温度传感器的技术指标如表1所示。
表1温度传感器的技术指标
名称
分度号
测量范围
精度等级℃
误差△℃
铂电阻
Pt100
-200-600℃
1/2DIN
±
（0.10+0.017t）
铜电阻
Cu50
-50-150℃
（0.30+0.002t）
金属铂材料的优点是化学稳定性好、能耐高温，容易制得纯铂，又因其电阻率大，可用较少材料制成电阻，此外其测温范围大。
它的缺点是：
在还原介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆，并改变电阻与温度之间的关系。
铜热电阻的优点是价格便宜，线件度好，工业上在-50-150℃范围内使用较多。
铜热电阻怕潮湿，易被腐蚀，熔点亦低。
安装时要注意，热电阻为避免因联接导线的电阻随外界温度变化而更降低测温精度时，应采用三线制。
温度传感器输出的信号不是标准信号，无法直接被ADAM模块等其他设备正确识别，所以需要智能仪表的信号变送。
在设计中我们使用的温度转换器为AI-818智能仪表，它和传感器型号为Pt100和Cu50的传感器接线如图11所示。
图11温度传感器和智能仪表接线图
检测内胆液位的传感器位号为LIT301，是型号为KY-B3803的压力传感器，实物如图12所示。
图12压力变送器实物图
压力变送器具体参数如下：
6KPa
其接线方法与恒压供水的压力传感器的接线方法相同，不再赘述。
3.2.2AI818型智能仪表做温度变送器
AI818型智能仪表硬件采用了先进的模块化集成设计，具备功能模块主要有：
辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯。
仪表的输入方式可自由设置为常用各种热电偶、热电阻和线性电压（电流）[9]。
用于恒压供水时，作为控制器使用，输出电流信号送给西门子变频器MM440，接收压力仪表PE的反馈信号，内部运用PID调节，促使压力信号稳定。
作为温度变送器时，AI818仪表使用变送和显示功能，具体的参数设计如下：
HIAL:
99.99;
LOAL:
0;
Ctrl:
Run:
0或1；
Sn=20（内胆）或21（外胆），其他参数保持默认设置，接收温度传感器的信号，经自身内部运算，显示实时温度，同时也把信号传送到PLC模拟量输入模块SM331[10]。
仪表后盖端子排分布如图13所示。
图13仪表后盖端子示意图
注：
①线性电压量程在1V以下的由19、18端输入，0～5V及1～5V的信号由1718端输入；
②4～20mA线性电流输入可用250欧电阻变为1～5V电压信号，然后从17、18端输入；
也可在MIO位置安装I4模块后，从14+、15-端输入或直接从16+、14-接二线制变送器。
3.2.3温度单回路主电路设计
本套设备可进行锅炉温度单回路PID控制。
温度控制系统中，锅炉内胆中有热电阻测温（型号Cu50），温度信号经AI-818智能仪表变送后，通过ADAM4017+反馈到力控组态软件中，在力控中经PID运算后，输出相应的控制信号，来控制继电器/接触器的通断，实现对电加热丝的调控，从而达到控制锅炉温度的目的。
也可以送到S7-300PLC中，通过PLC的调控，完成锅炉温度控制。
实验主要设备：
温度传感器Cu50和Pt100、ADAM4017+、ADAM4520、ADAM4055、力控组态软件。
其管道仪表流程设计图和控制回路接线设计图如图14、图15所示。
图14温度回路管道仪表设计流程图
图15温度回路仪表设计接线图
3.3流量对象的设计
3.3.1调节阀选用和安装
调节阀的阀体种类很多，常用的阀体种类有直通单座、直通双座、角形、隔膜、小流量、三通、偏心旋转、蝶形、套筒式、球形等。
主要根据介质的流量特性，应选择直通单座阀体。
根据工艺使用环境要求，选择相应的执行机构。
从节能方面考虑，应选用电动执行机构[11]。
QSTP系列智能电动单座调节阀是QS智能电动调节阀系列产品之一，它是由QSL智能电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀。
