哈工大自动控制元件课程设计报告.docx
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哈工大自动控制元件课程设计报告
自动控制元件课程设计报告
——工厂空气调节及净化装置
班级：
组员：
一、项目背景
在现代印刷厂在生产过程中，湿度、粉尘以及一些有害或易燃气体都对印刷厂的生产及员工的身体健康有着很大影响。
其中，湿度不当可能造成的结果有：
1：
产生静电。
纸张易产生静电。
工作人员常有电击感，并伴有静电打手现象，尤其在秋冬干燥季节经常出现。
静电的强度与环境湿度有着密不可分的关系，湿度越低静电越活跃。
随着湿度增加而逐渐减弱。
2：
纸张伸缩变形。
由于纸张的品种不同，其膨胀收缩率不同。
如果纸张与环境不能达到湿度平衡就会造成以下情况：
纸张吸收水分而膨胀、失去水分而收缩。
印完的纸张伸缩不一，给下道加工工序带来很多麻烦。
3：
纸张起皱。
纸张起皱的原因是由于其出现“荷叶边”或“紧边”等现象，使纸张不能平坦舒展，印刷时出现褶皱。
此现象会使印刷器出现大量废品。
由于印刷厂大量纸张中含有纸粉并且空气中含有灰尘，在干燥的室内到处飞扬，对印刷品的质量有着严重的影响。
印刷厂的原料及在纸张的印刷过程中会产生一些有害易燃气体，如甲苯等，会对员工的身体健康造成危害。
因此，需要将湿度控制在一定范围内，并将粉尘及有害易燃气体浓度保持在一定标准以下。
二、设计目标
1、湿度控制：
将厂房湿度控制在50%~65%的范围内，当湿度超过规定值时，通过风机与除湿装置配合，将湿度降低；当湿度低于规定值时，用离心式加湿装置与风机配合组成加湿设备，将湿度升高。
将湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成电信号，再通过单片机进行数据的分析，并驱动执行元件（风机和离心机等）进行湿度调节。
2、粉尘及有害气体控制：
通过粉尘及甲苯气体传感器，测量室内空气中粉尘和甲苯的含量，反馈给单片机，与设置的标准值进行比较，再由单片机输出控制信号，驱动风机运行，将含有粉尘及有害气体的空气过滤后排到室外。
三、总体方案设计
1、系统的性能指标和技术要求
1、湿度检测精度：
3%RH；湿度保持范围：
50%RH-65%RH
2、粉尘浓度允许上限：
8
3、甲苯气体浓度允许上限：
0.2
4、风机的风量：
>5000
5、尽量满足节能和经济性要求
2、系统的总体结构
本系统主要由以下部分组成：
测量元件，执行元件，功率放大元件，主控电路，调节装置，信号转换装置。
系统湿度调节部分的流程图：
系统粉尘及甲苯浓度调节流程图：
四、主要元器件的选择及设计
1、测量元件的选择
●湿度传感器的选择
湿度传感器产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。
空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。
由湿度引起湿度传感器物理或化学变化的种类，可将湿度传感器分为电容式、电阻式和湿涨式。
电容式是其高分子材料吸湿后引起介电常数发生变化；电阻式是其高分子材料吸湿后引起电阻率发生变化；湿涨式是其高分子材料吸湿后引起体积发生变化。
湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，在高分子膜上各蒸镀一电极膜片，上方的电极为多孔性以吸收水份，高分子膜吸收水份之后，其介电系数将改变，致使感湿组件之电容量改变来达到测量湿度的目的。
常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。
当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。
湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。
但电阻对温度比较敏感，因而限制了器件在较大温度范围内的应用。
国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。
目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。
这些产品可分成以下三种类型：
（1）线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。
其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。
（2）线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为HF3223型。
它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。
这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。
