基于智能仪表的流量控制系统实验装置设计.docx

1、基于智能仪表的流量控制系统实验装置设计1 绪论1.1选题背景随着石油、化工等生产工艺日趋复杂和生产自动化水平不断提高，对生产过程的控制已由运行稳定为主要目的，发展到现在所要求的最佳化控制。为此，对流量测量和控制提出了更多、更新和更高的要求。如大口径流量、微小流量的检测；高温介质、低温介质流量的检测；高黏度介质、强腐蚀介质流量的检测；粉料、沾污介质的检测；脉动流、多相流的检测等。为适应不同发展的要求，一些新的流量检测原理和技术、新型流量仪表相继诞生。流量测量是一门复杂、多样的技术，这不仅由于测量精确度的要求越来越高，而且测量对象复杂多样。如流体种类有气体、液体、混相流体，流体工况有从高温到极低温

2、的温度范围，从高压到低压的压力范围，既有低黏度的液体，也有黏度非常高的液体，而流量范围更是悬殊，微小流量只有每小时数毫升，而大流量可能每秒就达数万立方米。而脉动流、多相流更增加了流量测量的复杂性。另一方面，这种复杂性和多样性促进了人们对流量测量仪表的应用领域。流量测量是研究物质量变的科学，质与量的互变规律是事物联系与发展的基本规律，因此，其测量对象已不限于传统意义上的管道流体，凡是需要掌握流体流动的地方都有流量测量的问题。工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证

3、生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。在整个过程检测仪表中，流量仪表的产值约占。随着社会的不断发展，过程检测、智能仪表类相关教学设备产业面临着新的发展机遇和挑战。国内的一些高等院校、公司和企业近几年都在研究、探索仪表自动化实验装置。传统的将生产过程中使用的仪表拿回实验室进行校准的方法已不能满足生产的要求,取而代之的是在现场直接对仪表进行校准。自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。近年来国内仪表自动化实验实训系统发展比较快，生产厂家也比较多，普遍应用自动化仪表技术实现系统的自动化控制，在仪表自动化控制中，自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之

4、一。一般的自动化检测仪表主要由三个部分组成:传感器,利用各种信号检测被测模拟量;变送器,将传感器所测量的模拟信号转变为420 mA的电流信号,并送到可编程序控制器(PLC)中;显示器,将测量结果直观地显示出来,提供结果。自动化检测仪表在工业生产过程中起着非常重要的作用。过程检测是指在生产过程中，为及时掌握生产情况和监视、控制生产过程，而对其中一些变量进行的定性检查和定量测量。检测的目的是为了获取各过程变量值的信息。根据检测结果可对影响过程状况的变量进行自动调节或操纵，以达到提高质量、降低成本、节约资源、减少污染和安全生产等目的。在现代工业生产过程中，仪表自动化技术正在为实现各种最优的技术经济指

5、标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。1.2仪表装置研究目的与意义在现代工业生产过程中，仪表自动化技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。仪表自动化实验装置的目的是让同学了解和掌握典型的过程检测和控制仪表的工作原理与工作性能，并能根据生产过程的特点和控制要求，选用适当的自动化仪表和适当的控制策略。如何设计出一套适合于教学的、先进的、高效的、功能齐全的、经济性好的仪表自动化实验装置是目前从事仪表自动化教学人员和工程技术人员急需解决的一个问题。本课题研究旨在让学生亲身经历实验过程

6、和对未知结论的探索，潜意识地接受技能训练，从而培养学生独立思考、独立解决问题的能力和创新意识，提高学生分析问题、解决问题的能力。因此，设计新型的仪表自动化实验装置并且在教学中进行创新型实验教学，对教学改革和创新型人才的培养具有重大的意义。1.3本课题研究的内容设计完成仪表自动化实验装置的控制对象，并设计完成控制柜，包括电气原理图和接线图等，以基于智能仪表的流量控制系统为例阐述自己设计系统的控制原理与控制过程，并说明实验的步骤以及参数整定的方法。具体工作内容：（1）与团队成员合作完成仪表自动化实验装置的整体设计思路，并做好自动化实验装置以及实验所需的各类仪器仪表的选型工作，做好仪表自动化实验装置

7、各部分系统的统筹工作；（2）设计完成基于智能仪表的流量控制系统实验装置，完成内容包括控制系统原理图和系统接线图；（3）设计完成基于智能仪表的流量控制系统的上位机实验界面，与下位机智能仪表进行通讯调试，整定PID参数；（4）完成各项实验数据的记录；（5）汇总仪表自动化实验装置的工程设计图纸。2流量监控系统的组成及概况2.1 过程控制系统简介过程控制(process control )技术是自动化技术的重要组成部分，通常是指石油、化工、纺织、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动化，与其他自动控制系统比较，过程控制具有以下特点:1.被控过程复杂多样； 2.