可广泛应用于电力、冶金、石油、化工、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中。
电动执行机构接受4～20mA/4～12mA/12-20mA/0～5V/1～5V等控制信号，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、温度、流量、液位等参数的调节。
主要技术参数如表2所示。
表2调节阀数据表
（设计单位）
调节阀数据表
项目名称
悌字号实验设计
设计阶段
完成
图号
合同号
—
第1张共1张
1
位号
FV101
FV102
2
用途
管道1流量控制
管道2流量控制
3
PID号/管道号
4
管道规格
Ф57*35
5
阀体
阀门类型
直通单座
6
公称直径
20~150mm
7
导向
阀座数量
1
8
连接标准及规格
JB82-95PN6.4DN25
9
材
料
WCB
10
阀芯
阀座
WCB、WC6、1Cr18Ni9、CF8M
11
阀杆
1Cr18Ni9
12
填料
聚四氟乙烯、四氟石棉、石墨
接下表
接上表
13
上阀盖形式
常温型:
-17℃~+220℃
14
泄漏等级
Ⅴ
15
流量特性
线性、等百分比、快开
16
最大允许噪声/dB
85
17
18
执行机构
制造厂
型号
上海万迅仪表有限公司
QSTP-
19
类型
规格
电动
20
关信号/mADC
开信号/mADC
4
20
21
流向
流开
22
故障时阀位
开
23
手轮及位置
24
定位器
25
空气过滤减压器
压力表
26
输入信号
4～20mADC/4～12mA
DC/12～20mADC/0～5VDC/1～5VDC
4～20mADC/4～12mADC/12～20mADC/0～5VDC/1～5VDC
27
输出信号
4~20mADC
28
输出最大负载
<
500Ω
29
转换器
30
31
输出信号/kPa
32
防爆等级
33
防护等级
34
技术条件
介质
水
35
最大流量
KV
1.5m³
36
正常流量
37
阀门KV
FL
38
正常入口绝压
正常ΔP
39
最大入口绝压
最大切断ΔP
40
最高温度/℃
操作温度/℃
220
41
操作重度
42
操作粘度
43
蒸汽绝压ΔPV
44
预计噪声/dB
45
阀门制造厂
备注
调节阀的安装和使用：
（1）电动调节阀最好是正立垂直安装在水平管道上，特殊需要时也可（除使电动调节阀倒置外）任意安装。
（2）安装时应使介质的流通方向与阀体标定箭头方向一致。
电动调节阀一般应设置旁通管路。
阀的口径与管道直径不一直时，应采用减缩管件。
电动调节阀安装地点应留出足够的空间，以便利调试和维修。
（3）电动调节阀在安装时应避免给阀带来附加压力，当调节阀安装在管道较长的地方时，应安装支撑架，使用在震动剧烈的场合，应采取相应的避震措施。
（4）电动调节阀在安装前，应清洗管道，清楚污物，安装后使阀全开，再对管路、阀进行清洗及试验各连接处的密封性。
（5）打开电动执行机构外罩可进行外部接线。
在执行机构和阀开始工作之前，以及移开外壳之前应切断执行机构主电源。
（6）手轮操作：
必须先断电源，再手动操作手轮。
（7）调节阀使用时的注意事项：
由于长时间的使用，调节阀的反馈信号可能会变的不够准确，需要按照说明书上“产品调试”部分的说明进行调整。
3.3.2流量计选用和安装
LDG-S型电磁流量传感器与LDZ型电磁流量转换器（包括LDZ-4B、LDZ-6等，以下简称转换器）配套，组成LD-S型电磁流量计，可用以测量各种酸、碱、盐溶液，纸浆、泥浆等导电性液体，或液固两相介质的体积流量。
在化工、矿冶、给排水、污水处理、食品、造纸、制糖、港口疏浚等部门得到广泛应用[12]。
LDG-S型电磁流量传感器与LDZ型电磁流量转换器实物如图16、图17所示。
图16电磁流量传感器图17电磁流量传感器
（1）LDG-S型电磁流量传感器
LDG-S型电磁流量传感器的特点是采用整体焊接结构，密封性能好；
结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；
仪表指示
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