（3）频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为HTF3223型。
它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。
当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。
综合考虑系统的精度、线性度及测量元件工作范围的要求，初步确定了以下几种方案：
方案1：
采用HOS-201湿敏传感器。
HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。
这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。
然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性度，难以有效地利用其线性特性。
方案2：
采用CHR-01湿敏电阻。
CHR-01湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器，它的工作电压为交流1V，频率为50Hz~2kHz，测量湿度范围为20%~90%RH，测量精度±5%，工作温度范围为0~+85℃，最高使用温度120℃，阻抗在60%RH（25℃）时为30（21~40.5）KΩ。
采用555时基或RC振荡电路，将湿度传感器等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在1kHz左右。
方案3：
采用HM1500湿度传感器。
线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采用湿敏电容HS1101设计制造，其湿度测量范围为5％～99％（相对湿度）；相对湿度精度为3％；工作温度为-30～+60℃；工作湿度范围为0～100％（相对湿度）；供电电压为5V（最大电压DC16V）；可输出DC电压为1～4V；响应时间为5s。
方案4：
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速，专门设计的固态聚合物结构，有顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路。
测量范围是（1%~99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。
相对湿度在1%-100%RH范围内，电容量的变化范围是163pF~202pF。
温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，误差不大于±2%RH，响应时间小于5S。
可见其精度和灵敏度是较高的。
综合比较几种方案，方案1虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，其工作电压为交流1V以下，实现较困难，而且工作的温度范围较窄，方案2、3测量精度不符合设计系统要求，且价格较高，也不符合经济性要求。
因此，我们选择方案4作为本设计的湿度传感器。
HS1101湿度传感器是法国Humirel公司推出的电容式相对湿度传感器，它的测量范围是0%～100%RH，电容量由162PF变到200PF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；湿度系数为0.34PF/℃；年漂移量0.5%RH/年，长期稳定。
该传感器广泛应用于办公室、家庭、汽车驾驶室和工业控制系统等，对空气湿度进行监测。
与其它湿度传感器相比，它还有以下显著的优点：
①无须校验的完全互换性
②长期饱和状态，瞬间脱湿
③适应自动装配过程，包括波峰、焊接、回流焊等
④具有高可靠性和长期稳定性
⑤特有的固态聚合物结构
⑥响应时间快
⑦适用于现行电压输出和线形频率输出两种电路
HS1101湿度传感器在电路构成上等效于一个电容器件，采用侧面开放式封装，只有两个引脚，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大，但不允许直流方式供电。
下图为HS1101湿敏电容的湿度电容响应曲线，可见使用该传感器可以保证系统的线性度。
湿敏元件的抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。
所以需要定期校准和更换。
●粉尘传感器的选择：
该系统选择GCG500型粉尘浓度传感器。
GCG500粉尘浓度传感器采用光散射原理直接测量总粉尘浓度,测定数据就地显示,同时输出与安全监测监控系统相适应的频率、电流信号（二种信号任选一种）,供监测系统处理。
适用于煤矿及其它有爆炸危险性的作业环境中现场连续监测其大气中的总粉尘浓度。
既可与安全监测系统联网，也可单独接电源使用。