8、 对象动态特性存在滞后和非线性；3. 过程控制方案丰富多样；4. 控制系统分为随动控制和定值控制；5. 过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成等。过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成分、黏度、温度和pH 值(酸碱度或氢离子浓度)等一些过程变量的系统。常规的过程控制系统框图如图2.1 所示。设定值 偏差值 控制信号 控制量 被控变量 Z图2.1 过程控制系统框图过程控制涉及工业生产的各个领域，不同的工艺过程控制有不同的要求。但总的归纳起来有三个方面的要求：安全性、经济性和稳定性。目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还

9、是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。22. 1 一般计算机测控系统的组成组态控制技术是一种计算机控制技术。利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机测控系统在结构上没有本质上的区别，它们都由被控对象、传感器、仪表接口、计算机和执行机构几部分组成，如图2.2所示。传感器的作用是对被控对象的各种参数进行检测。通过传感器，计算机能感知生产进行的情况，将参数在显示器上显

10、示。并根据参数实际值与设定值的偏差，按照一定的控制算法发出控制命令，控制执行机构的动作，从而完成控制任务。如水箱水位控制系统中计算机通过水位传感器测知水位的高低和是否越限，将这一情况在显示器上显示出来，并根据水位的高低控制给水阀门的关闭或打开，实现水位测量与控制的目的。 现场 参数 图2.2 一般计算机控制系统的结构组成如果把计算机比喻成系统的大脑，传感器就相当于它的眼睛，执行器就是手和脚。计算机只能接受数字信号（电压、电流），计算机和传感器及执行器需要I/O接口设备来进行信号的转换与联系，因此I/O设备是沟通计算机和现场设备的桥梁。I/O接口里只要的部件常常用来将模拟量转换成数字量的A/D转

11、换器、将数字量转换成模拟量的D/A转换器，对开关量进行信号隔离的光电隔离器等。I/O设备可安装在计算机里（如各种I/O板卡）、计算机外控制室里（如带通信接口的智能仪表），也可安装在现场（如智能传感变送器、I/O模块）基于组态软件的仪表自动化监控系统方案。22. 2 MCGS的流量监控系统的设计本系统主要由装有MCGS的上位机通过RS232C或RS485与仪表通讯，仪表对被控变量进行控制。由执行器：电动调节阀；变送器：流量传感器：4 20mA信号；水箱、水泵、流量计等组成。单向回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节阀只接受一个信号，其输出也只控制一个执行机构。

12、首先水泵从储水箱抽水，打开调节阀流进上水箱，当水位在一定时间内达到某一高度时，从流量传感器上显示的数据，可得知水箱的水位高度是否越限。并根据水位的高低要求来控制水的流量，即控制给水控制阀的开关程度，最后水经过手动调节阀流回储水箱。流量：执行器选用电动调节阀，变送器选用电磁流量计。电磁流量计以电磁感应定律为基础，通过安装在管道两侧的磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测知管道内液体的流速和流量。液位：执行器选用电动调节阀，变送器选用4-20mA信号的压力传感器。通过压力传感器的4-20mA电流信号来控制电动调节阀的开口大小，从而控制液位的高低达到动态的平衡。3流量监控系统硬

13、件设计方案3.1工艺流程图图3.1 仪表自动化实验装置设计与制作如图3.1所示的仪表自动化实验装置工艺流程图，可以实现对流量、液位、温度、压力四大过程参数的控制。流量控制：首先上电，将总阀、手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行流量参数的设置，通过流量传感器进行检测并控制电动调节阀开口的大小来控制液体的流量。液位控制：首先上电，将总阀、手动阀2、上水阀1、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行液位参数设置，通过对参数的设置来设置报警位置，由液位变送器进行监测并控制电磁阀的通断来控制液位的稳定；或者将手动阀1、手动流量控制阀1

