杨晨辉自动化1班过程控制课程设计DOC.docx

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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2012-1班

姓名学号：

杨晨辉20122714

指导教师：

杨松张勇

2015年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章系统连接调试方法4

2.1三相磁力泵使用及接线方法4

2.2电动调节阀使用及接线方法4

2.3传感器使用及接线方法4

2.4MCGS触屏的使用及其与PLC通讯电缆接法5

2.5PLC的使用及其I/O信号接线方法5

第3章PLC及触摸屏程序编写6

3.1PLC程序设计6

3.2MCGS触屏显示程序设计6

第4章编程调试7

第5章总结8

参考文献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三相电加热模拟锅炉（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组成。

图1中水箱单容液位定值控制系统

（a）结构图（b）方框图

1．水箱：

包括上水箱、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，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。

上、中水箱尺寸均为：

D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：

D=35cm，H=20cm。

水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。

水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的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、下水箱的实验供水需要。

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．模拟锅炉：

是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。

做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。

3．盘管：

模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。

盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。

它可用来完成温度的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，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

有效提高了实验装置的使用年限。

其中储水箱底部有一个出水阀，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、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。

采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

采用标准二线制传输方式，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）以及上水箱出口的水温。

Pt100测温范围：

-200～+420℃。

经过调节器的温度变送器，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的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。

它的优点是测量精度高，反应快。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。

流量范围：

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，用来对控制回路的流量进行调节。

电动调节阀型号为：

QSVP-16K。

具有精度高、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、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

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的旁路，起到阶跃干扰的作用。

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，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为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，此时三只电压表均指示380V左右，定时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的220V和380V电源输出，作为其他设备的供电电源。

2．SA-02I/O信号接口面板

该面板的作用主要是通过航空插头（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，便于学生自行连线组成不同的控制系统。

3．SA-11交流变频控制挂件

采用日本三菱公司的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的输出来驱动三相磁力驱动泵。

有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。

变频器常用参数设置：

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，切勿将变频器的输出接到380V三相磁力驱动泵输入端，更不能将380V电源输出接到220V三相变频磁力泵的输入端，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。

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的通断来控制交流接触器的通断，从而完成锅炉水温的位式控制实验。

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的一种数字运算操作的电子系统。

目前国内外PLC品种繁多，生产PLC的厂商也很多，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有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC，S7系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的应用。

在本装置中采用了S7-300PLC控制系统。

6.PLC控制系统：

S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU315-2DP主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。

其中SM331为8路模拟量输入模块，SM332为4路模拟量输出模块。

图1-15所示为S7-300PLC控制系统结构图。

第2章系统连接调试方法

2.1三相磁力泵使用及接线方法

磁力传动泵也称磁力泵，其显著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、磁力传动泵的特有结构部分和电机组成。

其关键部件磁力传动器由外磁转子、内磁转子和不导磁的隔离套组成。

根据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，通过磁力线的作用耦合了与叶轮相联的内磁转子作同步旋转，实现了力矩的非接触式传递，由原来常规泵的一根轴加设轴封部件改为两根轴加设隔离套结构，将动密封转化为静密封，从而彻底解决了介质的泄漏问题。

磁力传动泵主要用于石油、化工、医药、核工业、军工等领域的液体输送流程设备，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方法

调节阀安装不符合要求而出故障会造成巨大的浪费，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的系统控制性能。

（1）安装调节阀总体上应考虑以下方面：

①安全：

安装过程中人员和设备的安全。

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的压力损失一致，以保证所需的流量特性。

进出口应尽量保证足够的直管段。

③安装位置：

应有足够的空间便于操作人员手动操作（包括旁路操作）以及保证调节阀和附件的就地拆卸和维修的可能性。

④调节阀组：

一般在工艺过程配管中均安装切断阀的旁路阀与调节阀配成阀组，以适应设备连续操作的需要。

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。

安装人员首先应认识到调节阀是一种精密的仪器设备，不准碰撞跌摔，以免损坏。

具体注意以下几点：

①阀最好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阀体要避免因前后配管或调和的法兰严重不同轴而受到过大的应力。

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的箭头安装调节阀。

2.3传感器使用及接线方法

1．压力传感器、变送器：

三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。

采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

采用标准二线制传输方式，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）以及上水箱出口的水温。

Pt100测温范围：

-200～+420℃。

经过调节器的温度变送器，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的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。

它的优点是测量精度高，反应快。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。

流量范围：

0～1.2m3/h；精度：

1.0%；输出：

4～20mADC。

2.4MCGS触屏的使用及其与PLC通讯电缆接法

1.软件安装

找到对应的文件夹，运行里面的SETUP.EXE，全部默认设定，直至完成，插上TPC7062KS的USB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的编程口连接，所用的通讯电缆采用PC-PPI电缆，见下图。