测量原理：
当光照射在空气中悬浮的粒子上时，产生光散射。
在光学系统和粉尘性质一定的条件下，散射光强度与粉尘浓度成比例。
光散射法测定空气中的粉尘浓度是通过测量散射光强度，经过转换求得粉尘质量浓度的方法。
它的主要特点有：
Ø额定工作电流小，整机额定工作电流≤120mA，最大工作电流≤180mA，距分站最远距离可达1500m；
Ø输入电压范围宽：
可适用于煤矿井下各种分站，仪器在输入电压12Ｖ～24ＶＤＣ（本安电源）的范围内均能正常工作；
Ø测量精度高：
采用分段式控制算法，根据不同的浓度大小自动采用不同的比例系数计算，同时增加了温度补偿功能，提高了测量的精度；
Ø具有自动校准零点功能：
仪器自动校准零点漂移，并可在1～100天的范围内任意设置校准的时刻；
Ø具有软启动模式的功能：
仪器采用了电机软启动技术，大大减小了仪器抽气泵启动时对供电电源的冲击，最大启动电流≤130mA；
Ø可用CCGZ-1000型直读式测尘仪在工作现场直接标定，方便、快捷；
Ø量程可调：
测量量程可根据需要设定为0mg/m3～500mg/m3或0mg/m3～1000mg/m3；
Ø测量周期可选择：
可测量瞬时粉尘浓度或平均粉尘浓度，平均粉尘浓度的测量时间可在1s～3600s范围内任意选择。
它的主要参数有：
Ø总粉尘浓度测量范围：
0mg/m3～500mg/m3或0mg/m3～1000mg/m3；
Ø测量误差：
≤15%；
Ø输出信号：
200Hz～1000Hz；1mA～5mA；
Ø工作电压：
12Ｖ～24ＶＤＣ（本安电源）；
Ø最大传输距离：
1500m；
Ø防爆型式：
ExibI矿用本安型；
●甲苯气体传感器的选择：
甲苯的物理及化学性质主要有：
极微溶于水，对皮肤、粘膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用。
爆炸极限1.2%~7.0%，人吸入71.4g/m
，短时致死；人吸入3g/m
×1～8小时，急性中毒；人吸入0.2～0.3g/m
×8小时，中毒症状出现。
半导体气体传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器，是最常见的气体传感器，广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测装置。
对于半导体气体传感器，按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两种；按照半导体变化的物理性质，又可分为-电压特性的变化以及MOS场效应的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。
由于这类传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格便宜。
利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。
本系统选择型号为2M009的半导体气体传感器，它的特点有：
对甲苯气体有很高的灵敏度；具有良好的重复性和长期的稳定性。
2M009型甲苯气体传感器用于工业对甲苯气体的检测。
可应用于感应甲苯气体浓度产品，例如：
工业型甲苯检测仪，实验室用甲苯气体检测报警仪等检测甲苯气体潜在危害的场所或需要甲苯气体浓度数值的产品。
该传感器的主要参数如下：
项目
技术指标
检测气体
甲苯气体
回路电压
5-24V
取样电阻
0.5-20KΩ
加热电压
5±0.1V
加热功率
约750mW
灵敏度
R0（air）/RS（100ppmC6H5CH3）＞5
响应时间
Tres＜10秒
恢复时间
Trec＜30秒
预期寿命
3-5年
2、执行元件的选择
●风机选型：
印刷厂的空气中含有较多易燃易爆气体，因此需选用防爆风机。
按照气流运动，风机可分为以下几类：
1．离心风机
气流进入旋转的叶片通道，在离心力作用下气体被压缩并沿着半径方向流动。
市场上一般离心风机多由联合设计组设计的“三化”风机，如4-72、4-73、5-47、5-48、9-19、9-26等系列产品。
前向多翼风机系列模板主要是国外机型为主，如科禄格（新加坡）、LAU牌（美国）和尼科达（意大利）；国内机型为11-62和YDW-11/12等系列以及众多上述进口机型的仿制品。
2．轴流风机
气流轴向进入风机叶轮后，在旋转叶片的流道中沿着轴线方向流动的风机。
相对于离心风机，轴流风机具有流量大、体积小、压头低的特点，用于有灰尘和腐蚀性气体场合时需注意。
小型低压轴流风机由叶轮、机壳和集流器等部件组成，通常安装在建筑物的墙壁或天花板上；大型高压轴流风机由集流器、叶轮、流线体、机壳、扩散筒和传动部件组成。
叶片均匀布置在轮毂上，数目一般为2～24。
叶片越多，风压越高；叶片安装角一般为10°～45°，安装角越大，风量和风压越大。
轴流式风机的主要零件大都用钢板焊接或铆接而成。
市场品种主要有T30、T35、T40（工排）、CDZ、SF、DZ、降温风机（APB系列）等。