14、、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行液位参数设置，通过对参数的设置来设置报警位置，由液位变送器进行监测并控制电动调节阀开口的大小来控制液位的平衡。压力控制：首先上电，将手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，通过上位机进行压力设定，并设置智能PID调节仪中P、I、D等相关参数，由压力变送器采集管道压力大小信息并传送至智能PID调节仪，控制电动调节阀开度的大小来控制管道压力的大小。温度控制：首先上电，将总阀和上水阀2打开，关闭下水阀3和下水阀4，将换热器中注入适量的水，然后将总阀关闭，把下水阀4打开少许开度，让水缓慢流通。然后断开转

15、换开关给电热管供电、给调节器供电。通过对智能PID调节仪进行温度的参数设置控制液体的温度。3.2硬件组成该仪表自动化试验装置的机械部分由以下器件组成：1#水槽、2#水槽、换热器、储水箱、流程柜、上水管和下水管。通过该机械部分可以完成液体的上水、排水和循环。该仪表自动化实验装置的自动装置部分由以下器件组成：执行器：电动调节阀，可以由智能PID调节仪驱动对流量或者液位参数进行控制，能够通过改变阀开度的大小对液体的流量大小和液位的高度进行控制。变送器：PT100液位变送器可以将液位信号采集并传送到智能PID调节仪对液位进行监测、控制；流量积算仪将电磁流量计的电信号传到智能PID调节仪去控制管道的流量

16、。控制器：通过上润仪表对流量、液位被控变量进行设定，并设置控制参数；无纸记录仪可以将液位的高度、流量的大小，这些抽象的数据转换成具体的曲线图，便于研究人员进行实验结果检测、数据的收集，还可以实现报警、参数修改、历史曲线、实时报表、历史报表、安全机制等内容。具体的硬件器件选型，见附录。3.3监控系统硬件组成结构图图3.2 监控系统硬件组成结构图现场层组成，各阶段的所应实现的功能，即：(1) 监控层：监控层PC机实现对生产设备的监控、故障报警、统计、调度等功能。(2) 控制层：该层主要完成仪表与监控层PC机之间的信息传送，通过RS485串行通讯向监控层传送数据和接受监控层控制指令。(3) 现场层：

17、主要功能是连接现场设备，如传感器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。设备生产工艺控制程序存储在上润机中，所有现场设备都由上润机指挥管理。3.4基于上润仪表的控制系统搭建3.4.1控制器选型上润仪表功能简介：本实验装置中控制器采用福建上润精密仪器有限公司生产的智能自整定PID调节控制仪，该品牌在仪表自动化行业市场占有率排名居首，其具体参数如下。 1.仪表主要特点（1）采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。 （2）输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精度高达0.2级。 （3）采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛

18、满足各种应用场合的需要，交货迅速且维护方便。 （4）全球通用的100240VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电，并具备多种外型尺寸供客户选择。 （5）产品抗干扰性能符合在严酷工业条件下电磁兼容（EMC）的要求。 2.仪表技术规格线性电压：15V线性电流：420mA使用环境：温度-10+60；湿度90%RH3.仪表接线仪表后盖端子排布如图3.3所示：图3.3 上润仪表接线端子电气特性图该仪表具备手动/自动无扰动切换及手动自整定功能，其支持的输入输出信号如下所示。1.模拟量输入热电偶：标准热电偶-K、S、WRe、E、J、T、B、N等；电阻：标准热电阻-Pt100、Cu50或远传压力电阻等；电

19、流：420mA、020mA等-输入阻抗250，010mA500；电压：020mV 01V-输入阻抗5M，05V-输入阻抗100K。2.模拟量输出DC 010mA（负载电阻750）DC 420mA（负载电阻500）DC 05V（负载电阻250K）DC 15V（负载电阻250K）3.开关量输出继电器控制输出-继电器ON/OFF带回差。AC220V/1A；DC24V/1A(阻性)固态继电器输出-SSR(固态继电器控制电压信号)输出，DC12V/30mA 可控硅控制输出-单/三相SCR过零触发：可触发5500A的双向可控硅（或单向可控硅反并联模块）4.通讯输出接口方式-标准串行双向通讯接口：光电隔离，

20、RS-485，RS-232C等 波特率-3009600bps 内部自由设定5.馈电输出DC24V，负载25mA 图3.4 上润仪表接线端子实验面板图图3.5 上润智能自整定PID调节控制仪3.4.2执行器选型3810L系列直行程电子式电动执行器简介：3810L系列直行程电子式电动执行器是以220V交流单相电源做为驱动电源，接受来自调节器控制信号（DC4 20mA 或DC1 5V），实现预定直线往复运动的新型执行器。本系列执行器被用作调节阀的执行机构时，几乎具备了调节阀本身所要求的各种动作变换功能以及阀开度信号功能和手动功能。因此被广泛应于发电、冶金、石化、轻工及环保等工业部门。3810L系列直