2.打开桌面上的，界面如下：

点击新建，按下确定，在实时数据库里，新增对象，双击名字，可进行属性的修改，如下图，我们这里新增5个，分别为启动按钮，停止按钮，运行指示、停止指示、报警指示。

3.双击设备窗口的设备窗口

将双击左边的通用串口父设备和西门子s7-200pp，双击通用串口父设备0，进行属性设置串口端口号（1～255）设置为：

0-COM1；

通讯波特率设置为：

6-9600；

数据位位数设置为：

0-8；

停止位位数设置为：

0-１；

数据校验方式设置为：

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“删除全部通道”按钮给以删除。

接下进行变量的连接，这里以“启动按钮”变量进行连为例说明。

①单击“增加设备通道”按钮，出现下图所示窗口。

参数设置如下：

通道类型：

M寄存器；

数据类型：

通道的第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，完成基本属性设置。

③双击“只读M001.0”通道对应的连接变量，从数据中心选择变量：

“启动按钮”。

用同样的方法，增加其它通道，连接变量，如图，完成单击“确认”按钮。

2.5PLC的使用及其I/O信号接线方法

PLC模块的输入端子一般采用汇点式接线方式，如图1所示；输出端子的接线一般根据负载不同分组，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的输出端子具体分了五个组，具体分法是：

Y0-Y3，Y4-Y7，Y10-Y13，Y14-Y17，Y20-Y27，如果要将其中的不同组合成一组，则将其COM端短接即可。

第三章PLC及触摸屏程序编写

3.1PLC程序设计

打开Step7软件，编写PLC控制程序并下载，然后将S7-300PLC置于运行状态，然后运行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。

监视触摸屏的数据，并在触摸屏上修改系统的手自动状态及PID等控制参数，观察液位调节状态。

程序要求：

要求在触摸屏上可监控到实际液位，调节阀门当前输出开度，PID的手自动状态及PID三个参数值可修改，要求系统手自动切换时做到无扰切换。

3.2MCGS触屏显示程序设计

具体的组态过程包括:

①根据锅炉系统的实际需要对监控画面进行设计，其中包括锅炉控制系统现场，锅炉液位、温度和进出水电动阀的实时曲线，锅炉液位和温度的历史曲线，PID显示模块及报警显示，可以实现锅炉系统实际运行的上位动态效果，对锅炉液位、温度、进出水电动阀阀位和PID参数的设定，各个画面之间还可以自由切换;②易控中的数据库变量是联系工程运行系统各种功能的纽带，要完成上下位的通信，实现易控和下位PLC之间进行数据交互的功能，就需要通过I/O通信的串口通道，选择FX编程口和PLC相连，把PLC控制信号对应的设备变量与数据库变量关联起来;③为了实现易控工程的运行效果，还编写了相应的画面程序;④通过对报警变量、报警区和报警级别进行配置，并设计了报警窗显示，可以实现报警功能［13］。

在系统实际运行中，易控组态软件设计获得良好的监控效果。

图4水箱液位PID控制系统图

第四章编程调试

选择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开至适当开度（50%左右），其余阀门均关闭。

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，程序正常运行，满足实验设计的基本要求。

第五章总结

首先感谢老师以及学校安排的组态技术及应用课程设计，感谢老师认真的指导和精心的帮助，其次感谢同学鼎力的帮助。

我觉得课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，实际操作能力却相对较差，而做类似的课程设计为我们提供了良好的实践平台。

做好一个课程设计，不仅仅需要我们把所学的知识能够很好地运用，还用学会查阅相关的资料。

尤其在设计程序时，更要细心。

通过这次设计，更进一步了解到理论知识与实践相结合的重要意义，以及坚持、耐心和努力这些品质的重要性，这对于自己今后的学习和工作很重要。

在此次的课程设计中，由于平时缺乏实践经验，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学及老师的帮助，这次设计将会很难完成。

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的道路是无止尽的，要活到老，学到老，同时通过这次课程设计更让我对未来的道路充满信心

参考文献

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[2]刘洪春.PLC和组态软件在变电站控制系统中的应用研究[D].河北工业大学,2007.

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[4]胡涛,苏建良,石剑锋.PLC技术与应用及其发展分析[J].机床与液压,2005.

[5]陈佳龙.基于PLC的八层电梯模型控制系统设计与实现[D].内蒙古大学,2012.

[6]杨海燕.载重升降机PLC控制系统的设计[D].山东大学,2012.

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