3．斜流式（混流式）风机
在风机的叶轮中，气流的方向处于轴流式之间，近似沿锥流动，故可称为斜流式（混流式）风机。
这种风机的压力系数比轴流式风机高，而流量系数比离心式风机高。
市场上主流的混流风机产品系列主要有：
SWF（HWF-Ⅰ），SJG（HWF-Ⅳ）、HL3-2A、（HWF-V）。
离心式风机适用于小流量、高压力的场所，而轴流式风机则常用于大流量、低压力的情况。
由于印刷厂的气体净化装置须实现较大范围内的换气，要求风机有较大的风量，但是风机和外界空气连通的管道长度较短且弯头不多，所以对风机的风压参数要求不高，综合以上考虑我们决定选择轴流式风机。
防爆轴流风机具有以下特点：
由防爆电机、叶片、风筒等组成。
噪音低、能耗低，防爆性能可靠。
主轴转速（或电机功率或风量）可根据用户要求选配。
防爆通风机在结构上，要求转动件和想毗邻的静止件避免碰擦，以防产生火花。
叶轮采用铝合金、不锈钢或玻璃钢制造，当叶轮与进风口机壳等碰撞时不产生火花。
电机为防爆型。
具体的风机型号我们选择BT35-11防爆轴流风机。
原因如下：
该风机具有以下特点：
较之前的同类型产品BT30-11结构更合理；性能有较大提高，全压效力为89.5%；噪声更低，噪声（比A声级）降低3.6dB（A）。
且本系列风机适用于输送易燃易爆无腐蚀性气体，环境温度低于60℃。
广泛应用于一般工厂、仓库、办公室、住宅内通风换气或强暖气散热，也可在较长的排气管道内间隔串联安装以提高管道中的压力。
该风机的叶轮由铝合金加工而成，以防止在运转中引起火花,电机采用隔爆型电机。
风机的相关计算公式为：
1、轴功率:
N=
N（轴功率）×K（电机贮备系数）=电机所需功率
注:
0.8是风机效率,是一个变数,0.98是一个机械效率也是一个变数（A型为1,D、F型为0.98,C、B型为0.95）
2、风机全压：
（未在标准情况下修正）
P1=P2×
式中:
P1=工况全压（Pa）、P2=设计标准压力（或表中全压Pa）、B=当地大气压（mmHg）、T2=工况介质温度℃、T1=表中或未修正的设计温度℃、760mmHg=在海拔0m,空气在20℃情况下的大气压。
3、比转速:
ns
nS=5.54×n×
注:
ρ气体密度（Kg/m3）;公式:
P1=P2×1.2/ρ、ρ=1.2×（273+T2）/（273+20）
20℃=1.2、50℃=1.089、80℃=0.996、100℃=0.943、150℃=0.813、200℃=0.743、250℃=0.672、280℃=0.636、300℃=0.614、350℃=0.564。
4、压力系数:
压力系数
ψ=压力系数、P=全压（Pa）、ρ=气体密度（Kg/m3）、U=叶轮外缘园周速度（m/s）。
5、风机最大扭矩:
550×电机功率÷转速=….Nm（一般是大型电机,或用户需要的）
6、风机的动载荷系数:
2900转是0.5、1450转是0.25、960转是0.175、580转是0.0875
7、调节门的扭矩:
Tmix=（2～2.5）×10－6×Q3/2×P=….N.m
8、选用的电机功率N=（Q/3600）*P/（1000*η）*K
其中风量Q单位为m3/h，全压P单位为Pa，功率N单位为kW，η风机全压效率（按风机相关标准，全压效率不得低于0.7,实际估算效率可取小些,也可以取0.6,小风机取小值,大风机取大值），K为电机容量系数,其中轴流风机取1.05-1.1，小功率取大值,大功率取小值。
可根据工厂的具体情况进行相关参数的计算。
BT35-11防爆轴流风机部分型号的详细参数：
机号
转速rpm
叶片角度
风量m3/h
风压Pa
配用电机
A声级Db（A）
型号
功率kw
3.55
2900
35
6542
373
YSF-8022
0.75
82
1450
35
3265
93
YSF-6314
0.18
68
4
2900
35
9336
474
YF90S-2
1.1
85
1450
35
4687
119
YSF-7114
0.25
70
4.5
1450
35
6658
150
YSF-7124
0.37
73
5
1450
35
9133
185
YSF-8024
0.75
76
960
35
6104
81
YSF-8026
0.37
68
5.6
1450
35
12812
232
YF90S-4
1.1
79
960
35
8471
101
YSF-8026
0.37
71
根据以上参数，我们综合比较了它们的优劣，风量初步定为不少于5000
对风压无特殊要求，且使噪音尽量小，电机有较高的转速，并在满足设计条件的前提下尽量节省电能，我们选择了BT35-11-4.5型号的风机。
它是BT35风机系列中的4.5号的风机，这是机械工业部规定的标准型号的风机。
“BT”表示用途“防爆风机”；“35”表示风机轮毂比（根部直径与顶部直径之比）为0.35，“11”中前一个“1”在离心风机上表示“单吸入”，在轴流风机中没有意义，后面的“1”表示第一次设计；“NO4.5”表示4.5号风机（叶轮直径为0.45米）。