21、行程电子式电动执行器各部分组成：控制器：接受来自调节器的DC4 20mA 或DC1 5V 信号,控制执行器按预定模式工作。传动机构：把电机的旋转运动变成动力输出轴的直线往复运动，实现调节阀的开关和调节功能。开度检测机构： 将输出轴的直线运动位移（阀芯的开度）经齿条、齿轮反馈给电位器，由电位器转换成电信号再反馈给控制器，当来自调节器的输入信号和阀芯的开度信号之差为零时，电机将停止工作。联结机构：通过支架将执行器和被控阀门联结，并由开合螺母将执行器输出轴和阀杆连接，开合螺母上带有指针，支架上有标尺，可指示输出轴(或阀杆)的位移手动机构：本执行器还设计有手动机构，在断电情况下，根据需要可由手动操作来

22、完成调节阀的开、关和调节功能。它的内部接线如图3.6所示图3.6 执行器外观图3.7 执行器剖视图图3.8 执行器结构示意图图3.9 执行器内部接线示意图正反动作状态设定：“正动作状态”将开关1向右拨ON（通），将开关2向左拨OFF（断）（随着输入信号增大，输出轴向下端运动（关闭阀芯），随着输入信号减小，输出轴向上升运动（开启阀芯）。“反动作状态”将开关2向右拨ON（通），将开关1向左拨OFF（断）（随着输入信号增大，输出轴向上升运动（开启阀芯），随着输入信号减小，输出轴向下端运动（关闭阀芯）。3.4.3变送器选型流量仪表概述：在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。流量是衡量设

23、备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。流量仪表分类：在流体工业中有大量的物料（流体）需要通过管道来传送，如石油生产企业中的石油传输和控制、污水处理企业中的污水传送和检测、化工企业中各种气体的传输和控制。为了提高产品质量，降低生产成本，控制污气污水的排放以保护环境，对管道中流体的测量和控制实现自动化就成为生产

24、过程中必不可少的一项任务。工业上常用的流量计种类很多，如按照其测量原理来分类，大致有四类：差压式流量计，速度式流量计，容积式流量计及其它类型流量计如基于电磁感应原理的电磁流量计和超声波流量计等。差压式流量计主要利用管内流体通过节流装置时，其流量与节流装置前后的压差有一定的关系，只要设法测出这一压差值，就可求得流量之犬小。属于这一类流量计的有标准节流装置及转子流量计等。节流装置的发展较早，技术成熟而较完善，又因为应用广泛，国际和国内都有这方面的标准；转子流量计又名浮子流量计，它是工业上最常用的一种流量仪表，它具有压力损失小，可以用来测量液体或气体的流量，而且适宜在200mm的小管径上测量。但转子

25、流量计因为其结构上的特点决定了它只能安装在垂直流动的锥形管子上使用，而流体介质的流向应该是自下而上的。速度式流量计主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转，叶轮的转速和流体的瞬时流量成正比，一段时间内的转数与该时间段的累积总流量成正比。属于这类流量计的有叶轮式水表和涡沦流量计等。家用自来水表就是典型的叶轮式流量计，叶轮式自来水表比较简单价廉，但精确度不高。涡沦流量计的基本原理是涡轮在流体流动的作用力推动之下不断转动，涡轮转动的角速度，也就是讯号的频率数，它基本上与流体介质的体积流量值成正比，测量这一频率数就可确定流体的瞬时流量和累积流量值。涡轮流量计具有较高的精度，但由于它具有轴承部分，所以影响了

26、仪表的使用范围和寿命，同时还必须严格要求流体纯净。容积式流量计主要利用流体连续通过一定容积之后进行流量累计的原理。属于这类流量计有椭圆齿轮流量计和腰轮（罗茨）流量计等。椭圆齿轮流量计和腰轮流量计原理相近，通过测量腰轮或齿轮的转数就可知道累计总容积，这种仪表精确度较高，但只适应小流量的测量。其它类型的流量计有电磁式流量计和超声波流量计等。电磁式流量计利用导体在磁场中运动切割磁力线时，就会产主感应电动势，其方向又右手定则确定，其大小有磁感应强度B、导体在磁场内的长度L、导体的运动速度V三者的乘积决定，这就是法拉第定律。根据此原理可以测导电流体的流量。但是由于感应电势很小，一般为毫伏数量级，故对抗干