防爆轴流风机外形及安装尺寸：
机号
D1
D2
D3
D4
M1
M2
M3
M4
H
L
N-d1
4-d2
3.55
360
390
415
420
230
275
290
330
260
330
8-ф10
4-ф12
4
405
435
460
465
250
295
330
370
290
350
8-ф10
4-ф12
4.5
460
490
515
525
205
250
380
420
330
310
8-ф10
4-ф12
5
510
540
580
585
240
290
410
450
350
360
8-ф10
4-ф14
5.6
470
600
630
640
270
325
450
490
390
400
10-ф10
4-ф14
可由上表确定风机的尺寸，从而选择合适的机座。
3、变频器的选型
在风机中，随叶轮的转动，空气在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。
随着转速的减小，转矩按转速的2次方减小。
这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。
当所需风量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量，可以大幅度地节约电能。
由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。
选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。
另外，变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。
用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10％而温升会增加20％左右。
所以在选择电动机和变频器时，应适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。
变频器没有防爆构造，所以要驱动本系统的防爆风机，应将变频器设置在危险场所之外。
这势必导致电缆长度增加，变频器在长电缆运行时，应采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。
所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。
根据工厂的实际需要，配置的风机数量也不同，所以有可能用一个变频器控制多个风机。
当变频器用于控制并联的几台电机时，要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。
如果超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。
另外在此种情况下，变频器的控制方式只能为V/F控制方式，并且变频器无法实现电动机的过流、过载保护，此时需在每台电动机侧加熔断器来实现保护。
本系统选用西门子的MM420变频器。
风机类负载的特点是对速度精度要求不高，单体传动，对加减速时间没有要求，从经济性的角度考虑，选择MM420变频器。
而且还考虑到西门子变频器的过载能力强，一般允许1.6倍短时过载，MM4系列变频器允许的存储温度为-40～+70度，满足需要。
拖动风机的三相异步电机YSF-7124的相关参数如下：
功率（KW）：
0.37；电流（A）：
1.08；转速（r/min）：
1400；效率（%）：
69.5；功率因数（cos）：
0.72；堵转转矩与额定转矩比：
2.4；堵转电流与额定电流比：
6；最大转矩与额定转矩比：
2.4；额定电压：
380V。
MM420系列变频器主要特征为：
380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-11kW；过载能力为150％额定负载电流，持续时间60秒。
根据电机的功率参数，本系统选择型号为6SE6420-2UD21-5AA1的变频器，该变频器的功率为1.5KW，可以拖动至少4台功率为0.37KW的电机。
4、功率放大元件的选型
功率放大元件选用PWM功率放大器。
线性功率放大器最大的缺点是效率低。
原因是晶体管工作在放大区，晶体管的电压和电流都较大，本身消耗较多电能。
这些电能转化为热能，在功率大时，易烧坏晶体管。
与线性放大器相比，PWM功率放大器的优点是效率高，晶体管损耗小，输出功率大。
脉宽调制功率放大器（PWM）通常工作在开、关状态，而且其功耗低、效率高、频带宽、线性好。
在电机控制系统中，干摩擦是影响系统性能的一个主要因素，它一方面会造成系统静态误差，另一方面，在系统低
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