27、扰要求很高，且流体必须具有导电性。对于大管径流量方面，电磁式流量计较前面所述的流量计具有较大优势，它可以制成直径3M的流量计。超声波流量计是一种较新的测量方法，它利用超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可以实现流量测量。这种方法也不会造成压力损失，并且适合于大管径、非导电性、强腐蚀性的液体或气体流量的测量。分析比较以上几种流量计的优缺点，前三种中虽然有的测量精度较高，但是都有一定的压力损失，因为这些方法对流动或多或少有些阻力，而且只适用于小管径的流量测量；而电磁式和超声式流量计则可维持管道畅通无阻，或者说压力损失微不足道，而且对于大管径流量测量具有绝对的优势；从电磁式和超声式来比较

28、，超声式对于大管径的流量测量更具有优势，且抗干扰能力比电磁式要强。电磁流量计简介：一、概述电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律研制成功的一种流量计，主要用于测量导电液体体积流量。20世纪30年代便有了比较系统的电磁流量计的理论，20世纪50年代开始进入工业应用领域。20世纪70、80年代电磁流量计技术有了突破性的发展，成为使用广泛的一类仪表，应用领域涉及工业、农业、医学等多个领域，可测介质范围也从电导率很低的蒸馏水到电导率很高的液态金属，并有成熟的耐高温高压及高腐蚀性的设计方法。电磁流量计已基本实现小型化、智能化、一体化，并已有0.2级精度的商品化电磁流量计出现。电磁流量计采用的原理与常见的差压

29、式流量计不同，后者需要在管道中设置一定的检测元件，因此也易造成堵塞，且会带来一定的压力损失。而电磁流量计以电磁感应定律为基础，通过安装在管道两侧的磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测知管道内液体的流速和流量。由电磁流量计的测量过程，不难看出它有以下主要优点：1）属于非接触性仪表，测量管段是光滑直管，管内没有任何阻碍流体流动的节流元件，不会引起额外的压力损失，节能效果好，可用于测量各种粘度的液体，特别适于测量含固体颗粒的液固混合流，如纸浆、泥浆、污水等。此外除电极外没有其他组件与液体直接接触，因此它还适于测量腐蚀性大的液体，由此形成了独特的应用领域。2）流量计测量过程不受

30、被测介质的温度、粘度、密度等因素的影响，因此只需一次经水标定后就可用于测量其他导电液体的流量。3）电磁场的产生是极快的过程，因此电磁流量计反应速度快，无机械惯性，可以测量瞬时流量，还可测水平或垂直管道中两个轴向的流量。4）流量计输出只与被测介质的流速有关，量程范围宽。5）应用口径范围大，小口径、微小口径常用于医药卫生等有卫生要求的场所，中小口径常用于高要求或难测场合，如造纸工业测量纸浆液，大口径多用于给排水工程。同时电磁流量计也有以下一些不足之处：不能测较高温度流量；不能测气体、蒸汽以及含有大量气泡的液体；易受外界电磁干扰，造成输出精度受影响；结构复杂，成本较高。二、电磁流量计的结构在结构上电

31、磁流量传感器由传感器和转换器两部分组成。测量管上下装有励磁线圈，通励磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电动势送到转换器，励磁电流则由转换器提供。转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成与流量信号成正比的标准信号输出，最终完成显示、记录和调节控制等功能。电磁流量传感器主要由测量管组件、磁路系统等部分组成。1测量管组件测量管位于传感器中心，它的材料及制造应满足下列要求：1）必须由不导磁材料制成，以使磁力线能进入被测介质；2）一般还应由高阻抗材料构成，如玻璃钢或不锈钢，以减小涡电流带俩的损耗。3）在使用金属做测量管（如不锈钢）时，整根测量管的内侧应涂有绝缘层或衬垫绝缘套管，以避免流体中的电流被管壁短路。2磁路系统磁路系统的作用是要产生一个磁场，而产生的磁场波形由选用的励磁方式决定。励磁方式的不同直接影响到仪表的抗干扰性，常用的有直流励磁、正弦交流励磁、恒电流方波励磁三种。（1）直流励磁 利用永磁体或者直流电源励磁产生恒定磁场，简单可靠，受交流磁场干扰小。但其显著缺点是直流感应电动势在两个电极表面形成固定的正负极性，引起被测介质电解，电极间电阻增大，感生的流量产生的电动势减小。所以这种方式只适合于非电解质的导电液体（如液态金属）的测量。（2）正弦交流励磁 利用正弦交流电